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２２年度共同利用研究成果発表研究会
２０１０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
２０１０年度 採択額：４万円（旅費）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
２０１０年１２月１８日

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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 +

２０１０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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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製法による半絶縁性 InP 検出器
 ドライアイス冷却(-79 ℃)
 放射線源によるガンマ線を照射
２０１０年１２月１８日

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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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 (本質的には3%)
２０１０年１２月１８日

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5今年度の研究開発状況
 薄膜電極型InP検出器の開発
 シンチレーション光の観測実験
 メッシュ電極型InP検出器の設計
 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

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

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

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7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
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8薄膜電極型InP検出器による放射線測定
 ガンマ線によるスペクトルは、従来の検出器と変わらない。
 青色発光ダイオードの光に、応答している。

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9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~40,000photon

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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 Siダイオード~40,000photon×0.8(量子効率) ×1.6x10-19C = 5.0 fC
 InP detector~ 40,000 photon ×0.2 （立体角）×0.2 （電極の透過率）× 1.6x10-19C = 0.25 fC
ノイズに隠れている
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11メッシュ電極型InP検出器の設計

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12メッシュ電極型InP検出器の開発（浜松ホトニクス制作中） 6mm×6mm×200µmの検出器
 1月中旬に完成
 放射線応答性試験
 CsIシンチレーション光の観測 エキシマランプの計
測＠神岡
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13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（冷却と集光効率）
 光電子増倍管による同時計測
今年度中に真空・冷却試験を行う
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まとめ
 薄膜電極型InP検出器
 ガンマ線による応答性は従来同様
 青色ダイオードの発光を観測 241Amα線のCsIシンチレーション光は観測できなかった

 メッシュ電極型InP検出器
 ガンマ線による応答性、シンチレーション光測定を1月に行う予定

 液体キセノンのシンチレーション光観測実験にむけた準備 液体キセノンチェンバーの設計・製作
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BACKUP

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16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
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17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

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