Development of SiC Detectors for the COMET Experiment

COMET 实验 SiC 探测器的开发

• 批准号: 22H01255
• 负责人: 岸下 徹一
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: High Energy Accelerator Research Organization
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01255/
• 关键词: 半導体検出器; 放射線耐性; ASIC; SiC; ワイドギャップ半導体; ピクセル検出器; 荷電粒子検出器; シリコンカーバイド; ダイヤモンド; 検出器

本研究では、COMET実験でのエクスティンクションモニターへの応用を目的とした、ワイドギャップ半導体を用いた荷電粒子検出器の開発を行う。令和4年度では、主に(1)センサーの高精細化と(2)中性子線量に対する放射線性能の調査を行った。まずセンサーの微細化では、1チャンネルあたりの電極面積を微小化することで、各チャンネルに入射する荷電粒子の数を低減し、センサーや信号処理回路のデッドタイムを減らすことができるため、エクスティンクションモニターに要求される計数率耐性を実現する上で必須となる。そこで我々はまず、pn型SiCセンサーの電極を270um角に分割したピクセルセンサーを試作し、低雑音の2次元読み出しASICと接合したハイブリッドピクセル検出器の製作、及び性能評価を行なった。その結果12x12ピクセルの全てのチャンネルから独立に荷電粒子からの信号を検出することができ、特性X線のエネルギースペクトルに関しても非常に高い信号対雑音比でピーク検出できることを確認した。さらにSiCと並行して、ダイヤモンドセンサーに関しても電極構造の微細化を実施し、世界に先駆けてダイヤモンドピクセル検出器からの信号取得に成功した。次に中性子線量に対する放射線性能の研究では、京都大学複合原子力研究所において、SiCセンサーに逆バイアスである1 kVを印加した状態で中性子を照射し、高電圧がセンサーの耐放射線性能の劣化を加速することがないかを調査した。その結果、中性子線量が10^12/cm^3程度では、放射線耐性に影響が出ないことを確認した。ワイドギャップ半導体センサーへの中性子照射試験は過去に様々な文献で報告があるが、SiCセンサーに1 kVという高圧を印加した状態での結果は報告がなく、実際の物理実験で使用する上で、貴重な知見である。

在这项研究中，我们将使用宽间隙半导体开发一个带电的粒子探测器，以将其应用于彗星实验中的延伸监测器。在2022财年，我们主要研究了（1）要改进的传感器和（2）中子剂量的辐射性能。首先，在传感器的微型化中，通过将每个通道电极面积的微型化，可以减少每个通道上的电荷颗粒数量，并且可以降低传感器和信号处理电路的死时间，从而使其对达到延伸速度监测器所需的计数速率至关重要。因此，我们首先创建了一个像素传感器，其中PN型SIC传感器的电极分为270UM正方形，并制造了与低含量二维读数ASIC粘合的混合像素检测器，并评估了性能。结果，已经证实，可以独立于所有12x12像素的通道来检测到来自带电颗粒的信号，并且可以在特征X射线的能量谱中以很高的信噪比进行峰值检测。此外，与SIC并行，还改进了钻石传感器的电极结构，并且是世界上第一个成功从钻石像素探测器中获取信号的人。接下来，在对中子剂量的辐射性能的研究中，京都大学核研究所用SIC传感器施加了中子，其反向偏置为1 kV，以研究高压是否会加速传感器辐射抗性性能的恶化。结果，已经证实，在中子剂量约为10^12/cm^3时，辐射耐药性不受影响。尽管各种文献先前已经报道了宽差半导体传感器上的中子辐照测试，但是当将1 kV的高压应用于SIC传感器时，尚未报道任何结果，这是用于实际物理实验中的有价值的见解。