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

特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１１

C( ダイヤモン

ド )

Si( シリコン )

Ge( ゲルマニウ

ム )

原子番号 6 14 32

原子量 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

熱伝導率 (W/m·K) 900~2300 148 60

バンドギャップ(eV)

5.47 1.12 0.7

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 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

ドリフト速度飽和電場 (V//μm) : 伝導帯　　　　　　　　　　　　　　　価電子帯

0.50.6

0.8 2.7

1MIP あたりの平均電子ホール対生成数(pairs/100μm)

3600 9000

結合解離エネルギー (eV/atom) 43 15

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

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検出器 (3,4) の後ろ

MUMON イオンチェンバー (IC)

MUMON Si PIN PD

beam

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。

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~2010/6 (~Run34)

2010/11~(Run35~)

陽子ビームエネルギー 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

信号波形（ 6 バンチ時）

• 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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Diamond Si

Run 34Spill 1814761

time [ns] time [ns]

AD

C c

ou

nts

AD

C c

ou

nts

出力の線形性（ 6 バンチ時）• 6 バンチの積分値の線形性

– ペデスタルは spill 前後の領域を平均して計算

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Si charge [pC] Si charge [pC]

Dia

mo

nd

ch

arg

e [

pC

]

Dev

iati

on

fro

m f

it [

%]

非線形性は 1% 程度 .

長期安定性• 2010 年 1 月から 6 月までの長期安定性

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Dia

mo

nd

/ S

i ch

arg

e

RMS/Mean = 0.75%. Si と同じレベル。

Run 29 Run 30 Run 31

Run 32 Run 33 Run 34

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。

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• Run 34 (spill# 1813172)• 6 bunches• Beam power = 60kW

(~10kW/bunch)

• Run 38 (spill# 2888740)• 8 bunches• Beam power = 130kW

(~16kW/bunch)

Run 38 （ 8 バンチ時）• 線形性

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Si charge [pC]

Dia

mo

nd

ch

arg

e [p

C]

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？）

Run 38 （ 8 バンチ時）• Run38 の安定性

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Run 38 だけをみると、 RMS/Mean = 0.32% の安定性。

Run 38 （ 8 バンチ時）• Run 29 ~ Run 38 全体をフィットしてみると、

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Si charge [pC]

Dia

mo

nd

ch

arg

e [

pC

]

イレギュラーはあるが、 2% 以内の非線形性。

バイアス電圧が低い場合• Run 36, 37

– Vbias = 80V

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テールのパイルアップが大きい。

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

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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。

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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