低エネルギー太陽ニュートリノ観測を目的としたインジウム・リン半導体検出器の開発研究
平成２１年度共同利用研究成果発表研究会
２００９年１２月１８日
宮城教育大学 福田善之
東大宇宙線研 森山茂栄、関谷洋之
東大素粒子国際センター 難波俊雄
２００９年度 査定額：４万円

今年度の研究開発状況
 検出器の検出電荷量の理解とシミュレーションによる評価
 MIS構造による暗電流低減化
 115Inの自然β崩壊事象と原子核起因の制動輻射事象の観測 Multi-pixel型検出器の試験
 シンチレーション光の観測試験

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2Capture of low energy solar neutrinos by 115In
R.S.Raghavan Phs.Rev.Lett37(1976)259

Nuclear Physics A 748 (2005) 333-347

νe → 115Sn* + e115Sn*(4.76µs) → 115Sn +γ1(115keV) + γ 2(497keV)115In +2009年12月18日● 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
Requirement for the detector

1.
2.
3.

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

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Possible InP detector for solar neutrinos

scintilator

Multi-pixel structure for large area detector
 High Z scintillator surrounding InP detector detect γs 4tons of 115In detector for low energy solar νIndium Project on Neutrino Observation for Solar interior(IPNOS) experiment

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4Semi-insulating InP cell detector

Mounted in vacuum chamber


SI InP cell detector using VCZ-InPwafer (product of Sumitomo
Electric K.K.)
Cooled by dry-ice (T = -79 degree)
Response for gammas from radioactive sources

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

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5Principle of charge collectionInduced charge : dQ = qdx/dUsing Hecht formula,For full collection (Le+Lh～d) Q=Q0

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γ spectrum measured by InP detector

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InP detector should be cooled(-79 degree using Dry-Ice)Clear photo-peak wasobserved, but two peakstructure
Lower peak: induced charge
generated by drift of carrier(electron and hole)
Higher peak: full chargecollection
Energy of electron-hole pair
production : 3.5eV
Energy resolution :25%@122keV for induced
charge peak (intrinsic : 3%)

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Spectral shape and simulationAssuming,Le~200µmand Lh~30µm, two peak structure could be
reproduced by induced charge and full charge collection.

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8Optimization for detector thicknessThickness < 300µm is best
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9MIS structure detector
purpose
Obtain better energy
resolution due to low dark I
Metal-insulator-semiconductor(MIS structure)

V-I indicates MISdetector has lower darkcurrent
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10γ−response for MIS-detector
Same charge as usualdetector
 Induced charge collection
was confirmed
 Lower dark current might
not affect the energy
resolution
 Longer drift length (or lifetime) will improve energy
resolution (need muchuniform wafer)

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11Observation of internal 115In β decay andcorrelated backgrounds
CsI(Tl) scintillator : detect
radiative Bremsstrahlung
and other coincidence eventswith InP detector
 CsI crystal size :50mm×50mm×20mm
 radiation shield : lead in 5cm
thickness and oxygen freecopper in 1cm thickness
 4-π active veto plastic
counter : veto cosmic raymuon
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115In β-decay signal in InP detector

Observed spectrum has
different shape from theexpected one by β decayof 115In.
 Events with E<100keVseem to be noise due tothe vibration
 Events with E>300keV
seems to be anotherbackgrounds

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U/Th contamination in SI InP wafer According to BG

measurement using
low-BG Ge detector,
amount of U/Th
contamination areevaluated by 5X10-11
g/g and 3X10-11g/g,
respectively .

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14β−decay spectrum with U/Th backgrounds
 Assuming U/Th

backgrounds, thespectral shape with
E>300keV seems tobe consistent with theobserved spectrum.
214Pb(Emax=670keV)
214Pb(Emax=730keV)
212Pb(Emax=334keV)
234Th(Emax=106keV)

 Another source of β−decay with
E>300keV?
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Backgrounds inside of Shield
Measurement of large area Si
detector

Measurement of CsI scintillator
detector

No peak of gammas （βspectrum of U/th?）Several peaks of
gammas from U/Thdecay

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Observed coincidence backgrounds
Coincidence background
was observed.
 CsI scint. detects external
gammas from U/Th decay
 InP (Si as a reference)
detects internal/external
βs from U/Th decay.
 No significant radiative
Bremsstrahlung from 115In
β decay was observed.
need more statistics toconfirm
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17Uncorrelated BG for solar ν experiment
InP signal (ev#1) andscintillator signals (ev#2with E~116keV and ev#3
with E~497keV) within
10µs Gate Uncorrelated BG: 5×10-6
events/day/module= 10 events /day/wholedetector =2.0X106
modules
 U/Th in InP wafer should
be reduced by ~1/10

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New concept for IPNOS phase-I experiment
InP multi-pixel detector inside ofLiquid Xenon.

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

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19Measurement of scintillation light by InP
Transparent window using
Sapphire glass

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Scintillation from CsI
crystal

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Spectrum of scintillation light Band Gap : 1.35eVcorresponds to λsci. <930nm
 InP detector observed
signals from CsI :~1×10-15C
 expected charge :5×10-16C

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Conclusion
InP detector observed clear peak of γs Induced charge due to drift of carrier (electron and hole)
generated by radiation.
 Averaged energy of carrier production : 3.5eV
Vertical Bridgeman method
 Energy resolution : 25%
 No significant backgrounds related to radiativeneed more statistics
Bremsstralung of 115In
 Amount of Internal U/Th contamination should be
reduced by 1/10 in order to keep S/N~1


Next step : IPNOS phase-I (10kg InP in LXe)
 Low background (&low temperature) environment inside of LXe Response of scintillation light has been checked byusing CsI.

Must detect scintillation light from Liq.Xenon.
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Development of indium complex loaded
liquid scintillator

Indium-complex could be solved
by organic Liq-scintillator.
 Quinolinol and tropolone ligand
have light emission.
Requirement : 10%wt solubility
and Energy res. 10%@100keV

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