測定器開発室（２０１６年１１月）

図 1:液体キセノン TPC の予冷システム （Heat Exchange + Second Cooler）を含む循環装置

図 1 開発中の高性能 2 次元中性子画像検出器。

　高密度、高集積システムは、今後の先端測定器においては必然の方向性であるが、それを実現す るためには、従来よりコンパクトで高性能・高信頼性の冷却システムが必須となる。そうしたシス テムとして世界的に検討開発が進められているのが、二相式 CO2 冷却である。測定器開発室でも、 Belle-II や ILC、次世代の放射光検出器システムなどでの応用を念頭に置いて、2010 年より開発研究 を行ってきた。
　KEK で目指すシステムの特徴は、全系を高耐圧仕様とすることで、
　１）冷凍機を使わず、圧縮機と水冷による液化システム
　２）冷媒の室温分配
という特長を持つシステムとして設計された。これはヨーロッパにおいて LHC、ILC 向けで主流となっている開発システムの設計思想とは異なるものであるが、実用においては様々な点で大きな優位があるものと確信して、開発研究を進めている。
　昨年までの試験器よる様々な予備テストを経て、設計された実用第 1 号機が今年度から運転許可を得て試験運転がされている。（右上図は冷媒の出口にダミーロードをつけて冷却能力を測定中の新システム）

　二相式の特徴は、負荷に於ける設定温度を圧 力により完全に制御できることにあるが、右中図に示されるように、圧力（黄色の指示値）に より負荷点での温度（紫色の指示値）が-40℃か ら -20℃へときちんと追随しているのが見て取れる。
　実際にダミーロードに電力を供給して冷却 能力を測定した結果が右図に示されている。システムへの戻りにある熱交換器出口まで液相が存在することを要求する（右下図で紫の温度を参照）と二相式システムとしての冷却能力は−40℃
で 170W となる。
　今後はこのシステムに ILC の TPC エレクトロニクスなどを組み込んで様々な実用性能をテストする予定である。

測定器開発室では、スタート当初から Micro Pattern Gas Detector (MPGD)の応用ばかりでなく、その構造、製造方法、機能物質などの先進的な開発を行っている。そんな開発の中で、Gas Electronmultiplier (GEM)の安定的な動作に画期的な改善をたらすと期待されるのが、適当な抵抗率を持った導電性物質である。通常の GEMフォイルの両面に電極として張られている銅箔をこうした抵抗素 材に置き換えることで、GEMの破壊につながると考えられる大電流スパークの発生を抑制し、安定 性の向上につながるとの考えである。またこうした素材として非金属の導電性有機物質などが利用できれば、銅箔に比べて圧倒的な物質量の低減につながることになり、荷電粒子の検出においては 大きな意義がある。
こうした導電性有機物質としてよく知ら れているものに、ポリチオフェン系導電性ポリマーPEDOT/PSS をベースにした材料があ る。メラミン樹脂を付加した厚さ1µm以下の コーティングを行うことで、10⁵~10⁸ Ω/sq程度の表面抵抗を得ることができる。これをGEM とするためには、この導電性コーティングを両面に施した 50µm厚のポリイミド フィルム に直径 70µm の孔を 140µm ピッチで無数に形成する必要がある。通常の GEM フォイルでは、１）銅箔のリソグラフィーに よるエッチング加工、２）加工された銅箔を マスクとして利用するポリイミドフィルム のエッチング加工の二段階のエッチングに より行われるが、導電性のコーティングを施 したポリイミドにおいては、こうしたエッチ ングを、一度に行える可能性がある。しかし 現実にはポリイミドのエッチングとコーテ ィング膜のエッチングの速度が同じでない 事による複雑な問題が起こりうる。右図はこ うした製法で作られた GEM フォイルの一例 であるが、孔の断面形状にはまだまだ課題が 残る（すり鉢形状が強すぎるなど） そこで、こうした化学的な wet etching の 手法ではなく、レーザーによる成孔について の試作も行っている。
PEDOT の導電コーティング膜は予備的な調査により、１５０℃を越えると抵抗率に回復不能の 変質が発生する事がわかっており、それを越えない加工方法を考える必要がある。従って熱影響の 少ない短波長 KrF エキシマレーザー（248nm）による穿孔加工を最終的に選択した。今回のシステ ムでは、穿孔パターンのマスク像を１／４縮小できる光学系を併用し、1x1 mm² の面積を同時に加 工できる。穿孔はレーザーが分子の結合を切断することで行われるため、熱的な損傷はないが分解 された残渣物がやはり孔周辺にこびりつくため、デスミア処理はやはり必要である。これについて も溶剤系のものではなくプラズマ処理の方法を採用して、コーティング膜の保全に考慮した。図２ には、こうして作られた GEM フォイルの孔の顕微鏡写真を示している。穴径は狙い通りでレーザ ー入射側(上)が 77.5mm, 出射側（下）が 65.1mm。整った円形が切れており、エッジの形状もまずま ずと思われる。心配された裏表の絶縁についても１x10¹¹Ω以上が確保され、高圧を印可する事に問 題はない。こうして試作された世界初めての有機伝導素材 GEM を早速くみ上げてアルゴンガスに より、⁵⁵Fe からの 5.9 keV の X 線を観測したのが図3である。このようにエネルギー分解能もそ こそこのガス検出器として働くことが初めて実証された。
今後はこうして実現した高抵抗 GEM が、期待通りのスパーク耐性を持ち安定的な動作をするか かついて定量的な評価を行っていく必要がある。

