極限環境下で使用可能な人工ダイヤモンド放射線検出器・半導体デバイスの開発

• Project/Area Number: 13J02500
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nuclear engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 嶋岡 毅紘 北海道大学, 工学院, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 電荷キャリア輸送特性 / エネルギー分解能 / DD中性子計測 / Fano因子 / 単結晶CVDダイヤモンド / DT中性子エネルギースペクトロメータ / CVDダイヤモンド / 慣性核融合 / 電荷収集効率 / ダイヤモンド放射線検出器

Outline of Annual Research Achievements

最終年度は(1)高速点火方式慣性核融合におけるDD中性子計測、(2)ダイヤモンド放射線検出器のFano因子評価、半導体デバイス作製の一環として(3)ダイヤモンドアバランシェダイオード作製の3つに取り組んだ。
(1)では前年度まで行ってきたノイズ対策をさらに発展させ、自作した銅製ファラデーケージの導入により爆縮時の電磁ノイズをオシロスコープ量子化誤差程度まで低減、米国NIFよりも3桁以上低い10^8 neutrons/shot台の中性子発生数においても中性子信号の観測に成功した。
(2)では前年度に電荷キャリア輸送特性を改善したダイヤモンド放射線検出器に対しα線を用いて詳細なエネルギー分解能評価を行い、ダイヤモンド放射線検出器として初めて実験的にFano因子を得た。シリコン表面障壁型半導体検出器との比較により電子正孔対平均生成エネルギー：ε＝13.1eVを得た。エネルギー分解能の実測値は0.3086±0.004%とダイヤモンド放射線検出器としてトップクラスの値を得た。回路ノイズを誤差伝搬の式により差し引いて得られた検出器固有エネルギー分解能は0.2250±0.0004%であった。実験的に求めたこれらの値からファノ因子F = 0.382±0.007を得た。また、導電性基板上への気相成長を行い、キャリア輸送特性のさらなる改善を試みたが、大幅な輸送特性改善は見られなかった。
(3)のアバランシェダイオード作製への取り組みではダイヤモンド上に線幅１μm、100μmピッチの細線パターンを電子ビームリソグラフィにより作製マイクロプロバーシステムでコンタクトを取りα線誘導電荷量分布測定を行った。細線部に対してコネクタの上限である250Vを印可したが優位な信号の増幅は観測されなかった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A diamond 14 MeV neutron spectrometer with high energy resolution (2016)
  • Author(s): T. Shimaoka, J. H. Kaneko, K. Ochiai, M. Tsubota, H. Shimmyo, A. Chayahara, H. Umezawa, H. Watanabe, S. Shikata, M. Isobe, M. Osakabe
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Issue: 2
  • DOI: 10.1063/1.4940929
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High performance diamond radiation detectors produced by lift-off method (2016)
  • Author(s): T. Shimaoka, J. H. Kaneko, M. Tsubota, H. Shimmyo, H. Watanabe, A. Chayahara, H. Umezawa, S. Shikata,
  • Journal Title: Euro Physics Letters Volume: 113 Issue: 6 Pages: 62001-62001
  • DOI: 10.1209/0295-5075/113/62001
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Response measurement of single-crystal CVD diamond radiation detector for intense X-rays aiming at neutron bang-time and neutron burn-history measurement on an inertial confinement fusion with fast ignition (2015)
  • Author(s): T. Shimaoka, J. H. Kaneko, Y. Arikawa, M. Isobe, Y. Sato, M. Tsubota, T. Nagai, S. Kojima, Y. Abe, S. Sakata, S. Fujioka, M. Nakai, H. Shiraga, H. Azechi, A. Chayahara, H. Umezawa, S. Shikata,
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 86 Issue: 5 Pages: 053503-053503
  • DOI: 10.1063/1.4921482
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Radiation hardness of a single crystal CVD diamond detector for MeV energy protons (2015)
  • Author(s): Yuki Sato, Takehiro Shimaoka, Junichi H. Kaneko, Hiroyuki Murakami, Mitsutaka Isobe, Masaki Osakabe, Masakatsu Tsubota, Kentaro Ochiai, Akiyoshi Chayahara, Hitoshi Umezawa, Shinichi Shikata
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 印刷中 Pages: 147-150
  • DOI: 10.1016/j.nima.2014.12.036
  • Peer Reviewed
• [Presentation] α線に対する単結晶CVDダイヤモンド放射線検出器のFano因子評価 (2016)
  • Author(s): 嶋岡毅紘、金子純一、佐藤優樹、坪田雅功、新名宏章、茶谷原昭義、 渡邊幸志、 梅沢仁、杢野由明
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京都目黒区)
  • Year and Date: 2016-03-16
