2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of the liquid helium TPC with superconducting detectors and search for light dark matter
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26287047
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
石野 宏和 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (90323782)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (00358293)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 超伝導検出器 / 軽い暗黒物質 / 液体ヘリウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
質量が10GeV/c2以下の軽い暗黒物質探索のために、液体ヘリウムを標的とした検出器の開発を行う。Ｈ２８年度では、液体ヘリウムの温度でかつ液体中で作動する超伝導検出器の一種である力学的インダクタンス検出器KID (Kinetic Inductance Detector)の性能の向上を行った。KIDは、検出器素子１つがＬＣ共振回路になっており、周波数領域読み出しで、一本の読み出し配線で原理的に１０００素子を同時に読み出すことができる。共振周波数は６ＭＨｚ間隔に設計したが、実機では正確に６ＭＨｚ間隔にならず、間隔の分散が３ＭＨｚ程度生じることがわかった。その原因究明を行ったところ、２つの理由がわかった。一つは、共振器同士が物理的な配置により相互インダクタンスを持つ効果によるものであった。これは、共振器間にグラウンドを設置することにより解消された。シミュレーションおよび実機により、グラウンドの配置の仕方を調整した。もう一点は、エッチングによる製造過程において、シリコン基板のオーバーエッチの非一様性であった。オーバーエッチの深さと共振周波数のずれに明確な相関がみられ、シミュレーションでも定量的に確認した。シリコン基板上に2nmのAlN薄膜を形成することにより、オーバーエッチを抑制したところ、共振器間隔の分散を1MHz以下に抑えることに成功した。この成果は論文に執筆する予定である。以上の成果により、周波数領域でのクロストークを最小限に抑えることができた。また、共振周波数の温度依存性を測定することにより、共振器の感度に直結する物理量を測定した。電磁シミュレーションと比較することにより、一致が見られ、一定の理解が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
超伝導検出器の開発において、クロストークの低減に成功した。また、周波数領域でパルス信号を同時に多重素子読み出すことに成功した。一方で、検出器自身の感度測定が行われていない。レーザーパルス光や宇宙線ミューオンからのシンチレーション光を用いて光に関する感度を測定する準備をしている。ＴＰＣに関しては、電場シミュレーションを用いて設計をしているところであるが、電子の液体ヘリウム中でのドリフトについて未知なことが多く、実験的な調査が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
光パルスレーザー光による超伝導検出器の感度の絶対値を測定する。雑音が予想以上に多いので、低温で増幅し雑音指数を改善することを目指す。また、宇宙線ミューオンを用いることにより、液体ヘリウムのシンチレーション光の観測を目指す。光の検出効率の測定から、暗黒物質の感度の期待値を求める。
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| Causes of Carryover |
液体ヘリウムのシンチレーション光を検出するための準備に手間取っていたが、方針をようやく固めることができた。また、ＴＰＣの開発に必要なシミュレーターソフトウェアの選定を、機能と予算から決定した。双方ともＨ２８年度末になってようやく決定したために、次年度使用とさせていただいた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
液体ヘリウム内で発生するシンチレーション光を検出するシステムの構築に使用する。具体的にプラスチックシンチレータおよび極低温で使用可能なプリズムおよび光ファイバーを使用し、検出器には光電子増倍管およびＭＰＰＣを利用する。またＴＰＣの開発ソフトのライセンス料としても使用する。
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