宇宙史研究センター運営協議会
2018年2月8日＠B１１０（総合B）

光量子計測器開発部門の活動報告
光量子計測器開発部門
原 和彦

1

光量子計測器開発部門
STJSOILGADATLAS pixel/strip
STAR MRPCALICE Si-W

Spring-8 Sync. Rad.
2

Heterodyne STM

STJ mass-spectrom.

Other activities

ニュース項目

http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/•2017/12/11-15 HSTD11+SOIPIX2017 International Symposiumでの講演
11th International Hiroshima Symposium on Development and Application of Semiconductor
Tracking Detectors（HST11)と2nd International Workshop on SOI Pixel Detectors(SOIPIX2017)の合同会議が沖縄技術工科大学で開催され、本部門の原准教授が"Radiation
Hardness of SOI Pixel Devices"、修士１年の和田さんが"Evaluation of Characteristics ofHamamatsu Low Gain Avalance Detector (LGAD)"で講演を行いました。世界各国から最前線で検出器開発を行っている187名が参加者しました。 会議のページ•2017/10/10 研究会「SOI量子イメージ検出器の新展開に向けて」＠東京大学のお知らせ
2013年度より行ってきた新学術領域研究「３次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開」（SOI領域研究）も最終年度を迎えています。SOI領域研究は理学と工学の研究者が一体となり、主に加速器実験に向けた新たな量子イメージング検出器を創り出す事を出発点として スタートしました。 当初目標は十分に達成できたと自負していますが、この研究の過程で生命、物質、宇宙等の基礎 サイエンスから社会応用まで、様々な分野においてこうした検出器技術が求められていることを知 りました。 これまでの成果を元に、３次元量子イメージング技術から、今後どのようなサイエンス・応用を 開く事が出来るのか議論を行いたく、この研究会を企画しました。 おしらせのページ

2017/10/1 宇宙史研究センター（朝永センター）の発足

3

前回 CirfSE最終運営協議会 201710.3

ニュース項目

http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/

ニュース•2018/３/26-27

宇宙史国際シンポジウム開催のおしらせ

宇宙史研究センターの国際融合研究ハブとしての活動の一環として、宇宙史国際シンポジウムを、センター発足記念式典と兼ねて、2018年３月26日、27日に筑波大学で開催します。 【日時】 March
26 - 27 (Mon - Tue), 2018 【場所】 3月26日：筑波大学 大学会館 国際会議室、3月27日：総合研究棟B棟１階 【ホームページ】 link 【プログラム】 Day 1: Plenary session International Conference Room, University Hall Talks by invited
speakers, division heads. Day 2: Parallel sessions Rooms 0107, 0108, 0110, 0112-1, Laboratory of Advanced Research B （総合研究棟 B） Plenary
Session (13:00-15:00)•2018/2/7 TIA 光・量子計測シンポジウム開催のおしらせ
第3回TIA光・量子計測シンポジウム 光・量子が繋ぐTIA計測連携～新しい科学と産業の創生をめざして～が2018年2月７日につくば国際会議場で開催されます。３名の招待講演者 三尾典克東大教授「重力波天文学の幕開け」、寺西信一静大特任教授「イメージセンサが切り開く世界」、末永和知産総研主席研究員「電子顕微鏡と電子線分光を用いた最先端計測技術」に加え多くのポスター発表が予定されています。 会議のページ(更新予定)
Poster•2018/1/29 3次元積層半導体量子イメージセンサ研究会開催のおしらせ
第２回「３次元積層半導体量子イメージセンサ研究会」がTIA連携プログラム探索推進事業「かけはし」：’3次元積層半導体量子イメージセンサの調査研究’グループ （高エネ研、産総研、東京大学VDEC、筑波大）主催で、2018
年1月29日（月） 13:30-17:15につくば国際会議場中会議室202室で開催されます。
開催趣旨：
今後の科学・医療・産業分野における光・X線・荷電粒子等の量子イメージセンサでは、異種材料・複数素子による高感度化、微細画素大規模集積、高速画像取得、ダイナミックレンジ拡大などが求められている。これらの解決手段としては、縦方向に異種・複数材料の半導体素子を3次元集積する技術が有望である。本研究会では、TIA「かけはし」事業に採択された“3次元積層半導体量子イメージセンサの調査研究”活動の一環として、最新の３次元積層技術、量子イメージングセンサー技術を持ち寄り今後の研究開発方向に関する議論を行う。 会議のページ

