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ハドロンコライダー実験における軌跡検出器の開発研究

研究課題

研究課題/領域番号 03044092
研究種目

国際学術研究

配分区分補助金
応募区分共同研究
研究機関大阪大学

研究代表者

長島 順清  大阪大学, 理学部, 教授 (90044768)

研究分担者 ABRAHAM Seid  カリフォルニア大学サンタクールズ校, 教授
吉田 肇  鳴門教育大学, 第5部, 教授 (10111775)
小林 茂治  佐賀大学, 理工学部, 教授 (00039273)
田村 詔生  岡山大学, 理学部, 助教授 (00025462)
浅井 慎  広島工業大学, 電気工学科, 講師 (40192926)
杉本 章二郎  東京大学原子核研究所, 教授 (20044753)
瀧田 正人  大阪大学, 理学部, 助手 (20202161)
幅 淳二  大阪大学, 理学部, 助手 (60180923)
山中 卓  大阪大学, 理学部, 助教授 (20243157)
SEIDEN Abraham  Professor, Institute for Particle Physics, University of California, Santa Cruz
河合 秀幸  千葉大学, 教養部, 講師 (60214590)
中村 光弘  名古屋大学, 理学部, 助手 (90183889)
江村 恒夫  東京農工大学, 工学部, 助教授 (40015053)
高橋 香  東京農工大学, 工学部, 教授 (90015024)
中村 輝男  宮崎大学, 工学部, 教授 (00025305)
村上 明  佐賀大学, 理工学部, 教授 (60039253)
川口 湊  福井大学, 工学部, 教授 (40011556)
研究期間 (年度) 1991 – 1992
研究課題ステータス 完了 (1992年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 6,500千円)
1992年度: 3,500千円 (直接経費: 3,500千円)
1991年度: 3,000千円 (直接経費: 3,000千円)
キーワードSSC実験 / SDC / シンチレーションファイバー / 半導体検出器 / 両面読み出し / シリコンマイクロストリップ検出器 / 高耐放射線 / シンチレ-ションファイバ- / シリコンマイクロストリップ半導体 / 軌跡検出器 / イメ-ジインテンシファイア- / CCDカメラ / アバランシュフォトダイオ-ド / バ-テックス検出器
研究概要

米国のSSC(Superconducting Super Collider)研究所での実験に使用する目的で,高放射線環境下で且つ高頻度(>100MHZ)発生事象処理能力のある軌跡測定器:(1)シンチレーションファイバー軌跡測定器(2)薄型の高分解能両面読み出しSSD(半導体)検出器の二種の検出器の開発研究を目標とした。
プラスチックシンチレーションカウンターは本質的に応答特性が速い(発光減衰時間<__〜10ナノ(10^<-8>)秒)と言う特性を持っており,高速計測に適している。軌跡検出器として働かせるためにはファイバー形状にして束ねたものを使用するが,検出したい荷電粒子の通過路長がファイバー直経(目的により30ミクロンから数mm程度)で制限されるため,充分な光量が得難く,またファイバーサイズに見合った多チャンネル読み出しが困難という難点がある。平成3年度は将来的興味もあり,30ミクロン直径のシンチレーションファイバー検出器の使用可能性をテストした。PMP(-phenyl-3-mesityl- 2-pyrazoline)と呼ばれる新しい波長変換剤を添加したシンチレーション検出器は,充分な発光量を持ち使用可能である事を検証したが,束ねたときのクロストーク(相互干渉)が課題として残った。また,こうした高密度集積検出体の読みだしには,我々はイメージインテンシファイヤー増幅した後,CCDで読み出すという手法を取ったが,CCDのクリアーには少なくも1マイクロ(10^<-6>)秒を要するので,100MHZの高速で事象の発生するSSC実験に使用する為には前段処理の工夫が必要である。この時点で,SDC測定器(我々の参加しているSSC実験グループ)中間部軌跡検出器としては,軌跡分解能1mmを目指すと仕様が固まったので,重点をSSD検出器開発に移した。
SSD検出器はSDC測定器の中心部,内径9cmから50cmの所に円筒状に置かれ,ビーム反応点(ヴァーテックス)から飛来する荷電粒子の軌跡を高精度で測定し,ヴァーテックスの測定,運動量の精密決定,パターン認識,またカロリーメーター(シャワーエネルギー測定器)と組み合わせて粒子同定に用いるなど,SDC測定器の枢要な部分を担う。その為,表裏に50ミクロンピッチでマイクロストリップセンサーを並べた(片面640チャンネル)両面シリコンストリップ検出器(3.4cm×6cm,厚さ300ミクロン)を4枚梯子状に並べたものをシリンダー状に組み上げる構造にした。所定の精度を出し,多重散乱による分解能劣化を避けるため薄型にする必要があり,ビームに近く位置することから,高耐放射線性の高速両面読みだしの能力が要求される。センサーの開発製造は日本で,読みだしは米側で分担し,支持冷却構造等は両方で開発を進めた。
両面半導体検出器はn型基盤の片面にp型のシリコンストリップを形成し,裏面にn型のストリップをp型と斜交するように配置する。試行錯誤で何回かのテストセンサーを試作し,筑波の高エネルギー物理学研究所や阪大核物理センターのビームを使ってテストした。p型ストリップからの読みだしは基本的には片面読みだしのものと同じであり,理想に近い分解能が比較的早期に得られたが,n型からの読みだしにはクロストークがあったのを,n型ストリップの間にp型ストリップを形成しバイアス電圧を充分掛けてやる事で解決する事が出来た。放射線損傷に付いても何回かのテストで,耐放射線性の強い電極構造や素材2付いて改良が試みられ,ほぼ満足の得られる結果(>10^6rad照射に耐える)を得た。
結論:5年以上に亙る開発研究であったが,この科研費を得た最後の2年間で位置分解能〜15ミクロン,耐放射線性能もSDC仕様をほぼ充たす両面シリコンストリップ検出器の開発,仕様決定に成功した。

