インジウムを用いた太陽ニュートリノ半導体検出器の開発XI
日本物理学会 ２００９年秋季大会
２００９年９月１２日
宮城教育大学 福田善之、加賀谷亮太
東大宇宙線研 森山茂栄、関谷洋之
東大素粒子センター 難波俊雄
浜松ホトニクス（株） 固体事業部 井澤利之、朝倉雅之

Motivation
Allowed region obtained by
combined 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
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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9月12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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3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 ν
Indium Project on Neutrino Observation for Solar interior(IPNOS) experiment

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Semi-insulating InP cell detector

Mounted in vacuum chamber

SI InP cell detector using VCZ-InP
wafer (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 = (q/d) dx
Using 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 : 3.5eVEnergy resolution :25%@122keV for induced
charge peak (intrinsic : 3%)

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

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Optimize detector thickness (using 57Co)~280μm is best select for thickness
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9Development for multi-pixel detector
New dewar for parallel
connection

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Inside of new dewar forparallel connection

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Observation of γ-rays for old and new dewar
 57Co (Serial # 301)

Noise

Same peak and structure was observed.
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Pulse-like noise

Unstable pulse-like noise sometimes
happened in new dewar measurement.
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Observation of γ-rays for old and new dewar
 133Ba (Serial # 301)

Same structure, but worse resolution
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Observation of γ-rays for old and new dewar
 57Co (Serial # 631)

Also same structure, but more worth resolution
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Observation of γ-rays for old and new dewar
 133Ba (Serial # 631)

Same structure, but more worse resolution
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Observation of γ-rays for parallel connection
 57Co (Serial #301 + Serial #631)

Events rate increased and same resolution
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Observation of γ-rays for parallel connection
 133Ba (Serial #301 + Serial #631)

Events rate increased and same resolution
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17Conclusion
Induced charge due to drift of carrier (electron and hole)
generated by radiation.
 Charge distribution depends on thickness of detector.
 Parallel connection for multi-pixel detector was tested
using NEW dewar.
 Charge distribution has same structure but worseresolution
fix pulse-like noise problem
 Events rate increased as expected (or more) More multi-pixel detector connection will be tested.
IPNOS phase-I (10kg InP in LXe)
9 Low background (&low temperature) environment inside of LXe
9 A few events per year for pp solar neutrinos, but…
9 Demonstrate actual performance for low energy solar ν
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New concept for IPNOS phase-I experiment
InP multi-pixel detector inside ofLiquid Xenon.

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

new detector to measure scintillation light from LXe
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Prototype of multi-pixel InP detector

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