4

TIA – Tsukuba Innovation Arena● 第2回TIA光・量子計測シンポジウム 2016/11/10@エポカルつくば
5

TIA-かけはし連携プログラム探索支援事業

TIAかけはし：
TIA連携プログラム探索推進事業•••

TIA5機関（産総研、物材機構、筑波大、KEK、東大）は、平成２８年度新規共同事業として「TIA連携プログラム探索推進事業」を開始
本事業は、TIA5機関の連携基盤を強化しつつ、新規領域の開拓や大型研究資金獲得のための戦略の立案と体制の構築等を行い、「知の創造と産業界への橋渡し」を目指す．
●TIA連携プログラムとは： TIA5機関の連携に寄る共同研究・共同事業に関する調査研究

光・量子計測センシングスクエアの筑波大参加の採択テーマ

代表者

代表者
機関

参加機関

簡単・便利な超伝導計測―100倍精度の計測
田島 治
を非専門家の手で（H28・H29)

KEK

AIST、NIMS、筑波大(武内)、東大

3次元積層半導体量子イメージセンサの調査
新井 康夫
研究（H28・H29)

KEK

AIST、筑波大(原）、東大テーマ

6

1月29日 新井教授

TIA連携プログラム探索推進事業「かけはし」：'3次元積層半導体量子イメージセンサの調査研究'の目的• 光・X線・ガンマ線・電子線・アルファー線等のイメージングでは、様々な異種材料を持ちいることで高感度化をはかることができる。
• 同時にこれらの検出器では、微細画素・大規模集積回路・高速画像取得・広ダイナミックレンジ等も求められている。
• これらを解決する手段としては、縦方向に異種材料の半導体素子を3次元集積する技術が有望である。
• KEK及び筑波大学の量子センサ技術、産総研の3次元積層技術、そして東京大学の集積回路設計技術を融合させることで、革新的高機能・高感度量子イメージセンサの実現を目指し調査研究を行う。
産総研
量子センサの3次元積層構造の最適化探索
東大VDEC
高集積アナログ・デジタル回路設計・評価の探索

3次元積層
半導体量子イメージセンサ

KEK
SOI量子センサの3次元積層技術へ向けた設計・評価
探索
筑波大
3次元積層センサの評価と応用探索
7遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発(2018)
STJ武内・金Nb/Al-STJ のSOI極低温増幅回路読出

ハフニウムを用いたSTJ光検出器の開発••

2017年度の主な成果: SOI OpAmpの設計・開発．電荷積分増幅の3ケルビンでの動作を確認．入力電荷100fC に対し 23mVの出力を得た．
23.2mV5μs

2017年度の主な成果: 表面粗さの小さい条件(RMS=2.5nm)を用いたHf-STJを作製．リー
ク電流7μA(200μm角，T=140mK)を達成．
我々のグループで今まで達成していたHfSTJリーク電流密度の約1/16 にあたる．
Hf-STJ
200μm×200μm
T~140mK

T=3K

Qin=100fC•2018年度の計画：––

8

電荷積分型SOI増幅器を実際にSTJの光応
答信号読出しに用い，Nb/Al-STJ 近赤外一
光子検出バイアスラインノイズの低減，および電荷感度増加を目指す次期SOI増幅回路設計•

2018年度の計画：–––

より低温での測定による熱起因リーク電流の抑制より小さい接合面積の素子を作製しリーク電流を抑制
光応答のより詳細な基礎データ収集

ATLAS-J

HL-LHC用（2026～）検出器開発

PIXEL

STRIP
量産用strip sensorの評価開始

Pixel size: 50x250um FE-I4 → 50x50 um FE65

約10x10cm

大面積センサーの不安定性（湿度依存性⇒保護被膜改良の検討中）

テストビームでの詳細評価：
照射損傷による収集電荷量の劣化を抑える構造に成功⇒ATLAS pixelのbaseline設計(全5層の内、外側３層分）
9 モジュール製造をATLAS-Jが分担する