図 1 構築された試作システムと撮られた X 線画像

図 1：先端計測棟で試作された 20mm角224 素子 KIDアレイ（上）とその素子配列（下）。224 の素子が一本の読み出しラインにつながれている。

6 月 3－5 日、東北大学の片平キャンパ スさくらホールで、SOI ピクセル検出器に 関する国際ワークショップが、SOI プロジ ェクトの新井康夫教授を座長として、東北大学との共催で実施された。これまでも米 国 FNAL や LBNL、ポーランド UGH など で SOI プロジェクトの国際コラボレーショ ンミーティングは行われてきたが、今回は外部に開かれた初めての本格的なワークシ ョップである。80 名を超える参加者は、素粒子原子核物理、放射光科学はもとより、医療・ 産業利用を考える研究者、SOI 半導体技術の専門家など多彩で、海外からの参加も 10 人を 数えた。
いくつかの実験分野ではすでに実用化と言っ てよいレベルの測定結果が示された。KEK 物構研 の橋本亮氏からは、理研で開発された SOI ピクセ ルシステム SOPHIAS を使った PF でのコラーゲン の SAXS 測定が紹介され、その完成度の高さが印象付けられた。（右図）

応用の範囲をさらに広げていくには、放射線に 対する耐性を一段と高めていく必要がある。それ についても、今回、新しい知見と多くの進展が報 告された。SOI デバイスの特長である省電力性を追求するために最適化されてきた構造を再設計す ることで、放射線線耐性を飛躍的に高める測定結 果が示され、今後の性能向上が大いに期待される。 また新しい 2 層構造の SOI ウェファ（Double SOI :DSOI）を使うことで、放射線損傷を補償する方法についての検討も実証レベルで進展した。たとえ ば下図では第 2SOI 層に適当な電位を与えるこ とで、放射線損傷によってもたらされた FET の閾値電圧のシフトが回復され ることを示しており、ILC などで想定される放射線 レベルの影響であれば、完全に補償することが可能であることが実証された。

Fig. 1 Schematic of scintillation from a plastic scintillator loaded with high-Z inorganic nanoparticles.

測定器開発室では、次世代の４次元検出器技術として、様々な形の液体TPCの開発を進めてきた。TPC(Time Projection Chamber)はかつて素粒子物理学実験の黎明期を支えてきた元祖３次元検出器である泡箱を、ガス検出器を使って電子的に実現した画期的な技術でその基本は既に1980年代に実用され、KEKにおいてもTRISTANのTOPAZ実験において使われた実績がある。その後もLEP、RHIC、LHCでのいくつかの実験へと引き継がれながら発展してきた。これらはいずれもガスを使った飛跡検出器で衝突型ビームの衝突点を囲む構成となっていた。こうしたTPCは時間情報も有していることからいわばそういう意味でも泡箱を越えた４次元検出器と言えるものであるが、泡箱とは違い自らが標的ともなり素粒子反応の全貌を隈無く捉えると言った検出器としては使えなかった。ところが昨今開発の進んでいる希ガス液体を媒体とするTPCであれば、泡箱同様あるいはそれ以上の標的となりうるし、あるいは検出効率の高いガンマ線の検出器ともなりうる。