報告書

(2件)
  • 1992 研究成果報告書概要
  • 1991 実績報告書
  • 研究成果

    (40件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (40件)

  • [文献書誌] T.OHSUGI et al.: "Prototype double silecon sensor (DSSS)for SDC detector" to be published the IEEE Transactions on Nuclear Science.

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.KOBAYASHI et al.: "Radiation hadrons of undoped CsI crystals against high energy protons" to be published Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.MORI et al.: "A limit on massive neutrino dark matter from Kamiokande" Physecs Letters. B289. 463-469 (1992)

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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.SHIRAKATA et al.: "Measurement of forward-backward ch arge asymmetry in the process of b-quark production in the e^+e^-annihilation around √<S>=60 GeV" Physics Letters. B278. 499-505 (1992)

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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] D.Pitzl et al.: "Type inversion in silicon detectors" Nuclear Instruments and Methods in Methods Physics Research. A311. 98-104 (1992)

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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.S.HIRATA et al.: "Real time,directional measurement of ^8B solar neutrinos in the Kamiokande-II detector" Physical Review. D44. 2241-2260 (1991)

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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Ohsugi et al.: "Prototype double sided silicon sensor (DSSS) for SDC detector" the IEEEE Transactions on Nuclear Science.

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Kobayashi et al.: "Radiation hadrons of undoped CsI crystals against high energy protons" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.

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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Mori et al.: "A limit on massive neutrino dark matter from Kamiokande" Physics Letters. B289. 463-469 (1992)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
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      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Shirakata et at.: "Measurement of forward-backward charge asymmetry in the process of b-quark production in the e^+e^- annihilation around ROO<s>=60 GeV" Physics Letters. B278. 499-505 (1992)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] D.Pitzl et al.: "Type inversion in silicon detectors" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A311. 98-104 (1992)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.S.Hirata et al.: "Real time, directional measurement of ^8B solar neutrinos in the Kamiokande-II detector" Physical Review. D44. 2241-2260 (1991)

