| 研究課題/領域番号 |
26287047
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
石野 宏和 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (90323782)
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| 研究分担者 |
山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (00358293)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 暗黒物質 / 超伝導検出器 / 液体ヘリウム |
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| 研究実績の概要 |
質量が10GeV/c2以下の軽い暗黒物質探索のために、液体ヘリウムを標的とした検出器の開発を行う。H27年度では、液体ヘリウムの温度で、かつ液体中で作動する超伝導光検出器の開発を主に行った。超伝導検出器として、力学的インダクタンス検出器(KID)を用いる。KIDは、検出器素子1つが共振回路となっており、周波数領域読み出しで、一本の読み出し配線で、原理的に1000素子を同時に読み出すことができる。開発要素は二つある。一つは、互いの干渉（クロストーク）が起きないように検出器素子を配置する検出器デザインの開発、もう一つは、周波数領域多重読み出しを行う読み出し回路の開発である。前者については、素子が持つ共振周波数間隔を6MHzにし、それを200個つめるデザインの開発を目標にした。シミュレーションと実機の作製・評価をおこなうことにより、クロストークが起きる要因を定量的に評価し、最終的に20ミリ角のシリコン基板上に220個の検出器素子を置くことができ、歩留り95％を達成した。後者については、FPGAを用いた電子回路を搭載する評価ボードを用いて、読み出し回路の開発を行った。前年度には、そのひな形が出来上がったが、周波数間のクロストークや、グリッチがのるなど不具合がみつかっていた。今年度は、それらの要因を一つ一つ解決することにより取り除くことができた。この電子回路に搭載されているADC/DACの帯域が120MHzであるため、同時読み出しが可能な素子数は20個である。ホモダイン回路をFPGA上でファームウェアで構成し、セルフトリガー機能をつけ、SiTCPを用いた高速データ転送を実装した。KIDの実機を用いて、アメリシウム214からのα線を検出器基板裏側から照射し、フォノン信号のパルス信号の同時計測に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
KIDのアレイ化と、その読み出しシステムの開発にともに成功している。概ね順調であると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
液体ヘリウムのシンチレーション光をＫＩＤで検出することを目指す。フォノン信号の検出から、付与エネルギーを概算することができたが、感度がまだ10倍足りない。理由はふたつあり、一つは検出器とその読み出し配線にのる雑音の影響、もう一つは読み出し装置自身からの雑音と考えられる。前者に関しては、磁場シールドを施すことにより、雑音を減らすことを考える。また、周りの装置（真空ポンプやパルスチューブ）など、雑音源がある。スペクトルアナライザーから、雑音の周波数分布を観測し、電磁的雑音の侵入口を同定する。読み出しシステムについては、励起マイクロ波のパワーや、マイクロ波素子の性能に左右されることがわかってきた。それらのチューニングを行い、雑音が最小となる検出器構成を整備する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究では、超伝導検出器の開発とともに、TPCの開発も行う予定である。シミュレーションを用いた電場設計を行ったが、実機を作製する際に、液体ヘリウムの極低温で使用可能な部材や、配線による熱流入、シンチレーション光発生の検証方法について再考が必要であることがわかった。より慎重に部材の選定と設計の精密化を行うため、次年度使用になる。
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| 次年度使用額の使用計画 |
絶縁体・ワイヤーチェンバー・高電圧配線などの購入にあてる。また、作製の際には、液体キセノンで経験のあるグループの方々から情報収集を行う。そのための旅費に使用する。
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