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論文

Charge-collection efficiency of single-crystal CVD diamond detector for low-energy charged particles with energies ranging from 100 keV to 2 MeV

佐藤 優樹; 村上 浩之*; 嶋岡 毅紘*; 坪田 雅功*; 金子 純一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 834, p.218 - 222, 2016/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:84.23(Instruments & Instrumentation)

The performance of a diamond detector created from a single-crystal diamond grown by chemical vapor deposition was studied for application in detecting charged particles having energies ranging from 100 keV to 2 MeV. Energy peaks of these low-energy ions were clearly observed. However, we observed that the pulse height for individual incident ions decreases with increasing atomic number of the ions. We estimated the charge collection efficiency of the generated charge carriers by the incident charged particles. While charge collection efficiency above 95% is achieved for helium (He$$^+$$) at energies above 1.5 MeV, over the same incident energy range, the efficiencies are lower for heavy-ions: $$sim$$70% for silicon (Si$$^+$$) and $$sim$$30% for gold (Au$$^{3+}$$). We also found that the charge collection efficiency decreases as the generated charge density inside the diamond crystal increases.

論文

Charge-collection efficiency and long-term stability of single-crystal CVD diamond detector under different carrier-drift conditions

佐藤 優樹; 村上 浩之*; 嶋岡 毅紘*; 坪田 雅功*; 金子 純一*

Japanese Journal of Applied Physics, 55(4), p.046401_1 - 046401_5, 2016/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:85.38(Physics, Applied)

化学気相成長法(CVD)により育成した人工単結晶ダイヤモンドを用いて放射線検出器を製作し、検出器のエネルギー分解能、生成電荷キャリアの収集効率、及び長時間安定性の調査を行った。検出器固有のエネルギー分解能は半値幅で約0.4%であり、$$^{241}$$Amから放出される4つのエネルギー(5.389, 5.443, 5.486及び5.545MeV)の$$alpha$$粒子の観測ができた。電荷キャリアの収集効率は電子、正孔ともに98%を達成し、さらに、主として電子を検出器内でドリフトさせた場合、100時間以上の$$alpha$$粒子照射でもエネルギースペクトルや分解能の劣化は見られなかった。一方で、主として正孔を検出器内でドリフトさせた場合、照射時間と共にエネルギースペクトルが劣化するポーラリゼイション現象が観測された。

論文

Radiation hardness of n-type SiC Schottky barrier diodes irradiated with MeV He ion microbeam

Pastuovi$'c$, $v{Z}$*; Capan, I.*; Cohen, D.*; Forneris, J.*; 岩本 直也*; 大島 武; Siegele, R.*; 星乃 紀博*; 土田 秀一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.233 - 239, 2015/04

 被引用回数:6 パーセンタイル:41.59(Instruments & Instrumentation)

The relationship between defects created in SiC semiconductors and the degradation of SiC particle detectors was investigated. The n-type Schottky barrier diodes (SBD) fabricated on an epitaxial 4H-SiC layer were irradiated with a raster scanned alpha particle microbeam (either 2 or 4 MeV He$$^{2+}$$ ions) to introduce crystal damage with different depths. Deep level transient spectroscopy (DLTS) was applied to characterize defects generated in SiC by He ion irradiation. Ion Beam Induced Charge (IBIC) microscopy was used to determine the degradation of the charge collection efficiency (CCE). DLTS and electrical characteristics measurements suggested that minority carrier lifetime decreased with increasing the concentration of Z$$_{1/2}$$ defect. Also, the free carrier concentration in SiC decreased with increasing He fluence. Furthermore, the formation of new type of defects, i.e. complex (cluster) defects was detected. In conclusion, the value of CCE decreased due to above-mentioned effects.

論文

Charge induced in 6H-SiC pn diodes by irradiation of oxygen ion microbeams

大島 武; 佐藤 隆博; 及川 将一*; 小野田 忍; 平尾 敏雄; 伊藤 久義

Materials Science Forum, 527-529, p.1347 - 1350, 2006/00

炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた耐放射線性粒子検出器開発の一環として、酸素イオン入射により六方晶(6H)SiC pnダイオード中に発生する電荷を調べた。pnダイオードはp型6H-SiCエピタキシャル基板上に、800$$^{circ}$$Cでのリンイオン注入及び1650$$^{circ}$$Cでの熱処理(Ar中、5分間)によりn型領域を形成することで作製した。6$$sim$$8MeVのエネルギーの酸素イオンマイクロビームをpnダイオードに入射し、イオンビーム誘起過渡電流(TIBIC)を測定することで生成電荷量を評価した。その結果、イオンの飛程が電界層である空乏層長より短い場合は、pnダイオードで収集した電荷量は理論計算より見積もったイオン誘起電荷量と良い一致を示し、収集効率が100%であることが確認された。また、イオンの飛程が空乏層長より長い場合、イオン入射により発生する過渡的な電界(ファネリング)の効果により、空乏層より深い領域からも電荷が収集されることを見いだした。

論文

Characterization of charge generated in silicon carbide n$$^{+}$$p diodes using transient ion beam-induced current

