シリコン・マイクロストリップ放射線検出器の開発研究

• 研究課題/領域番号: 04044125
• 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: 広島大学
• 研究代表者: 大杉 節 広島大学, 理学部, 助教授 (30033898)
• 研究分担者: NICKERSON R. オクスフォード大学, 教授 ; HUBBARD B. カルフォルニア大学, サンタクルツ校・素粒子研究施設, 研究員 ; SPIELER H. カルフォルニア大学, LBL校, 上級研究員 ; SADROZINSKI エイチ. カルフォルニア大学, サンタクルツ校・素粒子研究施設, 教授 ; TURALA T. クラコウ大学, 原子核研究所, 教授副所長 ; SEIDEN A. カルフォルニア大学, サンタクルツ校, 教授 ; STROVINK M. カルフォルニア大学, バークレイ校, 教授 ; 岩田 洋世 広島大学, 理学部, 助手 (20168579) ; 樋口 正人 東北学院大学, 教授 (60048791) ; 高嶋 隆一 京都教育大学, 講師 (60163200) ; 宮田 等 新潟大学, 理学部, 助手 (80192368) ; 海野 義信 高エネルギー物理学研究所, 助教授 (40151956) ; 醍醐 元正 和歌山医科大学, 教授 (40145925) ; 小林 茂治 佐賀大学, 理工学部, 教授 (00039273) ; 村上 明 佐賀大学, 理工学部, 教授 (60039253) ; 長島 順清 大阪大学, 理学部, 教授 (90044768) ; 田村 詔生 岡山大学, 理学部, 助教授 (00025462) ; HUGH Montgom フェルミ国立加速器研究所, 上級研究員 ; PAUL Grannis ニューヨーク州立大学, 物理, 教授 ; BRADLY Hubba カリフォルニア大学, サンタクルツ校素粒子研究施設, 研究員 ; MARK Strovin カリフォルニア大学, バークレイ校・物理, 教授 ; HARTMUT Sadr カリフォルニア大学, サンタクルツ校素粒子研究施設, 教授 ; ABRAHAM Seid カリフォルニア大学, サンタクルツ校・物理, 教授
• 研究期間 (年度): 1992 – 1993
• 研究課題ステータス: 完了 (1993年度)
• 配分額: 5,000千円 (直接経費: 5,000千円); 1993年度: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円); 1992年度: 2,400千円 (直接経費: 2,400千円)
• キーワード: シリコン・ディテクター / マイクロストリップ検出器 / シリコン検出器の放射線損傷 / マイクロストリップ検出器のブレイクダウン / マイクロストリップ飛跡検出器 / シリコン検出器 / マイクロストリップセンサー / シリコンストリップ検出器 / シリコン放射線検出器 / 放射線検出器 / 半導体放射線検出器

