(57)【要約】【課題】  粒子の検出効率の向上を図れる超伝導ストリップを提供すること。【解決手段】  実施形態の超伝導ストリップは、粒子を検出するための画素として用いられ、蛇行構造を具備する超伝導ストリップ１を含む。蛇行構造は、第１方向Ｄ１に延在する第１部位１１と、第１部位１１に接続し、第１方向Ｄ１と垂直な第２方向Ｄ２に延在する第２部位１２と、第２部位１２に接続し、第２部位１２から第１方向Ｄ１とは逆の方向に延在する第３部位１３とを含んでいる。粒子が第１部位１１に照射されると第１部位１１または第３部位１３の超伝導領域が分断される状態が生じる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を検出するための画素として用いられ、蛇行構造を具備する超伝導ストリップであって、
前記蛇行構造は、
第１方向に延在し、超伝導材料からなる第１部位と、
前記第１部位に接続し、前記第１方向と垂直な第２方向に延在し、導電性を有する第２部位と、
前記第２部位に接続し、前記第１方向とは逆の方向に延在し超伝導材料からなる第３部位とを具備し、
前記粒子が前記第１部位に照射されると前記第１部位または前記第３部位の超伝導領域が分断される状態が生じる超伝導ストリップ。
【請求項２】
前記超伝導ストリップは複数である請求項１に記載の超伝導ストリップ。
【請求項３】
前記複数の超伝導ストリップは、互いに接触せずに前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向に配置され、かつ、前記複数の超伝導ストリップのうち隣接する二つの超伝導ストリップは前記第２方向の方向に関して重なっていない請求項２に記載の超伝導ストリップ。
【請求項４】
前記複数の超伝導ストリップは、互いに接触せずに前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向に配置され、かつ、前記複数の超伝導ストリップのうち隣接する二つの超伝導ストリップは前記第２方向の方向に関して重なっている請求項２に記載の超伝導ストリップ。
【請求項５】
前記第３部位に接続し、前記第２方向に延在し、導電性を有する第４部位と、
前記第４部位に接続し、前記第１方向に延在する第５部位とをさらに具備する請求項１ないし４のいずれかに記載の超伝導ストリップ。
【請求項６】
前記第１部位、前記第２部位、前記第３部位、前記第４部位および前記第５部位は、前記蛇行構造を構成する請求項５に記載の超伝導ストリップ。
【請求項７】
前記第１部位、前記第３部位および前記第５部位は、前記第２方向に関して重なっている請求項６に記載の超伝導ストリップ。
【請求項８】
前記第１部位、前記第３部位および前記第５部位の前記第２方向の寸法は２００ｎｍ以下であり、
前記第１部位、前記第３部位および前記第５部位の前記第３方向の寸法は２００ｎｍ以下である請求項７に記載の超伝導ストリップ。
【請求項９】
前記第１部位、前記第３部位および前記第５部位の前記第１方向の寸法は、前記第２部位および前記第４部位の前記第２方向の寸法よりも大きい請求項８に記載の超伝導ストリップ。
【請求項１０】
前記粒子はＸ線光子である請求項１ないし９のいずれかに記載の超伝導ストリップ。
【請求項１１】
前記粒子は、極端紫外線光子、紫外線光子、赤外線光子、可視光線光子、電子、中性子、イオンからなる群より選ばれたものである請求項１ないし９のいずれかに記載の超伝導ストリップ。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の超伝導ストリップと、この超伝導ストリップにバイアス電流を供給する電流源とを具備する粒子検出装置。
【請求項１３】
前記バイアス電流は前記超伝導ストリップの超伝導材料の臨界電流よりも小さい請求項１２に記載の粒子検出装置。
【請求項１４】
前記超伝導ストリップで生じる前記超伝導領域が分断される状態から前記粒子を検出する計測器をさらに具備する請求項１２に記載の粒子検出装置。
【請求項１５】
前記超伝導ストリップを冷却し超伝導状態を維持する冷凍機をさらに具備する請求項１２に記載の粒子検出装置。
【請求項１６】
第１方向に延在し超伝導材料を有する第１部位と、前記第１部位に接続し前記第１方向と垂直な第２方向に延在し、導電性を有する第２部位と、前記第２部位に接続し前記第１方向とは逆の方向に延在し超伝導材料を有する第３部位とを具備する蛇行構造を具備する超伝導ストリップを画素として用いた粒子検出方法であって、
前記超伝導ストリップを超伝導状態にする工程と、
前記超伝導ストリップにバイアス電流を供給する工程と、
試料を透過した粒子を前記超伝導ストリップに照射させ、超伝導領域を分断状態にする工程と、
前記分断状態から前記粒子を検出する工程と
を具備する粒子検出方法。
【請求項１７】
前記超伝導ストリップは複数である請求項１６に記載の粒子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導材料で作成された細いストリップ（超伝導ストリップ）を用いたＸ線光子検出装置が知られている。Ｘ線光子を検出するときには、超伝導状態の超伝導ストリップにバイアス電流を流しておく。この状態で超伝導ストリップにＸ線光子が衝突すると、Ｘ線光子の衝突箇所の近傍が一時的に常伝導に転移し、パルス状の電気信号が発生する。この電気信号を検出してＸ線光子の数をカウントする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５０２７９６５号公報