大島 武; 佐藤 隆博; 及川 将一*; 山川 猛; 小野田 忍; 若狭 剛史; Laird, J. S.; 平尾 敏雄; 神谷 富裕; 伊藤 久義; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 541(1-2), p.236 - 240, 2005/04

 被引用回数:9 パーセンタイル:41.94(Instruments & Instrumentation)

炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた放射線粒子検出器開発の一環として、SiC pnダイオードにイオンが入射した時に発生する電荷の収集挙動を調べた。実験はTIARAのタンデム加速器に接続するマイクロビームラインにて、15MeV酸素イオンを用いて行った。シングルイオンヒットによるイオンビーム誘起過渡電流(TIBIC)を測定したところ、SiC pnダイオードへの印加電圧の増加に従い過渡電流波形のピーク強度が大きくなること及び収集時間が短くなることが見いだされた。さらに、過渡電流を積算することで収集電荷を見積もった結果、印加電圧が低く空乏層がイオンの飛程より短い場合は、ファネリング効果によって空乏層より深い領域で発生した電荷が収集されることが判明した。また、空乏層長がイオンの飛程より長くなる印加電圧150Vでは、ほぼ100%の電荷収集効率となり、SiC pnダイオードが粒子検出器として応用可能であることが確認された。

論文

Radiation effect on pn-SiC diode as a detector

木下 明将*; 岩見 基弘*; 小林 健一*; 中野 逸夫*; 田中 礼三郎*; 神谷 富裕; 大井 暁彦; 大島 武; 福島 靖孝*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 541(1-2), p.213 - 220, 2005/04

 被引用回数:24 パーセンタイル:15.37(Instruments & Instrumentation)

高エネルギー物理の実験で使用可能な炭化ケイ素(SiC)ダイオードを用いた耐放射線性のアルファ線検出器の開発を目的に、六方晶6H-SiC上に作製したpnダイオードへ$$gamma$$線照射及び電子線照射を行い電荷収集の変化を調べた。pnダイオードは、p型6H-SiCエピタキシャル膜にリンイオン注入(800$$^{circ}$$C)後、熱処理(1650$$^{circ}$$C,3分間、Ar中)することでn$$^{+}$$領域を形成し作製した。$$gamma$$線は$$^{60}$$Co線源により室温で1MR/hのレートにて250Mradまでの照射を行った。電子線照射は2MeVのエネルギーで1$$times$$10$$^{15}$$/cm$$^{2}$$まで行った。$$^{241}$$Amより放出される4.3MeVアルファ線を用いて電荷収集を測定した。またマイラー膜にてエネルギー減衰させることで1.8MeVアルファ線についても電荷収集測定を行った。その結果、250Mradまでの$$gamma$$線照射,1$$times$$10$$^{15}$$/cm$$^{2}$$の電子線照射によっても電荷収集効率は低下しないことが明らかとなり、SiCの検出器としての優れた耐放射線性が明らかとなった。また、空乏層内でイオンが停止する1.8MeVアルファ線の場合は電荷収集効率が100%となることが見いだされた。

論文

Analysis of transient current induced in silicon carbide diodes by oxygen-ion microbeams

大島 武; 佐藤 隆博; 及川 将一*; 山川 猛; 小野田 忍; 若狭 剛史; Laird, J. S.; 平尾 敏雄; 神谷 富裕; 伊藤 久義; et al.

Proceedings of 6th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application (RASEDA-6), p.177 - 180, 2004/10

炭化ケイ素半導体(SiC)を用いた耐放射線性検出器開発のために、15MeV酸素マイクロビームが入射することでSiC pnダイオード中に誘起される過渡電流を調べた。SiC pnダイオードは、p型六方晶(6H)SiCエピタキシャル基板に高温(800$$^{circ}$$C)リンイオン注入後アルゴン中で1650$$^{circ}$$C,3分間の熱処理をすることでn$$^{+}$$層を形成し、作製した。過渡電流は原研高崎TIARAタンデム加速器に接続された単一イオン入射過渡イオンビーム誘起電流(TIBIC)システムにて評価を行った。その結果、印加電圧の増加とともに過渡電流シグナルのピークが高くなり、かつ収集時間が短くなることが観測された。この結果は、印加電圧の増加とともに電界強度が強く、空乏層長が伸びることで説明できる。過渡電流シグナルを積分することで収集電荷を見積もったところ、印加電圧の増加とともに収集効率が上昇し、100V以上では100%の収集効率であることが確認できた。

論文

Charge collected in Si MOS capacitors and SOI devices p$$^{+}$$n diodes due to heavy ion irradiation

平尾 敏雄; Laird, J. S.; 小野田 忍; 芝田 利彦*; 若狭 剛史; 山川 猛; 阿部 浩之; 高橋 芳浩*; 大西 一功*; 伊藤 久義

Proceedings of 6th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application (RASEDA-6), p.105 - 109, 2004/10

SOI半導体素子のシングルイベント耐性を検証するため、SOIの代わりに構造の単純なMOSキャパシタを用い、シングルイベント過渡電流波形の測定を実施した。得られた過渡電流波形を積分して求めた収集電荷量とシュミレーションを用いて計算した収集電荷量の比較から、過渡電流が変位電流に起因することを突き止めた。

