単結晶薄膜ダイヤモンドを用いた重イオンTOF検出器の開発及び大面積化手法の確立

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25800166
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 佐藤 優樹 独立行政法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 基礎科学特別研究員 (20632409)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: ダイヤモンド検出器 / CVD単結晶ダイヤモンド / TOF測定 / 荷電粒子エネルギースペクトル測定

Outline of Annual Research Achievements

高強度の重イオンビームラインにおける重イオンの飛行時間測定用(TOF)検出器として使用するため、単結晶CVDダイヤモンドから検出器を製作し、性能評価を行った。
241Am-α粒子、及び、AVFサイクロトロンで生成した8.6 MeV/uの7Liイオンの入射に対して、2 GHz Broadband Amplifierを接続して出力信号を観測したところ、パルス幅で1 ns未満(FWHM)の高速応答を観測した。加えて、ダイヤモンド検出器を2つ並べて7Liイオンを通過させ、TOFスペクトルを取得して時間分解能を評価した結果、検出器の持つ固有の時間分解能で約30 psを達成した。
さらに、検出器の持つ耐久性に関しても評価を行った。上記7Liイオンに対して、300 μm×300 μmのX-Yスリットでビームを切り、局所的に50 kcpsのビームを照射したが、出力波高の顕著な低下は観測されなかった。加えて、ペレトロン加速器を用いたMeVエネルギーの軽イオン照射実験では、これまでに報告されたSi検出器の耐久性を上回る結果が得られた。
これらの結果に加えて、単結晶を使用することにより、多結晶では難しい、軽イオン及び重イオンのエネルギースペクトルの測定ができることも示した。241Am-α粒子照射では、検出器固有のエネルギー分解能で約0.4%（FWHM）を達成し、5.389、5.443、5.486、及び5.545 MeVのα粒子の観測が出来た。
また、単結晶ダイヤモンドの結晶サイズ（4×4 mm2 程度）が小さいという欠点を克服するため、結晶を複数個並べることによる検出器大面積化手法の確立に向けた取り組みにも着手した。4つの小サイズ結晶をモザイク状に配置した検出器において、各々の結晶において1 ns以下の高速な信号立ち上がり時間(10-90%)を観測することができ、TOF測定への可能性を示すことが出来た。

Research Products

• [Journal Article] Status of beam line detectors for the BigRIPS fragment separator at RIKEN RI Beam Factory: issues on high rates and resolution (2015)
  • Author(s): Y. Sato, N. Fukuda, H. Takeda, D. Kameda, H. Suzuki, Y. Shimizu, D. S. Ahn, D. Murai, N. Inabe, T. Shimaoka, M. Tsubota, J. H. Kaneko, A. Chayahara, H. Umezawa, S. Shikata, H. Kumagai, H. Murakami, H. Sato, K. Yoshida, T. Kubo
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: in press Pages: in press
  • DOI: in press
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Radiation hardness of a single crystal CVD diamond detector for MeV energy protons (2015)
  • Author(s): Y. Sato, T. Shimaoka, J. H. Kaneko, H. Murakami, M. Isobe, M. Osakabe, M. Tsubota, K. Ochiai, A. Chayahara, H. Umezawa, S. Shikata
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 784 Pages: 147-150
  • DOI: 10.1016/j.nima.2014.12.036
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Single-crystal CVD diamond detector for high resolution particle spectrometry (2014)
  • Author(s): Y. Sato, H. Murakami, T. Shimaoka, M. Tsubota, J. H. Kaneko
  • Journal Title: EPL (Europhysics Letters) Volume: 108 Pages: 42001 p1-p6
  • DOI: 10.1209/0295-5075/108/42001
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Single-crystal CVD Diamond Detector for Low-Energy Charged Particles with Energies Ranging from 100 keV to 2 MeV (2015)
  • Author(s): Y. Sato, H. Murakami, T. Shimaoka, M. Tsubota, J. H. Kaneko
  • Organizer: The fourth international conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications (ANIMMA2015)
  • Place of Presentation: Lisbon Congress Center, Lisbon, Portugal
  • Year and Date: 2015-04-20 – 2015-04-24
• [Presentation] Maintenance and improvement of beam-line detectors for the BigRIPS fragment separator (2015)
  • Author(s): Y. Sato
  • Organizer: Workshop for development of beam line detectors with high rate capabilities at RIBF
  • Place of Presentation: RIKEN, Wako, Saitama, Japan
  • Year and Date: 2015-01-19 – 2015-01-19
• [Presentation] Radiation hardness of single crystal CVD diamond detector for MeV energy protons (2014)
  • Author(s): Y. Sato, T. Shimaoka, J. H. Kaneko, H. Murakami, M. Isobe, M. Osakabe, M. Tsubota, K. Ochiai, A. Chayahara, H. Umezawa, S. Shikata
  • Organizer: SORMA XV - 2014 Symposium on Radiation Measurements and Applications
  • Place of Presentation: University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA
  • Year and Date: 2014-06-09 – 2014-06-12
• [Presentation] Status of Beam Line Detectors for the BigRIPS Fragment Separator at RIKEN RI Beam Factory: Issues on High Rates and Resolution (2014)
  • Author(s): Y. Sato, N. Fukuda, H. Takeda, D. Kameda, H. Suzuki, Y. Shimizu, D. S. Ahn, D. Murai, N. Inabe, T. Shimaoka, M. Tsubota, J. H. Kaneko, A. Chayahara, H. Umezawa, S. Shikata, H. Kumagai, H. Murakami, K. Yoshida, T. Kubo
  • Organizer: The 2nd Conference on "Advances in Radioactive Isotope Science 2014" (ARIS 2014)
  • Place of Presentation: University of Tokyo, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-06