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    • 関連する報告書
      1992 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] TOPAZ Collaboration: "A Study of Pion Pair Production in the two-photon Process" Physics Letters. B234. 185-190 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] TOPAZ Collaboration: "A Search for b Quark with Flavor Exchange Neutral Current Decay Mode at TRISTAN" Physics Letters. B234. 197-201 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] TOPAZ Collaboration: "Measurement of the Total Hadronic Cross Sections in e^+e^- Annihilation and Determination of the Standard ModelParameter" Physics Letters. B234. 525-533 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] VENUS Collaboration: "Determination of the QCD Scale Parameter Λ_<MS> with QCD Cascade on the Basis of the Next-to leading Logarithmic Approximation" Physics Letters. B240. 232-236 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] TOPAZ Collaboration: "A Search for Charged Higgs Bosons at TRISTAN" Physics Letters. B240. 513-518 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] TOPAZ Collaboration: "Search for Pair Production of Heavy Stable Particles at TRISTAN" Physics Letters. B244. 352-356 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] VENUS Collaboration: "Measurement of the Reactions e^+e^- → μ^+μ^- and e^+e^- → τ^+τ^- between 【square root】s = 50 and 80 GeV" Z.Phys.C-Particles and Fields. 48. 13-21 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] A.Barker et al.: "New Limit on K_L→π^0e^+e^-" Physical Review. D41. 3546-3547 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] J.R.Patterson et al.: "A Determination of Re(ε'/ε) by the Simultaneous Detection of the Four K_<L,S>→ππ Decay Modes" Physical Review Letters. 64. 1491 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] M.Karlsson et al.: "Test of CPT Symmetry through a Determination of the Difference in the Phases of η_<00> and η_<+-> in K→2π Decays" Physical Review Letters. 64. 2976-2979 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] K.S.Hirata et al.: "Constraints on Neutrino-Oscillation Parameters from the Kamiokande-II SOlar Neutrino Data" Physical Review Letters. 65. 1301-1304 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] K.S.Hirata et al.: "Results from One thousand Days of Real-Time,Directional solar-Neutrino Data" Physical Review Letters. 65. 1297-1300 (1990)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] A.Murakami et al.: "Radiation Damage and Recovery in Light Emittance Efficiency and Attenuation Length of Barium fluoride Scintillator" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A301. 435-444 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] M.Kobayashi et al.: "Transmittance and Radiation Resistivity of Optical Glues" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A305. 401-405 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] M.Kobayashi et al.: "A Beam Test on a Fast EM-Calorimeter of Gadolinium Silicate,GSO(Ce)" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A306. 139-144 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] M.Utsumi et al.: "Study of 360 GeV/c Proton-Nucleus Interactions Using CERN Holographic Bubble Chamber" NUOVO CIMENTO. 104A. 641-653 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] VENUS Collaboration: "Experimental Limits on Extra-Z Bosons from e^+e^- Annihilation Data with the VENUS Detector at √s = 50-64 GeV" Physics Letters. B246. 297-305 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] TOPAZ Collaboration: "Charge Asymmetry of Hadronic Events in e^+e^- Annihilation at √s = 57.9 GeV" Physics Letters. B255. 613-622 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] D.Coffman et al.: "Measurement of the Inclusive Decay Properties of Charmed Mesons" Physics Letters. B263. 135-140 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] Y.Yonezawa et al.: "Study of the e^+e^-→μ^+μ^- γ Reaction at Center-of-mass Energies between 54 and 64 GeV" Physics Letters. B264. 212-218 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] T.Yuzuki et al.: "Search for Charged Scalars in e^+e^- Annihilation up to 64 GeV CM Energy" Physics Letters. B267. 309-316 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] TOPAZ Collaboration: "Measurement of b-Quark forward-ackward Charge Assymmetry and Axial Vectro Coupling Using Inclusive Muons in e^+ e^- Annihilation at (]SY.sqroot.(〕s = 52-61.4 GeV" Physics Letters. B268. 457-464 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] The VENUS Collaboration: "Experimental Study of Color Degree of Freedom of Gluons in e^+e^- Annihilation at (]SY.sqroot.〔〕s around 60 GeV" Physical Review Letters. 66. 280-283 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] Z.Bai et al.: "Measurement of the Hadronic Structure of Semileptonic D^0 and D^+ Decays" Physical Review Letters. 66. 1011-1014 (1991)

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      1991 実績報告書
  • [文献書誌] C.von Zanthier et al.: "Measurement of the Total Hadronic Cross Section in e^+ e^- Annihilation at (]SY.sqroot.(〕s = 29 GeV" Physical Review. D43. 34-45 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] V.Papadimitriou et al.: "Measurement of the Branching Ratio of the Decay K_L→π^0 γγ" Physical Review. D44. 573-576 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] M.Chiba et al.: "Measurement of γ Rays from Antiproton-deuterium Annihilation at Rest" Physical Review. D44. 1933-1944 (1991)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書
  • [文献書誌] D.Pitzl et al.: "Type Inversion in Silicon Detectrors" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A311. 98-104 (1992)

    • 関連する報告書
      1991 実績報告書

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公開日: 1991-04-01   更新日: 2016-04-21  

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