【特許文献２】特開２０１７−９３７２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Soft X-Ray Single-Photon Detection with Superconducting Tantalum Nitride and Niobium nanowires”, IEEE Transactions on Applied  Superconductivity, vol. 23, 2200505 (2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、粒子の検出効率の向上を図れる超伝導ストリップ、粒子検装置および粒子検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態の超伝導ストリップは、粒子を検出するための画素として用いられ、蛇行構造を具備する超伝導ストリップを具備する。前記蛇行構造は、第１方向に延在し、超伝導材料からなる第１部位と、前記第１部位に接続し、前記第１方向と垂直な第２方向に延在し、導電性を有する第２部位と、前記第２部位に接続し、前記第１方向とは逆の方向に延在し超伝導材料からなる第３部位とを具備する。前記粒子が前記第１部位に照射されると前記第１部位または前記第３部位の超伝導領域が分断される状態が生じる。
【０００７】
一実施形態の粒子検出装置は、上記超伝導ストリップと、この超伝導ストリップにバイアス電流を供給する電流源とを具備する。
一実施形態の粒子検出方法は、上記粒子検出装置を用いる。前記粒子検出方法は、前記超伝導ストリップを超伝導状態にする工程と、前記超伝導ストリップにバイアス電流を供給する工程と、試料を透過した粒子を前記超伝導ストリップに照射させ、超伝導領域を分断状態にする工程と、前記分断状態から前記粒子を検出する工程とを具備する
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は第１の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は粒子検出装置の超伝導ストリップに接続される電流源、増幅器および計測器を模式的に示す図である。
【図３】図３は超伝導ストリップの超伝導領域の分断を示す図である。
【図４】図４は第２の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図５】図５は図４の粒子検出装置の断面図である。
【図６】図６は図４の粒子検出装置の他の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。図面において、同一符号は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。また、簡略化のために、同一または相当部分があっても符号を付さない場合もある。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。本実施形態では、粒子の一例であるＸ線光子を検出する粒子検出装置について説明する。
本実施形態の粒子検出装置は、超伝導材料からなる複数の超伝導ストリップ１を備えている。各超伝導ストリップ１は蛇行構造を有している。超伝導ストリップ１は、蛇行構造を構成する、第１部位１１、第２部位１２、第３部位１３、第４部位１４、第５部位１５、第６部位１６および第７部位１７を含む。第１部位１１にＸ線光子が照射されると、第１部位１１、第３部位１３、第５部位１５または第７部位１７の超伝導領域が分断される状態が生じる。図１では、第１部位１１〜第７部位１７は直方体の形状を有するが、他の形状でも構わない。以下、第１部位１１〜第７部位１７についてさらに説明する。
【００１１】
第１部位１１は第１方向Ｄ１に延在する。第１部位１１は基板（不図示）の表面（基板表面）２上にあり、基板表面２は検出面に相当する。第２部位１２は第１部位１１に接続し、第１方向Ｄ１と垂直な第２方向Ｄ２に延在する。第２方向Ｄ２は基板表面２に対しても垂直である。
【００１２】
第３部位１３は第２部位１２に接続し、第２部位１２から第１方向Ｄ１とは逆の方向に延在する。第４部位１４は第３部位１３に接続し、第２方向Ｄ２に延在する。なお、第２部位１２の材料は、第１部位１１と第３部位１３を電気的に接続する導電部として機能するのであれば、超伝導材料である必要はなく、通常の導電材料（例えば金などの非超伝導材料）を用いても良い。超伝導材料を用いた場合は、第１部位１１、第２部位１２および第３部位１３は同一材料を用いて製造することができるので、製造が容易である。
【００１３】
なお、本願明細書において、超伝導ストリップ１とは、Ｘ線光子の検出に主として利用される第１部位１１や第３部位１３などの部位が超伝導材料であれば、非超伝導材料を含んでいても超伝導ストリップと定義する。
第５部位１５は第４部位１４に接続し、第４部位１４から第１方向Ｄ１に延在する。第６部位１６は第５部位１５に接続し、第２方向Ｄ２に延在する。第７部位１７は第６部位１６に接続し、第６部位１６から第１方向Ｄ１とは逆の方向に延在する。