研究概要

本研究では、次世代放射線飛跡検出器として最も有望であるシリコン・マイクロストリップ検出器の開発を目差して、シリコン・マイクロストリップ検出器発明の地であり、利用が最も盛んなヨーロッパと、信号読出し用高速LSIの開発の進んでいるアメリカ合衆国および半導体センサーの開発の進んでいる日本が共同で研究を行うもので、次世代の高輝度・高エネルギー衝突実験用の、信頼性と耐放射線性が高く、大規模実験にも使用可能なシリコン・マイクロストリップ飛跡検出器の開発が目的である。
本年度は5月に本学主催の半導体飛跡検出器開発と応用に関する国際シンポジウムが開催された。我々の共同研究グループを含め、世界各国の第一線の研究成果を発表・討論することにより、残された問題点と目標が明らかになった。それは半導体バルク部の放射線損傷が結果として全空乏層化に必要なバイアス電圧を押し上げることが定量的に解かり、したがってマイクロストリップセンサーのブレイクダウン電圧の改良が次の開発目標であることが明らかになった。
我々の共同研究成果もこのシンポジウムおよび秋のIEEE NSシンポジウム(サンフランシスコ)で発表した。我々の研究の成果は、シリコンマイクロストリップ検出器の最も重要なパラメターである読出し容量と全空乏化電圧について試作検出器についての測定とシミュレーション解析により、ジオメトリーと容量の関係、ジオメトリーと全空乏化に必要なバイアス電圧との関係を明らかにし、最適化設計の方法を確立したことである。また、放射線損傷により、マイクロストリップエッジにおいて微小アバランシェ放電が起こりやすくなる現象を見つけ、その解決が耐放射線性の高い、高信頼センサー開発のキ-ポイントであることを確認した。
このエッジでの微小ブレイクダウンの起こりにくいAC結合型ストリップ構造を考案し、シミュレーションでその改良性能を算出した後、そのストリップ構造を持つマイクロストリップセンサーを試作した。基本性能を測定した結果、新しいストリップ構造が有効であることを確認したが強い放射線(500Kラド以上)を受けた場合にはまだ十分でなくさらなる改良が必要であることが判明した。しかし、この方向で開発の目標が達成できる見通しがついた。
高放射線耐性および高信頼性信号読出しシステムの一方法としてディジタル読出しエレクトロニクスを開発し、センサーと組合わせてテスト検出器をつくり、高エネルギー研究所の高エネルギーパイ中間子ビームを用いて総合性能テストを実行した。その結果、ディジタル読み出しシステムが設計どおりの性能があることを世界で初めて確認し、IEEE NSシンポジウムで発表した。このディジタル信号読出し、処理システムは次世代の高信頼性・大規模シリコン・マイクロストリップ飛跡検出器システムには欠くことのできないものであることを実証した。10kガウスの磁場中に置いた場合の性能および、放射線のななめ入射の場合の性能テストも行った。結果はシミュレーションで予想される性能とよく一致しており、設計どおりであった。
また、放射線耐性のよい両面読出し検出器としてはAC結合型信号読出しが必須であり、検出器上に作り付ける結合キャパシターの耐電圧特性も残された大きな問題であることが確認された。これに対して我々は酸化シリコンと窒化シリコンの二重膜を提案し、その二重膜を持つマイクロセンサーを試作した。この試作センサーについては現在基本性能の測定が続行中であるが、結合キャパシターの耐電圧特性、品質、信頼性ともに大きく改良されていることがわかったが、放射線損傷試験は今後残された課題である。

研究成果

• [文献書誌] T.Ohsugi et al.(27 co-authors): "Double-Sided Microstrip Sensor for the Barrel Of the SDC Silicon Tracker." Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342(印刷中). (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Ohsugi et al.(18 co-authors): "Micro-Discharges of AC coupled Silicon Strip Sensor" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342(印刷中). (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Tamura et al.(20 co-authors): "Radiation Effects of Double-Sided Silicon Strip Sensors" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342(印刷中). (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Unno et al.(33 co-authors): "Beam Test of the SDC double-sided Silicon Strip Detector" Conference Report of 1993 IEEE Nuclear Science Symposium,KEK preprint. 93-127(印刷中). (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] E.Barberis et al.(27 co-authors): "Capacitances in Silicon Microstrip Detectors" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342(印刷中). (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Ohsugi et al.(27 co-authors): "Double-Sided Microstrip Sensor for the Barrel Of the SDC Silicon Tracker." Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Ohsugi et al.(18 co-authors): "Micro-Discharges of AC coupled Silicon Strip Sensor" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Tamura et al.(20 co-authors): "Radiation Effects of Double-Sided Silicon Strip Sensors" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Unno et al.(33 co-authors): "Beam Test of the SDC double-sided Silicon Strip Detector" Conference Report of 1993 IEEE Nuclear Science Symposium, KEK preprint. KEK preprint 93-127. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] E.Barberis et al.(27 co-authors): "Capacitances in Silicon Microstrip Detectors" Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. A342. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Takashi Ohsugi: "Prototype Double Sided Silicon Sensor (DSSD) for SDC Detector" 1992 IEEE Conference Report. (1993)