Diamond Detector as an Intense Particle Monitor 大阪市立大学 山本和弘 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０ １１

ダイヤモンドの物性 Si, Ge と同じ共有結合をもつ第14族単体元素 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ C ( ダイヤモンド) Si (シリコン ) Ge (ゲルマニウム) 原子番号61432 原子量 密度(g/cm 3 ) 抵抗率(Ω·m)~ × ×10 -1 熱伝導率(W/m·K)900~ バンドギャップ(eV)

放射線検出デバイスとしてのダイヤモンド ダイヤモンドはシリコンと比べて –応答が速い –放射線耐性が高い –信号が小さい 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ ダイヤモンドシリコン バンドギャップ(eV) 絶縁破壊電圧(V/cm)10 7 3×10 5 電子移動度(cm 2 /V·s) ホール移動度(cm 2 /V·s) ドリフト速度飽和電場(V//μm) : 伝導帯 価電子帯 MIPあたりの平均電子ホール対生成数 (pairs/100μm) 結合解離エネルギー(eV/atom)4315

ダイヤモンド検出器の動作原理 基本的に半導体検出器と同じ –電子・ホール対生成． –ただし，シリコンのようなpn接合ではない． 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １

ダイヤモンド検出器 Element Six 社製単結晶CVD ダイヤモンド –4mm x 4mm x 0.5mm –両面をAuでメタライズ PEEK樹脂とポリイミド被覆の ケーブルでマウントと読出し –放射線耐性が高い 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １

Applications コライダー検出器のルミノシティモニター ニュートリノ実験のミューオンモニター 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １

検出器のセットアップ T2K実験のJ-PARC MUMONピットに設置 –Si PIN フォトダイオード の後ろに設置 –電圧制御と信号処理(FADC)は地上で 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ 検出器(3,4)の後ろ MUMONイオンチェンバー(IC) MUMON Si PIN PD beam

実験状況 T2K実験は2010年1月から物理ランを開始 –Run 29–38 のデータを用いて信号の線形性と安定性を評価する。 –ダイヤモンド検出器が取り付けられているチャンネルの Si PIN PD に対する相対評価。 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ ~2010/6 (~Run34) 2010/11~ (Run35~) 陽子ビームエ ネルギー 30 GeV ビームパワー ~50kW 100~140kW Spill 周期3.52 sec3.2 sec Bunch 数6/spill8/spill Bunch 間隔581 nsec Bunch幅58 nsec スピルのバンチ構造

信号波形（ 6 バンチ時） 6バンチ構造が明確に見えている。 –テールの振舞いは Si より良い。 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ DiamondSi Run 34 Spill time [ns] ADC counts

出力の線形性（ 6 バンチ時） 6バンチの積分値の線形性 –ペデスタルはspill前後の領域を平均して計算 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ Si charge [pC] Diamond charge [pC] Deviation from fit [%] 非線形性は1%程度.

長期安定性 2010年1月から6月までの長期安定性 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ Diamond / Si charge RMS/Mean = 0.75%. Si と同じレベル。 Run 29Run 30Run 31 Run 32 Run 33Run 34

Run 38 （ 8 バンチ時） 信号波形 –以前(Run34)に比べて、少しテールが出てきている。 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ Run 34 (spill# ) 6 bunches Beam power = 60kW (~10kW/bunch) Run 38 (spill# ) 8 bunches Beam power = 130kW (~16kW/bunch)

Run 38 （ 8 バンチ時） 線形性 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ Si charge [pC] Diamond charge [pC] 6バンチと8バンチで 少し系統的なずれが あるように見える。 （ペデスタルの計算 か？）

Run 38 （ 8 バンチ時） Run38 の安定性 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ Run 38 だけをみると、RMS/Mean = 0.32% の安定性。

Run 38 （ 8 バンチ時） Run 29 ~ Run 38 全体をフィットしてみると、 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ Si charge [pC] Diamond charge [pC] イレギュラーはあるが、2%以内の非線形性。

バイアス電圧が低い場合 Run 36, 37 –V bias = 80V 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ テールのパイルアップが大きい。

バイアス電圧が低い場合 -2- 時間安定性 –徐々に信号強度が落ちていくのが見られた。 –ポーラリゼーション効果 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １ Run 36Run 37 バイアスは十分にかける必要がある。 ただし、Run 38 で電圧を200Vに戻すと回復した。

Summary T2KビームラインのMUMONピットにダイヤモンド検出 器を試験的に設置し、データを収集した。 Run 34 までの6バンチ時のデータからは、線形性・時 間安定性ともに、良好な動作を示した。 Run 38 での8バンチ時のデータでは、6バンチ時と比べ て、出力に少し系統的なずれが見られた。 –ただし、Run38内での時間安定性は良好。 バイアス電圧を十分にかけないと、信号の低下が起こる ことが確認された。 特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会２０１ １