ダイヤモンドを用いた大強度ニュートリノ実験ミューオンプロファイルモニターの実用化

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24540307
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 山本 和弘 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (80303808)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 放射線検出器 / ダイヤモンド

研究実績の概要

J-PARC（茨城県東海村）のニュートリノビームラインに設置したCVD単結晶ダイヤモンド検出器への大強度ミューオンの照射を継続し、検出器から出力される電荷量に関してデータの収集を行った。J-PARCメインリングのビーム強度が増強されるにつれ、200kWを超えたあたりから、ビーム量当たりのダイヤモンド検出器の信号強度が減少する現象が観測された。200kWは照射粒子数に換算すると、3.5×10＾7個/cm＾2/spill に相当する。1ヶ月ほどにわたり、ダイヤモンド検出器の信号強度の時間変化を調べたところ、ほぼ一定のビーム強度にも関わらず、時間を経るごとに僅かずつではあるが、信号強度が減少していく様子が観測された。この信号強度の減少はほとんど全てのサンプルで観測されたが、減少幅には個体差があり、1%程度のものから10%近くまで減少したものもあった。この原因に関しては、照射される荷電粒子が膨大になり、ダイヤモンド内で生成される電子・正孔対が非常に多くなると、ダイヤモンド内の窒素等の不純物が引き起こす準位に電荷が蓄積されていき、内部電場が弱くなってしまうことが考えられる。そこで、同じメーカーで製作された同じタイプのダイヤモンドに対し、実験室でAm-241からのα線(5.4MeV)を照射して電荷収集効率を調べたところ、100%より大きく下回ってしまう結果になり、ダイヤモンド内で生成された電荷の一部が読み出し電極まで到達できずに捕獲されていることを裏付けることとなった。現在メーカーから入手できるダイヤモンド検出器に対し、3×10＾7 個/cm＾2/spill 程度までの大強度ビームでは安定動作が得られるという成果が得られたが、それを超える極めて大強度のビームに対しては課題の残る結果になった。今後発展させるには、不純物が極めて少ない良質な単結晶ダイヤモンドの製作を考える必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] Measurement of Inclusive Electron Neutrino Charged Current Cross Section on Carbon with the T2K Near Detector (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Abe, H. Aihara, Y. Fujii, T. Hasegawa, Y. Hayato, A. K. Ichikawa, H. Kakuno, T. Kobayashi, T. Maruyama, A. Minamino, T. Nakadaira, T. Nakaya, K. Nishikawa, T. Okusawa, K. Sakashita, Y. Seiya, T. Tsukamoto, Y. Yamada, K. Yamamoto, M. Yokoyama et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.241803
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Measurement of the inclusive ν_μ charged cross section on iron and hydrocarbon in the T2K on-axis neutrino beam (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Abe, H. Aihara, Y. Fujii, T. Hasegawa, Y. Hayato, A. K. Ichikawa, H. Kakuno, T. Kobayashi, T. Maruyama, A. Minamino, T. Nakadaira, T. Nakaya, K. Nishikawa, T. Okusawa, K. Sakashita, Y. Seiya, T. Tsukamoto, Y. Yamada, K. Yamamoto, M. Yokoyama et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 90 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.90.052010
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Precise measurement of the Neutrino Mixing Parameter θ_23 from Muon Neutrino Disappearance in an Off-Axis Beam (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Abe, H. Aihara, Y. Fujii, T. Hasegawa, Y. Hayato, A. K. Ichikawa, T. Kobayashi, T. Maruyama, A. Minamino, T. Nakadaira, T. Nakaya, K. Nishikawa, Y. Nishimura, K. Okumura, T. Okusawa, K. Sakashita, Y. Seiya, M. Shiozawa, K. Yamamoto, M. Yokoyama et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 112 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.181801
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] ワイドギャップ半導体を使用した半導体検出器の特性評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中真伸，金子純一，嶋岡毅紘，新名章宏，牧野高紘，小野田忍，大島武，土田秀一，星野紀博，山本和弘，市川温子，身内賢太朗，村上武，斉藤正俊，島崎昇一
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] T2K Experiment (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yamamoto
  • 学会等名: Electron-Nucleus Scattering XIII
  • 発表場所: Marciana Marina (イタリア)
  • 年月日: 2014-06-23 – 2014-06-27
  • 招待講演