• [Presentation] Fano factor evaluation of diamond detectors for alpha-particles (2016)
  • Author(s): T.Shimaoka, J. H. Kaneko, Y. Sato, M. Tsuota, H. Shimmyo, A. Chayahara, H. Watanabe, Y. Mokuno
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2016
  • Place of Presentation: University of Hasselt、ベルギー、ハッセルト
  • Year and Date: 2016-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lift-off法により作製した単結晶CVDダイヤモンド放射線検出器のFano因子評価 (2016)
  • Author(s): 嶋岡毅紘、金子純一、佐藤優樹、坪田雅功、新名宏章、茶谷原昭義、 渡邊幸志、 梅沢仁、杢野由明
  • Organizer: 日本原子力学会北海道支部会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2016-02-16
• [Presentation] 単結晶CVDダイヤモンド放射線検出器における電荷キャリア輸送特性の改善と電子正孔対生成平均エネルギー・ファノ因子の評価 (2015)
  • Author(s): 嶋岡毅紘、 金子純一、坪田雅功、新名宏章、茶谷原昭義、渡邊幸志、梅沢仁、杢野由明
  • Organizer: 第29回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京理科大学葛飾キャンパス(東京都葛飾区)
  • Year and Date: 2015-11-18
• [Presentation] Influence of Nitrogen impurities reduction and methane concentration on Charge collection efficiency and Cathode luminescence spectra of self-standing single-crystal CVD diamond growth on HP/HT type IIa diamond (2015)
  • Author(s): T. Shimaoka, J. H. Kaneko, M. Tsubota, H. Shimmyo, A. Chayahara, H. Watanabe, H. Umezawa, S. Shikata
  • Organizer: International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC) 2015
  • Place of Presentation: グランシップ（静岡県静岡市）
  • Year and Date: 2015-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DT中性子スペクトロメータ応用を目指した単結晶CVDダイヤモンド検出器の14MeV中性子に対する応答関数評価 (2015)
  • Author(s): 嶋岡毅紘、 金子純一、 新名宏章、坪田雅功、茶谷原昭義、渡邊幸志、梅澤仁、鹿田真一、落合謙太郎、磯部光孝、長壁正樹
  • Organizer: 日本原子力学会2015春の年会
  • Place of Presentation: 茨城大学日立キャンパス(茨城県日立市)
  • Year and Date: 2015-03-21
• [Presentation] 単結晶CVDダイヤモンドにおけるカソードルミネッセンススペクトルと電荷キャリア輸送特性の相関 (2014)
  • Author(s): 嶋岡毅紘、 金子純一、 渡邊幸志、坪田雅功、新名宏章、茶谷原昭義、鹿田真一
  • Organizer: 第28回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京電機大学(東京都足立区)
  • Year and Date: 2014-11-19
• [Presentation] 単結晶CVDダイヤモンド検出器の高速点火方式慣性核融合における中性子燃焼履歴モニタ応用への試み (2014)
  • Author(s): 嶋岡毅紘、 金子純一、有川安信 、磯部光孝、坪田雅功、 長井隆浩、小島完興、安部勇輝、坂田匠平、藤岡慎介、 中井光男、白神宏之、畦地宏、茶谷原昭義、 梅澤仁、鹿田真一
  • Organizer: 第75回応用物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2014-09-20
• [Presentation] “Response measurement of single crystal CVD diamond radiation detector for intense X-rays aiming at burn-history measurement on an inertial confinement fusion with fast ignition (2014)
  • Author(s): T. Shimaoka, J.H. Kaneko, Y. Arikawa, M. Isobe, Y. Sato, M. Tsubota, T. Nagai, S. Kojima, Y. Abe, T. Sakata, S.Fujioka M. Nakai, H. Shirakami, H. Azechi, A. Chayahara, H. Umezawa, S. Shikata
  • Organizer: Symposium on Radiation Measurements and Applications (SORMA XV)
  • Place of Presentation: ミシガン州立大学(アメリカ合衆国ミシガン州アナーバー)
  • Year and Date: 2014-06-12
• [Presentation] ダイヤモンド検出器の電荷キャリア輸送特性に関するキャリア密度の影響 (2014)
  • Author(s): 嶋岡 毅紘, 金子 純一, 佐竹 良太, 宮崎 大二郎, 青柳 秀樹, 青木 毅, 深見 健二, 鈴木 伸介, 満田 史織, 茶屋原 昭義, 渡邊 幸志, 梅澤 仁, 鹿田 真一
  • Organizer: 日本原子力学会
  • Place of Presentation: 東京都市大学(東京都世田谷区)
  • Year and Date: 2014-03-27
• [Remarks] 北海道大学 量子ビーム応用計測学研究室 放射線計測グループHP 論文・特許
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/higedon/?page_id=23
• [Remarks] 量子ビーム応用計測学研究室ホームページ 論文・特許
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/higedon/?page_id=23