大型水チェレンコフ検出器実現に向けた新型ハイブリッド光検出器の実証試験

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25707016
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 西村 康宏 東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (40648119)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 素粒子実験 / 宇宙線 / 光検出器 / ニュートリノ / 半導体検出器 / チェレンコフ検出器 / スーパーカミオカンデ / ハイパーカミオカンデ

研究実績の概要

前年から進めている8インチ径ハイブリッド型光検出器(HPD)の実証試験と、20インチ径HPDの開発を行った。
8インチ径HPDの8本を200トン水チェレンコフ検出器に取り付けて長時間の実証測定に行っていたが、1本は徐々にノイズが悪化し、他1本では8000V高電圧電源に支障が見られていた。夏にこの2本を改良型高電圧電源搭載のHPDと交換した。高電圧電源は他にいくつかの試作機を別個開発して評価し、今後数十年の使用に耐えうる高品質で高い信頼性を持つ電源を選択できるよう開発の幅を広げている。
一方、20インチ径HPDは内部半導体検出器の寄生容量が大きく、読み出し回路の開発が難しい。半導体検出器に対して、複数チャンネル分割とシリコンプロセスの双方から対策を始め、寄生容量の軽減に目処が付いた。また、読み出し回路については読み出し部の改良とアンプ開発を進め、ある程度ノイズを軽減でき、一光電子を識別・検出できる見通しを立てている。これらの改善を合わせて今後早々に実用レベルまで到達する計画である。
また、水中使用が可能な設計を進め、水中での試験測定も行った。また、水中での低温環境でどの程度まで性能が向上するか、大気温度を制御して性能評価を行った。
ハイパー・カミオカンデなどで大量に使用するためのコスト削減と性能向上のため、高電圧電源を遠隔で供給する試験と開発も進めた。ケーブルの開発、コネクタの設計、40m離れたケーブル長での電圧印加試験など、総合的に実用化を見越した開発が進展している。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

開発の各要素で進展が見られたが、特に読み出し部の開発に遅れが生じた。アンプに関しては新しい設計や、実装試験などを経て徐々に完成へと近付いているが、実用段階への到達には間に合わなかった。総合的に実用化を見込める技術の蓄積が進み、一部計画が遅れているが目標は達せられると見込んでいる。

今後の研究の推進方策

20インチ径HPDの防水化・高耐水圧化・アンプ回路完成を経て、平成27年度後半には4本ほどを200トン水タンクに取り付けて実証試験を行う。また、水槽暗箱に入れ、水中での詳細な特性評価を行う。これまでの8インチ径HPD試験から、1ヶ月でおおよそ安定化することが分かっており、数ヶ月の試験で有用性に目処を立てる。
最後に、シミュレーションへこの測定性能を取り入れ、実際にハイパー・カミオカンデで使用した場合にどれ程の物理感度改善が得られるか評価する。

次年度使用額が生じた理由

20インチ径HPDを実証試験として水タンク内に取り付ける予定であったが、読み出し回路の実用性がまだ保証されていないため、製作を見合わせている。開発の遅れに伴い、評価や製作に関わる費用支出も先延ばしとなった。

次年度使用額の使用計画

使用時期をずらして用途は変えず、当初の予定通り支出する。

研究成果

• [雑誌論文] Development of Hybrid Photo-detectors for the Hyper-Kamiokande Experiment (2014)
  • 著者名/発表者名: Seiko Hirota, Yasuhiro Nishimura, Shoei Nakayama, Isao Kametani, Masato Shiozawa, Yoichiro Suzuki, Hiroyuki Sekiya, Masayuki Nakahata, Yoshinari Hayato, Yuto Haga, Makoto Miura, Atsuko Ichikawa, Motoyasu Ikeda, Tsuyoshi Nakaya, Akihiro Minamino, Keiji Tateishi, Hiroaki Aihara, Yusuke Suda, Masashi Yokoyama, et al.
  • 雑誌名: Nuclear Physics B - Proceedings Supplements 巻: 253-255 ページ: 208-209
  • DOI: 10.1016/j.nuclphysbps.2014.09.052
  • 査読あり
• [学会発表] ハイパーカミオカンデに向けた改良型の大口径ハイブリッド型光検出器の開発進捗と性能評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 江淼
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-24 – 2015-03-24
• [学会発表] ハイパーカミオカンデ検出器のシミュレーション開発と新型光センサによる性能改善評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡島裕治
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-22 – 2015-03-22
• [学会発表] Photodetector Development for Hyper-Kamiokande (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Nishimura
  • 学会等名: Advances in Neutrino Technology 2014 (ANT 2014)
  • 発表場所: Los Angeles, CA（U.S.A.）
  • 年月日: 2014-09-22 – 2014-09-22
  • 招待講演
• [学会発表] 新型50cm径光検出器の開発と試験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 須田祐介
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 佐賀大学（佐賀県佐賀市）
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-18
• [学会発表] ハイパーカミオカンデに向けた大口径ハイブリッド型光検出器の特性評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 江淼
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 佐賀大学（佐賀県佐賀市）
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-18
• [学会発表] ハイパーカミオカンデ用新型大口径光検出器の水チェレンコフ光検出器中における実証試験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西村康宏
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 佐賀大学（佐賀県佐賀市）
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-18
• [学会発表] Temperature Dependence Measurement of a Hybrid Photo-Detector for Hyper-Kamiokande (2014)
  • 著者名/発表者名: Miao Jiang
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC (J-PARC 2014)
  • 発表場所: Tsukuba International Congress Center（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-07-13 – 2014-07-13
• [学会発表] Development of the Hyper-Kamiokande detector (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Nishimura
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Science at J-PARC (J-PARC 2014)
  • 発表場所: Tsukuba International Congress Center（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-07-13 – 2014-07-13
• [学会発表] Development of New Large-Aperture Photodetectors for Hyper-Kamiokande (2014)
  • 著者名/発表者名: Shoei Nakayama
  • 学会等名: 7th International Conference on New Developments In Photodetection (NDIP14)
  • 発表場所: Tours（France）
  • 年月日: 2014-07-03 – 2014-07-03
• [学会発表] Performance Evaluation of 50-cm Photodetectors for Hyper-Kamiokande (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuji Okajima
  • 学会等名: Neutrino2014
  • 発表場所: Boston（U.S.A.）
  • 年月日: 2014-06-06 – 2014-06-06
• [学会発表] Viability Test of 20-cm Hybrid Photodetector in a Water Cherenkov Detector (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Nishimura
  • 学会等名: Neutrino2014
  • 発表場所: Boston（U.S.A.）
  • 年月日: 2014-06-03 – 2014-06-03
• [学会発表] Performance evaluation of new photodetectors for Hyper-Kamiokande (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Suda
  • 学会等名: The third Technology and Instrumentation in Particle Physics (TIPP14)
  • 発表場所: Amsterdam（Netherlands）
  • 年月日: 2014-06-03 – 2014-06-03
• [備考] 水チェレンコフ検出器における光センサー
  • URL: http://www.hyper-k.org/detector/sensor.html