Diamond Detector as an Intense Particle Monitor

Diamond Detector as an
Intense Particle Monitor
大阪市立大学山本和弘
特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１１
ダイヤモンドの物性
• Si, Ge と同じ共有結合をもつ第14族単体元素
C
Si
Ge
( ダイヤモンド)
(シリコン)
(ゲルマニウム)
6
14
32
12.0107
28.0855
72.64
密度(g/cm3)
3.52
2.33
5.32
抵抗率(Ω·m)
~1014
3.97×103
6.90×10-1
900~2300
148
60
5.47
1.12
0.7
原子番号
原子量
熱伝導率(W/m·K)
バンドギャップ(eV)
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放射線検出デバイスとしてのダイヤモンド
ダイヤモンド
シリコン
バンドギャップ(eV)
5.47
1.12
絶縁破壊電圧(V/cm)
107
3×105
電子移動度(cm2/V·s)
1800
1350
ホール移動度(cm2/V·s)
1200
480
0.5
0.6
0.8
2.7
3600
9000
43
15
ドリフト速度飽和電場(V//μm) : 伝導帯
価電子帯
1MIPあたりの平均電子ホール対生成数
(pairs/100μm)
結合解離エネルギー(eV/atom)
• ダイヤモンドはシリコンと比べて
– 応答が速い
– 放射線耐性が高い
– 信号が小さい
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ダイヤモンド検出器の動作原理
• 基本的に半導体検出器と同じ
– 電子・ホール対生成．
– ただし，シリコンのようなpn接合ではない．
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ダイヤモンド検出器
• Element Six 社製単結晶CVD
ダイヤモンド
– 4mm x 4mm x 0.5mm
– 両面をAuでメタライズ
• PEEK樹脂とポリイミド被覆の
ケーブルでマウントと読出し
– 放射線耐性が高い
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Applications
• コライダー検出器のルミノシティモニター
• ニュートリノ実験のミューオンモニター
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検出器のセットアップ
• T2K実験のJ-PARC MUMONピットに設置
– Si PIN フォトダイオードの後ろに設置
– 電圧制御と信号処理(FADC)は地上で
MUMONイオンチェンバー(IC)
beam
検出器(3,4)の後ろ
MUMON Si PIN PD
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実験状況
• T2K実験は2010年1月から物理ランを開始
– Run 29–38 のデータを用いて信号の線形性と安定性を評価する。
– ダイヤモンド検出器が取り付けられているチャンネルの Si PIN
PD に対する相対評価。
~2010/6
(~Run34)
陽子ビームエ
ネルギー
2010/11~
(Run35~)
30 GeV
ビームパワー
~50kW
100~140kW
Spill 周期
3.52 sec
3.2 sec
Bunch 数
6/spill
8/spill
Bunch 間隔
581 nsec
Bunch幅
58 nsec
スピルのバンチ構造
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信号波形（6バンチ時）
Run 34
Spill 1814761
ADC counts
Si
ADC counts
Diamond
time [ns]
• 6バンチ構造が明確に見えている。
– テールの振舞いは Si より良い。
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time [ns]
出力の線形性（6バンチ時）
• 6バンチの積分値の線形性
Diamond charge [pC]
Deviation from fit [%]
– ペデスタルはspill前後の領域を平均して計算
Si charge [pC]
Si charge [pC]
非線形性は1%程度.
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長期安定性
Diamond / Si charge
• 2010年1月から6月までの長期安定性
Run 29
Run 30
Run 31
Run 32
Run 33
Run 34
RMS/Mean = 0.75%.
Si と同じレベル。
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Run 38 （8バンチ時）
• 信号波形
– 以前(Run34)に比べて、少しテールが出てきている。
• Run 34 (spill# 1813172)
• 6 bunches
• Beam power = 60kW
(~10kW/bunch)
• Run 38 (spill# 2888740)
• 8 bunches
• Beam power = 130kW
(~16kW/bunch)
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Run 38 （8バンチ時）
Diamond charge [pC]
• 線形性
6バンチと8バンチで
少し系統的なずれが
あるように見える。
（ペデスタルの計算
か？）
Si charge [pC]
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Run 38（8バンチ時）
• Run38 の安定性
Run 38 だけをみると、RMS/Mean = 0.32% の安定性。
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Run 38（8バンチ時）
Diamond charge [pC]
• Run 29 ~ Run 38 全体をフィットしてみると、
Si charge [pC]
イレギュラーはあるが、2%以内の非線形性。
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バイアス電圧が低い場合
• Run 36, 37
– Vbias = 80V
テールのパイルアップが大きい。
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バイアス電圧が低い場合 -2• 時間安定性
– 徐々に信号強度が落ちていくのが見られた。
– ポーラリゼーション効果
Run 36
Run 37
バイアスは十分にかける必要がある。
ただし、Run 38 で電圧を200Vに戻すと回復した。
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Summary
• T2KビームラインのMUMONピットにダイヤモンド検出
器を試験的に設置し、データを収集した。
• Run 34 までの6バンチ時のデータからは、線形性・時
間安定性ともに、良好な動作を示した。
• Run 38 での8バンチ時のデータでは、6バンチ時と比べ
て、出力に少し系統的なずれが見られた。
– ただし、 Run38内での時間安定性は良好。
• バイアス電圧を十分にかけないと、信号の低下が起こる
ことが確認された。
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