中性子被ばくによる暗電流増加の見積もり

KEKB^加速器は2.1×10³⁴cm⁻²s⁻¹のルミノシティを実現したが、それに伴い加速器 トンネル内で生成する中性子によるバックグラウンドも決して無視できないことが明らか になった。これは輻射バーバー散乱、つまりe⁺e^−→e⁺e⁻γ 過程が前方に非常に大きな 断面積を持ち、ここで生じたγ 線が、加速器トンネル内の物質と相互作用して電磁シャ ワーを形成する際に双極子共鳴によって発生する中性子のためである。PIN-PD^がこの 中性子を浴びると半導体格子中に欠陥を生じるバルク損傷により、そこで電子または正孔 の熱励起が起こりやすくなるため、暗電流が増加する。PIN-PD電流値測定用の回路を設 計する際、この暗電流増加も考慮しなければならない。

 Belle II^{実験における}PIN-PDの中性子被ばく量のシミュレーションによる予測値[10]

と、2008年に東京大学原子炉「弥生」で行われたPIN-PDの中性子損傷試験の結果[13]

をもとにBelle II実験における暗電流増加量を見積もる。図4.6^は年間のPIN-PD^中性 子被ばく量期待値のθ^{分布であり、表}4.2^はPIN-PDの中性子損傷試験における、中性 子被ばく量に対する暗電流増加量の結果である。

図4.6 Belle II実験におけるPIN-PDの中性子被ばく量のシミュレーション予測(ル ミノシティ8×10³⁵cm⁻²s⁻¹の場合)[10]

表4.2 PIN-PDの中性子被ばく量(dose)に対する暗電流増加量(∆I)[13]

dose (cm⁻²) ∆I (nA) 1×10¹¹ ∼100 1×10¹² ∼1000 1×10¹³ ∼10000

PIN-PD における中性子線フラックスF (year⁻¹cm⁻²) は、シミュレーション中で

PIN-PDに達した中性子の数とエネルギーEnに基づいて次式で見積もる。

F(year⁻¹cm⁻²) = W(En)×10¹³(µs/year)

4cm²×Nθ×tsamp(µs) (4.1) ここで、W(En) ^{は中性子のエネルギー} En の関数で、1 MeV^{の中性子が与えるもの} と等価にする損傷の重みを示す係数、Nθ は該当するθid を持つ結晶の数、tsamp はシ ミュレーションが計算対象とする時間の長さを表し、4 cm^{2 は}CsI(Tl) ^{結晶一つが装}

備するPIN-PD の面積である。被ばく量が最大である前方エンドキャップ最内側の被

ばく量は約 2×10¹⁰(neutron/year^・cm²) であり、被ばく量が少ないバレル部分では約 5×10⁹(neutron/year^・cm²)^{である。表}4.2の結果より、前方エンドキャップ最内側では Belle II^実験期間(10^年間)^で約100nA^{、バレル部では約}10nA^{の暗電流増加が見込ま} れる。

4.3.3 ^{電流測定点の配置}

PIN-PD^{の電流を測定する際、}8736^本あるCsI(Tl)結晶をいくつかのグループに分け て測定する。ここで必要なことは、結晶が吸収するビームバックグラウンドの角度分布 を検出可能なグループ分けにすることである。ここで、Belle IIで予想される結晶の吸収 線量のθ^分布とϕ分布のシミュレーションによる期待値を示す。図4.7^{の縦軸は左右と} も年間の吸収線量(Gy/yr)で、横軸は左の分布が結晶のθid、右が結晶のϕidである。ま た、右の分布は前方エンドキャップ最内側での吸収線量のϕ^{分布を表す。結晶の}θidは図 4.3^、ϕidは図4.8に示すように割り当てる。

図4.7^より、θ方向は前後方エンドキャップとバレル部で6^倍または9^{倍近く違い、}ϕ 方向は0^°付近と 180°付近で数倍違う。つまり、図 4.9で示した赤の領域の吸収線量が 多いことがわかる。この結果より、エンドキャップ部分はϕ^方向の0^{°付近の吸収線量が} 多く、内側と外側でも吸収線量に差があることがわかる。また、バレル部も同様にϕ^方向 の0°付近の吸収線量が多い。エンドキャップ部は ϕ^方向に8^分割し、θ^{方向は内側と外} 側に2分割して、片方のエンドキャップを16個の領域に分割する。バレル部はϕ方向に 16^分割、θ^方向に3^分割で48個の領域に分割する。すると、測定箇所の数は合計で80 となる。測定領域の分割を図4.10^{に示す。ここで、図}4.10の赤の領域は吸収線量が多い ところを表している。

図4.7 Belle II実験における結晶の吸収線量のθ分布とϕ分布のシミュレーション予 測。左がθ分布で右が前方エンドキャップ内でθid=2の結晶におけるϕ分布。(フル ルミノシティ8×10³⁵cm⁻²s⁻¹の場合)[10]

図4.8 前方エンドキャップのCsI(Tl)結晶のϕidの振り方。図中の0を始点に反時 計回りに１周して番号が振られる。図4.7のϕ分布は図中の赤で示した列における分 布である。

図4.9 図中の赤の領域の吸収線量が多い。

図4.10 PIN-PD電流を測定する領域の分割。エンドキャップ(左)およびバレル(右)。