筑波大：センサー設計、放射線耐性試験等に深く貢献⇒センサー試験分担(~1/4)の打診

宇宙線ミュー粒⼦を用いた福島第一原子力発電所
1-3号炉の核燃料デブリの観測
1KEK 2筑波大学 3首都大学

1藤井啓文、 2原和彦、1林浩平、 3角野秀一、

国際廃炉研究開発機構
東京電力ホールディングス株式会社

1児玉英世、1佐藤康太郎、1高崎史彦

燃料デブリの状況を宇宙線ミュー粒子で把握する観測を2015.2-2017.9に実施

シンチレータ+波長変換ファイバー+MPPC+DAQ（1cm幅）
N
写真撮影方向

２，３号炉用装置設置位置（原子炉建屋西側）

2号機原子炉
建屋（１階断面図）1号炉用
ミュー粒子計数分布から炉心部の質量分布を求める
Muon Radiography
101号炉高さ（ｍ）

宇宙線ミュー粒⼦を用いた福島第一原子力発電所
1-3号炉の核燃料デブリの観測
3号炉

北まとめ

福島第⼀原⼦⼒発電所の原⼦炉内燃料の状況を探るために、東⽇本⼤震災の直後から宇宙線ミュー粒⼦を⽤いたラジオグラフィを⽤いる⽅法を開発し福島第⼀原⼦⼒発電所原⼦炉内の燃料デブリ観測を実施した。



11

1号炉は燃料装填位置にはほとんど燃料デブリが残っていない。
2号炉では燃料デブリの⼤部分は圧⼒容器の底にあると推定できる。
3号炉は燃料装填位置にはほとんど燃料デブリが残っていない。

⽔平距離（ｍ） 南 圧⼒容器下部の構造
2号炉

4次元飛跡検出器のための内部増幅機能付きシリコン半導体LGADの開発研究
筑波⼤学 和田冴、大鳴匡至、原和彦 KEK-INPS 海野義信、中村浩二
LHC-ATLAS実験
LGAD (low-gain avalanche detector)

ATLASでの17衝突事象

優れた位置分解能だけでは識別が困難になる

高時間分解能(~10ps)検出器実現には優れたS/N小TimeWalk

LGAD:増幅層で速い立上りで十分大きな信号．
Low Gain(G~10)で優れたS/N.
⇒高時間分解能(10ps⇔3mm)をもった高位置分解能半導体検出器<4D Tracker>●十分な信号量で閾値を下げる●速い信号立上り

12

飛跡再構成＝時刻をつなぐ＝再構成手法の革新

4次元飛跡検出器のための内部増幅機能付きシリコン半導体LGADの開発研究
評価サンプル（HPK)
センサー厚： 0, 80μm
レーザースキャン：構造を反映した増幅度

Monitor Diode (1mmφ)
Strip (pitch=80μm)
中性子照射後の電流増幅
Ｐ＋濃度の薄いものほど、増幅特性の劣化が大きい

まとめ

13

LGADの信号増幅特性を評価した



未照射は期待した通りの特性（G>10)

照射後の増幅特性の劣化がみられる
時間特性評価は今⽉のテストビームで⾏う筑波⼤学 岩波四季恵、安部竜平、山内大輝、原和彦
東京⼤学 神谷好郎、駒宮幸男
KEK
新井康夫、三好敏喜

SOI技術を用いた
高位置分解能中性子検出器の開発研究
Detector
UCNs

~6m/s

Guide ceiling

Guide floor
chopper collimator

15μm

Vacuum enclosure
Anti-vibration table

重力下の超冷中性子の密度分布
O（10μm): 密度分布＋時間発展から重力質量と慣性質量を個別に決定
弱い等価原理の量子状態での検証

UCNはＢ膜でα+Liに変換

14α線への変換位置を、世界最高位置分解能を示す
SOI FPIXで測定する

FPIX3: 9μm角
FPIX3 (75μm) バリア(Si:300μm)
SOI技術を用いた
1.0
高位置分解能中性子検出器の開発研究
10.0
1.5

平均的な隣接ピクセルへの電荷分配
荷電重心により高位置分解能達成可能（rowは2行毎の読み出し）
バリア部

241Am

バリアエッジ

センサー裏面のバリアでαを遮断し、エッジの位置測定精度から分解能を評価

σ=0.45±0.11pix=4±1μm15エッジの非直線性、αの角度の効果を含む
冷中性子線+Gdエッジで測定予定

小沢

短寿命RI質量測定用の検出器の開発

理研RIBFの蓄積リング（稀少RIリング）を用いた短寿命RIの質量測定—> rプロセスの経路解明へ
時間分解能
BE-MCP (最重要TOF検出器)
RIの質量は蓄積リング内の周期と速度から決定
高精度で速度決定のためのTOF検出器への要請
・時間分解能 σ < 100 ps
・可能な限り薄い検出器（∆β/β < - 1×10-4） 検出原理
薄膜から放出される二次電子の、・検出効率 100%