こうしたことから、液体キセノン使ったガンマ線検出器や暗黒物質探索検出器、液体アルゴンを使ったニュートリノ検出器などの開発研究が世界各地で精力的に行われており、開発室においても、PET カメラに応用可能な３次元ガンマ線検出器として液体キセノンTPC、また次世代大型ニュートリノ検出器として有望な液体アルゴンTPC の開発研究を進めている。後者については250ℓまでのの比較的大型のプロトタイプによる実証研究も進んでいて、2010 年にはJ-PARC ハドロンホールでの最初のテスト実験の成功が報告されている。このとき使われた最初の試作機は、projection 側の検出器が一次元のストリップ読み出しであったため、実は２次元（プラス時間情報）のシステムであった。その後２０１３年春にかけて、真の３次元測定を実現するための改造が行われ再びビームテストに臨んだが、同年５月のハドロンホールの事故により、残念ながら無期延期となった。

この改造３次元システムには、急ごしらえだったこともあり十分な高電圧を印可できないなどの問題があったため、その後更なる改良を行い、２次元の信号読み出しパッドをX+Yの２重一次元の接続とする、38x40cm2のボードを開発した（図１左。写真 はボードを２枚つないでいる）。昨年１１−１２月新システムを250 litterのクライオスタットにおさめて冷却、液体アルゴンによる宇宙線テストを行った。（右図） 企図した通りの高電圧を印可できる事が確認され、宇宙線による軌跡の３次元検出にも成功した。（下図）

データの解析とシステムの性能評価が現在精力的にすすめられているが、信号引き回しによるS/Nの悪化が問題である事などが明らかになっており、更なる改善の検討されている。今後信号パッド直後の増幅処理回路など低温部でのエレクトロニクスの開発や、２相式によるガス増幅の採用などが大型システムへ向けての課題となる。

KEK測定器開発室におけるSOIプロジェクトと超伝導検出器（SCD）プロジェクトのコラボレーションについては、すでに2013年に報告を行っている。通常のバルクCMOSでは 得られないSOIデバイスの極低温動作特性（右上図）を活かして、遠赤外線検出用の超伝導トンネル接合素子（STJ）からの微弱信号の前置処理回路としてSOIエレクトロニクスを 直結するのがそのアイディアである。

今年度、SOIプロジェクトが母体となる新学術領域の公募研究において、二つの技術の 融合の新たな形が提案され注目されている。SCDプロジェクトの中核を担う岡山大学の石野グループによりSOIKIDとなづけられたこの開発研究では、超電導検出器であるKID（Kinetic Inductance Detector）とSOIピクセル検出器を組み合わせて、その双方の特長を生かした高感度ハイブリッド量子検出器の実現を目指す。ここではSOIピクセルは独立の量子センサーとして機能しており、それがもたらす高精度位置情報が向かい合って接合されるKIDにもたらされることで、フォノンによる超高精度のエネルギー測定を可能とする、巧妙なアイディアである。システムの概要を次ページに示す。X線などの量子がシリ コン基板中に電子・ホール対を生成し、それがSOIピクセルにより、高精度の位置・時間 情報として測定される。同時に発生するフォノンは反対側の超伝導膜のクーパー対を解離させてKIDにより検出され、従来の半導体による計測を凌駕する高分解能のエネルギー測定がなされる。

この画期的なハイブリッド検出器システムが実現するためには、SOIピクセル回路がもたらす発熱の極小化が鍵となり、そのための回路最適化などの検討が静岡大学電子工学研究所の川人グループにより進められている。システムは、放射光施設向けの大面積高分解能X線イメージングや、暗黒物質探索、ニュートリノ絶対質量測定などへの応用が考えられ、その実現が大きく期待されている。