超高エネルギーハドロンコライダーにおけるシリコン半導体測定器技の調査研究

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07041102
• 研究機関: 高エネルギー物理学研究所
• 研究代表者: 近藤 敬比古 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 教授 (30150006)
• 研究分担者: WEIHAMMER Pe CERN研究所, 上級研究員 ; 田村 詔生 新潟大学, 理学部・自然科学研究科, 教授 (00025462) ; 寺田 進 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助手 (70172096) ; 海野 義信 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助教授 (40151956) ; 岩崎 博行 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助教授 (40151724) ; 大杉 節 広島大学, 理学部・物理学教室, 助教授 (30033898) ; 高嶋 隆一 京都教育大学, 教育学部・理学, 講師 (60163200) ; 岩田 洋世 広島大学, 理学部・物理学教室, 講師 (20168579)
• キーワード: シリコン半導体検出器 / LHC計画 / 高エネルギー素粒子実験 / アトラス実験装置 / 放射線照射装置 / ビームテスト / 温度変形 / 熱的暴走現象

研究概要

この調査研究は次世代の超高エネルギー素粒子実験に耐えうる新しいシリコン半導体検出器を研究開発することである.その応用の対象である欧州合同粒子物理学研究所(CERN)の陽子・陽子衝突型加速器(LHC)計画は1994年に計画が基本承認され、1996年12月には2005年に建設を完成する決定がなされた.シリコン半導体検出器などを使う測定器提案「アトラス」(総工費500億円)の技術開発と設計が、日本を含む31ヵ国からの参加研究者により大きく進んだ.平成8年度は米国、欧州の研究者と競争と協力をしながら以下の研究を進めた:
1.高エネルギー研の12GeV陽子ビームにシリコン検出器を照射しその耐放射線性を調べた.積算2x10^<14>陽子/cm^2まで動作することを確認し、全空乏電圧の放射線量依存性も調べた.
2.照射されたシリコン検出器に冷却パイプをつけて環境温度を変えてリ-ク電流による発熱効果を調べ、世界で初めて予言されている熱的暴走現象を詳しく観測した.
3.アトラス実験装置に使う最適なシリコン検出器とモジュールの組立て法を米国や欧州の研究者と検討し英国案を却下し、日本の提唱に近いデザイン(中央読出)を採用した.
4.中央続出(および端続出)デザインに基づいた熱テストモジュールを作り、熱の分布を測定し熱伝達能力は十分である確証を得た.モジュールの環境温度による変形量を、オックスフォード大学のレーザー干渉計で調べ、30度の変化でも変形が小さいことを確認した.
5.カルフォルニア大サンタクルツ校と協力して、中央続出と端続出の実機シリコンモジュールを作製した.雑音レベルをカルフォルニア大で測定し中央続出型が優れていることを実証した.それらを高エネ研のテストビームで性能テストした.このビームテストは平成9年2月に日本、英国、米国、オーストラリアから研究者が参加して行われた.
6.シリコン検出器モジュールの冷却技術のためドイツと日本の会社と協議を進めた.
これら平成8年度の研究活動の進展のおかげで、米国および欧州各国との協力関係が十分に敷かれ、平成9年度にはいよいよ本格的なシリコン検出器モジュールのプロトタイプを各国合わせて50台程度作り、ビームテストで徹底的に性能調査を行うこととなる.その大規模テストを経てアトラス測定器用のシリコン半導体検出器の製造が平成10年度より開始される.

研究成果

• [文献書誌] S.Terada,H.Iwasaki,T.Kohriki et al.: "Proton irradiation on p- pilk silicon strip detectors using 12 GeV PS at KEK" Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. A383. 159-165 (1996)
• [文献書誌] T.Ohsugi,Y.Iwata,H.Ohyama et al.: "Micro-discharge noise and radiation damage of silicon microstrip sensors" Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. A383. 166-173 (1996)
• [文献書誌] H.F.-W.Sadrozinski et al.: "Monitoring the performance of silicon detectors with binary readout in the ATLAS beam test" Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. A383. 245-251 (1996)
• [文献書誌] T.Kohriki,T.Kondo,H.Iwasaki,S.Terada,Y.Unno,T.Ohsugi: "First Observation of Thermnal Runaway in the Radiation Damaged Silcion Detector" IEEE Trans.Nucl.Sci.43. 1200-1202 (1996)
• [文献書誌] Y.Unno,M.Takahata,H.Maeohmichi et al.: "Beam Tests of a Double Sided Silicon Strip Detector with Fast Binary Readout Electronics before and After Proton Irradiation" Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. A383. 211-222 (1996)
• [文献書誌] Y.Unno,Y.Iwata,T.Ohsugi,S.Terada,H.Iwasaki,Y.Yamada: "NEW LASER TEST STAND FOR SIMULATING CHARGED PARTICLE TRACKS." Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. A383. 238-244 (1996)
• [文献書誌] Y.Unno,T.Kohriki,T.Kondoet al.,: "CHARACTERIZATION OF AN IRRADIATED DOUBLE SIDED SILICON STRIP DETECTOR WITH FAST BINARY READOUT ELECTRONICS" IEEE Trans.Nucl.Sci.43. 1175-1179 (1996)