InPダイオードと液体キセノンを用いた低エネルギー太陽ニュートリノ検出器の開発
特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会 ２０１１
２０１１年７月２日
宮城教育大学 福田善之

東大宇宙線研 森山茂栄Motivation
Allowed region obtained bycombined results and KamLAND

Survival probability for solar
matter oscillation below 1MeV
Y.Suzuki@Neutrino2004

Neutrino energy
mixing angle θ12 is not well determined compared with θ23 obtained by Atm. ν.
Survival probability could increase at 5MeV or less in case of LMA solution,and the value of probability depends on θ12.
pp/7Be solar neutrino spectrum gives us precise θ 12
2011年7月2日

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2Capture of low energy solar neutrinos by 115In● Advantage
・ large cross section (~640SNU)
・ direct counting for solar neutrinos
・ sensitive to low energy region(Eν ≧ 125keV)・ energy measurement (Ee = Eν － 125keV)・ triple fold coincidence to extract neutrinosignal from huge BG (e1 +γ2 + γ3 )● Disadvantage
・ natural β-decay of 115In(τ1/2 = 4.4 × 1014 yr , Ee≧498keV)・ possible BG due to correlated
coincidence by radiative Bremsstrahlung

R.S.Raghavan Phs.Rev.Lett37(1976)259

Nuclear Physics A 748 (2005) 333-347→ 115Sn* + e-νe
115Sn*(4.76µs) → 115Sn +γ1(115keV) + γ 2(497keV)
115In +

2011年7月2日

Requirement for the detector

1.
2.
3.

Good energy resolution :10%(FWHM)
Fine segmentation (104-105)
High efficiency γ detection

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3半絶縁性InP半導体検出器

真空容器にマウントされた検出器

住友電気工業製 VCZ法による半絶縁性 InP 半導体基板
 浜松ホトニクス制作
 ドライアイス冷却(-79 ℃)


2011年7月2日

Surface size:
10mm×10mm×0.2mm(6mm×6mm×0.2/0.23/0.28/0.45mm)
Electrode :・ Ohmic contact
・ evaporated Au/Cr base metal
・ Insulator (SiN) to avoid leak current

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4電荷収集の原理

 誘導電荷 : dQ = qdx/d
 Hecht formula, 全電荷収集 (Le+Lh～d) Q=Q0
2011年7月2日

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InP 検出器によるガンマ線スペクトル観測
光電ピークを観測しているが、2ピーク構造となっている
 Low Q peak: キャリアがドリフトすることによる誘導電荷 High Q peak: 全電荷収集
 電子・ホールの平均生成エネルギー : 3.5eV
 エネルギー分解能:25%@122keV (intrinsicresolution : 3%)

2011年7月2日

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6シミュレーションによるスペクトル形状の再現



電子のドリフト長Le~200µmとホールのドリフト長 Lh~30µmを仮定
すると、２ピーク構造がシミュレーションによる再現

2011年7月2日

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IPNOS phase-I experiment for Solar νexperiment
InP multi-pixel detector inside of
Liquid Xenon.

30cm cubic chamber (like XMASS
100kg prototype) includes ~10kg
InP detector

液体キセノンのシンチレーション光も観測2011年7月2日

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8薄膜電極型InP検出器の開発

 液体キセノンのシンチレーション光の減衰を抑える必要がある Au/Crの電極の厚みを100Å(10nm)/1000Å(100nm)の検出器を開発
2011年7月2日

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9薄膜電極型InP検出器による放射線測定

100Å/100Å

通常電極

ガンマ線によるスペクトル測定では、従来の性能と変わらない。
2011年7月2日

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10薄膜電極型InP検出器によるシンチレーシ
ョン光測定 CsIシンチレータ
 241Amのα線によるシンチレーション光
22000photon/MeV

2011年7月2日

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11薄膜電極型InP検出器によるシンチレーシ
ョン光測定（１） Siダイオード
22000photon/MeV×4MeV
×0.4 (立体角）×0.8(量子効率)
× 1.6x10-19C =4.5 fC

2α

 InP detector
22000photon/MeV×4MeV ×0.25(立体角）×0.8(量子効率)
× 0.85(ガラスの透過率）× Auの透過率× Crの透過率
× 1.6x10-19C

ノイズに隠れている

2011年7月2日

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12Au/Cr電極の透過率

τ = exp(-ax) t : 透過率 x : 透過長 a : 吸収係数
a = 4πk / λτAu=0.57 τCr=0.36
2011年7月2日

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13薄膜電極型InP検出器によるシンチレーシ
ョン光測定（２） 予想電荷量：0.5fC
 暗電流によるノイズを抑えるため、バイアス電圧を３００Ｖから２０Ｖに低減
CsIのシンチレーション
光を観測（但し、2αの信号）
2011年7月2日

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14メッシュ電極型InP検出器の設計

パターンＡ
2011年7月2日

パターンＢ
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パターンＣ
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メッシュ電極型InP検出器の開発
 電極の厚み

Au100Å／Cr100Å
 表面電極の極性は共通
 基板の厚み200µm/300µm

2011年7月2日

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16メッシュ電極型(C) InP検出器による放射線測定
 ガンマ線によるスペクトル測定では、形状は従来の性能と変わらない。
 観測事象数がおよそ半分程度に減少
開口部分に電場が無いため、不感領域になっている可能性
2011年7月2日

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17メッシュ電極型(C) InP検出器によるシンチレーション光測定
 直接入射光により2.5fC程度の電荷収集が予想
60keVγ線事象と区別がつかず、明確な信号が観測されない（表面電極の効果は不明）
2011年7月2日

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18液体キセノンによるシンチレーション光測
定用真空チェンバーの製作
 24ccの液体キセノンのシンチレーション
 4台のInP検出器を液体キセノンに浸ける（冷却とシンチレーション光集光）
 光電子増倍管による同時計測
2011年7月2日

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19液体キセノンチェンバーの冷却試験

2011年7月2日

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結果 薄膜電極型InP検出器を開発
 ガンマ線による応答性は従来同様
 241Am5.4MeVα線によるCsIシンチレーション光を観測した
 LXeシンチレーション光を観測するには、50Åの電極厚が必要
浜松と共同開発中
 メッシュ電極型InP検出器を試作
 ガンマ線による応答性はあるが、開口部分が不感領域
 直接光の検出が確認できなかった 液体キセノンのシンチレーション光観測実験
 液体キセノンチェンバー製作・冷却試験中
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BACKUP2011年7月2日

フレーバー物理の新展開 研究会22薄膜電極型InP検出器によるシンチレーション
光測定（３）
 予想電荷量：0.5fC
 暗電流によるノイズを抑えるため、バイアス電圧を３００Ｖから３０Ｖに低減

2011年7月2日

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