論文

Recent studies of single-event phenomena in devices using the heavy-ion microbeam at JAERI

平尾 敏雄; Laird, J. S.; 森 英喜; 小野田 忍; 伊藤 久義

Proceedings of 6th European Conference on Radiation and its Effects on Components and System (RADECS 2001) (CD-ROM), 5 Pages, 2002/00

シングルイベント発生機構の解明を目的として、TIARA照射施設のタンデム加速器に設けられている重イオンマイクロビームを用い、重イオン入射により半導体に発生する電荷の伝搬挙動を調べている。この研究の一環として、シリコンpn接合ダイオード及びSOIダイオードに15MeVの炭素及び酸素イオンを照射し、発生するシングルイベント過渡電流を計測した。イオンで誘起される電荷の空乏層内での収集(ドリフト成分)と空乏層外での収集(ドリフト及びファネリング成分)とを比較した結果、ドリフト成分による収集時間は空乏層外での収集時間の半分であることを見出した。SOIダイオードにおいては、収集電荷がトップシリコンの厚さに依存することなどを明らかにしシングルイベントの機構解明に要する基礎データを蓄積した。さらに、イオン入射角度及び照射試料温度と収集電荷との関係,電荷収集に寄与する電荷移動時間に関する最近の成果を報告する。

論文

Observation of radiation damage induced by single-ion hits at the heavy ion microbeam system

神谷 富裕; 酒井 卓郎; 平尾 敏雄; 及川 将一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 181(1-4), p.280 - 285, 2001/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:78.34(Instruments & Instrumentation)

原研高崎の重イオンマイクロビーム・シングルイオンヒットシステムを用いて、Si PINダイオードの局所領域にMeVエネルギーの重イオンを繰り返し入射することにより過渡電流波高をすべて計測し、照射損傷に由来する波高の減衰を観察した。その減衰傾向を特徴づけるため、統計関数ワイブル分布関数を導入し、データ解析を行った。$$mu$$m$$^{2}$$レベルで照射面積を変化させた場合、明らかな減衰傾向の違いが見られ、実験データから照射損傷と電荷収集の平面方向の広がりに関する情報を引出し得ることが示唆された。これらの測定を再現するために単純なモデルによるモンテカルロシミュレーションも試みた。発表では、照射実験、データ解析及びシミュレーションについて述べ議論する。

論文

A Preliminary observation on AgGaSe$$_{2}$$ as a nuclear radiation detector

阪井 英次; 堀内 博道*; 薗村 肇*; 宮内 武*

Mater.Res.Soc.Symp.Proc., 16, p.233 - 236, 1983/00

0.5mm$$times$$4mm$$times$$4mmの比抵抗10$$^{8}$$オームcmの結晶を研磨し、130$$mu$$g/cm$$^{3}$$の金を両面に蒸着して検出器を作った。この検出器は印加電圧80V以上で雑盲の増大を示した。5.5MeV$$alpha$$粒子を入射した電極に負の電圧を印加した場合には出力パルスが観測されたが、正の電圧を印加した場合にはパルスが観測されなかった。電子は収集できるが、正孔は収集できないことを示している。入射電極に-50Vを印加した場合(1600V/cm)、立ち上がり時間20$$mu$$s,パルス波高はシリコンの検出器の約1/10のパルスを示し、電子が捕獲されていることを意味している。

報告書

HgI$$_{2}$$放射線検出器の試作

中谷 秀夫*; 阪井 英次; 片桐 政樹

JAERI-M 8478, 133 Pages, 1979/10

JAERI-M-8478.pdf:9.04MB

我が国で始めてHgI$$_{2}$$検出器の$$alpha$$$$gamma$$、X線パルスを観測した。市販のHgI$$_{2}$$特級試薬(純度99.2~99.8%)を真空封じしたパイレックス管を2温度領域の電気炉中で蒸気輸送させる簡単な方法で数mm角1mm厚程度の多数の結晶を作り、アカダックを塗布して電極を作りHgI$$_{2}$$検出器の$$^{2}$$$$^{4}$$$$^{1}$$Amからの$$alpha$$線、$$gamma$$・X線に対するパルス波高分布を測定した。最も良い検出器は59.5keV$$gamma$$線に対してエネルギー分解能4.9keVを示したが、良いエネルギー分解能を示す検出器の製作は困難であった。正孔の電荷収集特性は電子のそれに比べて極めて悪いこと、透明度が良く壁開性の良い結晶が良い検出器特性を示すこと、市販のHgI$$_{2}$$特級試薬は蒸気輸送を行うと固化した灰色の残留物を残すこと、検出器へのHumiseal塗布は耐高電圧特性、長期安定性、エネルギー分解能を改善すること、HgI$$_{2}$$検出器の電子・正孔対当りの平均エネルギーはほぼ4.2eVであること、50$$^{circ}$$C、25$$^{circ}$$C、0$$^{circ}$$Cと検出器の温度を下げるとエネルギー分解能が改善された。

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