σT ~40 ps

磁場(B)と電場(E)を用いた等時性輸送・時間分解能：等時性により可能
・速度変化：薄膜により最小限
・検出効率：大きい磁場により可能

時間差の位置依存性
MCP(F)σ < 2.5 mm

eFoil
位置検出原理薄膜とMCPの角度を90度に設定することにより、二次電子の軌道・輸送時間は薄膜位置に依存。
薄膜の前方と後方に放出される二次電子の時間差からビーム入射位置を決定できる。

eMCP(B)

Beamposition [mm]16

中條J-PARC実験に向けたMulti-gap Resistive
Plate Chamber (MRPC)の開発

LHC-ALICE実験用 超前方光子測定用新型電磁カロリメーター (Focal) 開発
テスト実験
2014-2016年
CERN-PS/SPS
2017/12/15~22
東北大ELPH

ALICE実験

検出器のPad形状の最適化

HGL(High Granularity Layer)
MAPS

LGL(Low Granularity Layer)SiPad

検出器の実GND化

17放射光Ｘ線回折関連（⻄堀）CdTe Pixel Detector

2018年 SPring-8
単結晶X線回折BLに納入決定
SPring-8 パートナーユーザー課題の再延長（～2018年度）決定 2018年1月
代表：Bo Iversen (Aarhus Univ. /筑波大学海外教育研究ユニット招致
メンバー： 西堀 英治
ミッション：CdTe検出器を利用した利用研究の立ち上げ～100KeVの高エネルギーX線の本格利用へ向けた立ち上げを行う
2018年度はCdTe 検出器の立ち上げ調整
18と利用研究を進める。

冨田

超伝導トンネル接合検出器（STJ)による粒子検出（I)

STJを用いた
飛行時間型質量分析装置

質量と電荷を分離した真の質量分析へ

産業技術研究所ナノエレクトロニクス研究部門
超伝導分光エレクトロニクスグループ作成
100x 100um x 100um detectors

数十keV領域での粒子検出テスト
筑波大学研究基盤総合センター応用加速器部門
100 keV イオンビームを用いたテストベンチによる素子の改良とその性能評価
スパッタイオン源から得られる種々の原子イオンに対する応答を調べる。

19

科研費 基盤研究（B）

冨田
超伝導トンネル接合検出器（STJ)による粒子検出（II)STJを静電型イオン蓄積リングに導入することによる糖ペプチドの解離過程の研究

CID

ECD

糖ペプチドのCIDおよびECDによる解離
MagnetNeutral beam
detector

Ion beam

Merging region

Neutral beamdetector/ Laser power
meter

OPOH.V. platform (20 kV)
Ion trap

ElectrospraysourceCollector

YAGElectron gun

静電型イオン蓄積リングによるECD/CID過程＋STJによる解離片の質量分析

LaserDeflector

20

宇宙史国際シンポジウム
14:40 - 14:50 Division for Development of Photon and Particle Detectors
Kazuhiko HARA TCHoU
15:10 - 16:00 SOI Pixel Detector – Looking into History of Universe
Yasuo ARAI KEK, High Energy Accelerator Research Organization
Inaugural Symposium for the Tomonaga Cneter for the History of the Universe
March 26 and 27, 2018
DIVISION for DEVELOPMENT of PHOTON and PARTICLE DETECTORSPlenary Session (13:00-15:00, March 27, 2018)15 min each including discussion•Development of ATLAS Pixel Detectors for the HL-LHC (Junki Suzuki)•Forward Slilicon Calorimeter for future ALICE upgrade (TBD)•Development of TOF detector for Rare-RI Ring (Daiki Kamioka)•Development of Microwave Kinetic Inductance Detector for AstronomicalObservations (Yosuke Murayama)•R&D of quantum photo-sensor based on superconductor with cryo-SOI readout(Rena Wakasa)•Multi-gap Resistive Plate Chamber for Time-of-Flight detector (TBD)•Low-Gain Avalanche Detector (LGAD) for 3D Tracking (Sayaka Wada)•Silicon-on-Insulator Pixel Detector with Precision Spatial Resolution (Kazuhiko Hara)21