高時間分解能を併せもつ高位置分解能4次元半導体検出器の実現

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H04393
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 原 和彦 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20218613)
• 研究分担者: 中村 浩二 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 助教 (00554479) ; 海野 義信 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, その他部局等, 名誉教授 (40151956)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: AC-LGAD / 4次元検出器 / シリコン検出器 / アバランシェ増幅 / 高時間分解能

研究実績の概要

位置分解能にすぐれたシリコン半導体検出器に加え時間分解能にも優れたAC-LGAD検出器を開発している。これにより将来の高輝度加速器実験で予想される高い粒子密度状況下でも飛跡検出を可能とする4次元飛跡検出を構築することが研究の最終目標である。AC-LGADは、増幅層となる濃いpn接合部と信号読み出し電極とを酸化膜で隔て、信号読み出しをAC的に行う新しいタイプのLGAD(low-gain avalanche diode)検出器で、一様性な増幅層のため、一様な時間分解能が期待できる。
前年度までの試作品の評価結果を論文としてまとめ、2022年度ではセンサーの厚みを20, 30, 50μmの3種類で試作し、時間分解能に対するランダウ効果の影響を評価した。この測定ではベータ線を用いて時間分解能が10ps程度のMCP-PMTを時間基準として時間分解能を評価し、ノイズによる時間分解能（ジッター効果）評価にはランダウ効果のない赤外パルスレーザーを用いた。薄いセンサーほどランダウ効果の影響が小さいことが判明した。年度末には、米国フェルミ研究所の120GeV陽子を用いたビーム試験を行った。ベータ線や低エネルギーの電子ビームでは評価しにくい位置分解能や時間分解能に関するデータを取得し現在解析中である。
LGADの放射線耐性の向上に関して浜松ホトニクスと共同で2つの方法を評価した。（１）増幅層p濃度が照射によって減少する主因に関し、予めボロンを多く注入し、実効的ｐ濃度を調整するためにリンも注入した補償法。（２）照射によて非活性化されたボロンが基板中の酸素と結合しドナーレベルを生成する要因に関し、予め非活性ボロンを残すことで酸素との結合を促進させる部分非活性ボロン法。東北大CYRICで陽子線を照射した結果、有効性は（１）は小さいが（２）は極めて有望であると判明した。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ICJLAB/LAL(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ICJLAB/LAL
• [国際共同研究] Fermilab/Brookhaven NAL/UCSC(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Fermilab/Brookhaven NAL/UCSC
• [雑誌論文] Optimization of capacitively coupled Low Gain Avalanche Diode (AC-LGAD) sensors for precise time and spatial resolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Kita Sayuka、Nakamura Koji、Ueda Tatsuki、Goya Ikumi、Hara Kazuhiko
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1048 ページ: 168009～168009
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.168009
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Investigation of signal characteristics and charge sharing in AC-LGADs with laser and test beam measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: O. Jennifer、L. Sean、M. Adam、R. Eric、W. Marcus、M. Simone M.、N. Mohammad、Sadrozinski Hartmut F.-W.、S. Bruce、S. Abraham、Shin K.-W. Taylor、H. Ryan、M. Christopher、A. Artur、Brooks William K.、C. Wei、D’Amen Gabriele、G. Gabriele、Goya I.、Hara K.、Kita S.、L. Sergey、Nakamura K.、et. al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1045 ページ: 167541～167541
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167541
• [雑誌論文] Characterization of BNL and HPK AC-LGAD sensors with a 120 GeV proton beam (2022)
  • 著者名/発表者名: Heller R.、Madrid C.、Apresyan A.、Brooks W.K.、Chen W.、D'Amen G.、Giacomini G.、Goya I.、Hara K.、Kita S.、Los S.、Molnar A.、Nakamura K.、Pe?a C.、San Mart?n C.、Tricoli A.、Ueda T.、Xie S.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17 ページ: P05001～P05001
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/05/P05001
• [学会発表] Improvement of timing resolution and radiation torelance for finely segmented AC-LGAD sensors (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiko Hara
  • 学会等名: 18th "Trento" wokshop on advanced silicon radiation detectors (TREDI2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 新型LGAD飛跡検出器(AC-LGAD)の電極細密化と時間分解能の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 北彩友海
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 新型LGAD検出器(AC-LGAD)の放射線耐性の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今村友香
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] “Development of AC-LGAD detector with finer pitch electrodes for high energy physics experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: Sayuka Kita
  • 学会等名: The 31st International Workshop on Vertex Detectors (VERTEX2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 新型LGAD検出器(AC-LGAD)の電極細密化に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北彩友海
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [備考] 科研費研究 「４次元飛跡検出器の実現」
  • URL: https://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/~hara/LGAD.html
• [学会・シンポジウム開催] The 31th International Workshop on Vertex Detectors (VERTEX2023) (2022)