【００１４】
第１部位１１、第３部位１３、第５部位１３および第７部位１７は第２方向Ｄ２に関して重なっている。言い換えれば、超伝導ストリップ１を上から見ると、第１部位１１、第３部位１３、第５部位１３および第７部位１７は重なっている。
第１部位１１、第３部位１３、第５部位１３および第７部位１７の第１方向Ｄ１の寸法は、第２部位１２、第４部位１４および第６部位１６の第２方向Ｄ２の寸法よりも大きい。また、第１部位１１〜第７部位１７の第３方向Ｄ３の寸法は同じである。
【００１５】
複数の超伝導ストリップ１は互いに接触せずに第３方向Ｄ３に任意のピッチＰ１で配置されている。第３方向Ｄ３は、図１に示すように、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に垂直な方向である。
なお、図１には５個の超伝導ストリップ１が示されているが、２個、３個、４個または６個以上の超伝導ストリップ１を用いても構わない。
【００１６】
超伝導ストリップ１の材料は公知のものから適宜選択することが可能であるが、タンタルを含む材料のようにＸ線の吸収率が高いものほどＸ線光子の検出効率は高くなる。
基板表面２より内部側では複数の超伝導ストリップ１の間は絶縁体（不図示）で埋められている。当該絶縁体は、二酸化ケイ素のようにＸ線に対する透過率が非常に高いものが望ましい。
【００１７】
粒子検出装置は、さらに、超伝導ストリップ１の上方（第２方向Ｄ２と逆の方向）に配置され、スリット２０を有するスリット部２１を備えている。スリット２０の長手方向は第３方向Ｄ３である。スリット部２１の上方から見て、スリット２０は第３方向Ｄ３に関して５個の超伝導ストリップ１を横切る。
【００１８】
粒子検出装置は、さらに、スリット部２１の上方（第２方向Ｄ２と逆の方向）に配置され、Ｘ線２２を発生するＸ線発生装置２３を備えている。なお、Ｘ線発生装置２３は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別にＸ線発生装置２３を用意する。
【００１９】
粒子検出装置は、さらに、図２に示すように、超伝導ストリップ１の一端１ａに接続された電流源３１を備えている。電流源３１は、超伝導ストリップ１にバイアス電流Ｉｂを供給する。バイアス電流Ｉｂは、超伝導ストリップ１の超伝導材料の臨界電流よりも小さい。超伝導ストリップ１の他端１ｂは接地されている。なお、電流源３１は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別に電流源３１を用意する。
【００２０】
粒子検出装置は、さらに、超伝導ストリップ１の一端１ａに接続された増幅器３２を備えている。増幅器３２は、超伝導ストリップ１で発生した電気信号を増幅する。なお、増幅器３２は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別に増幅器３２を用意する。
【００２１】
粒子検出装置は、さらに、増幅器３２に接続され、電気信号をモニタするための計測器３３を備えている。より詳細には以下の通りである。
超伝導状態の第１超伝導ストリップ１１にＸ線光子が照射されると、当該Ｘ線光子は第１超伝導ストリップ１１にて吸収されるか、または、第１超伝導ストリップ１１を透過する。Ｘ線光子が第１超伝導ストリップ１１を透過した場合、下層の第３超伝導ストリップ１３、第５超伝導ストリップ１５または第７超伝導ストリップ１７に照射されて吸収される。Ｘ線光子が吸収された超伝導ストリップの超伝導領域は分断する。そのため、超伝導ストリップの超伝導領域が分断した状態（分断状態）を検出することは、Ｘ線光子を検出することに対応する。ここで、分断状態が発生すると、当該Ｘ線光子が吸収された超伝導ストリップは電気信号（例えばパルス状の電気信号）を発生する。したがって、計測器３３により電気信号を検出することで、Ｘ線光子を検出することができる。
【００２２】
なお、計測器３３は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別に計測器３３を用意する。
超伝導ストリップ１は超伝導状態を維持するため任意の冷凍機（不図示）によって転移温度以下に冷却される。冷凍機は、電流源３１や増幅器３２などと同様に粒子検出装置に含まれていなくても構わない。
【００２３】
次に、本実施形態の粒子検出装置を用いたＸ線光子の検出方法について説明する。
図１に示すように、Ｘ線発生装置２３とスリット部２１との間に試料２４（例えば、半導体デバイス）を配置する（ステップＳ１）。次に、超伝導ストリップ１を冷凍機により冷却した超伝導状態する（ステップＳ２）。次に、超伝導ストリップ１にバイアス電流Ｉｂを流し（ステップＳ３）、この状態でＸ線発生装置２３から発生したＸ線２２を試料２４に照射し（ステップＳ４）、試料２４を透過したＸ線２２のＸ線光子をスリット２０を介して超伝導ストリップ１に入射させる（ステップＳ５）。基板表面２は、通常、Ｘ線発生装置２３から発生した主たるＸ線の入射方向に垂直である。バイアス電流Ｉｂは超伝導ストリップ１の超伝導状態を維持する臨界電流をわずかに下回る程度とする。
【００２４】
スリット２０を透過したＸ線光子が超伝導ストリップ１の第１部位１１にて吸収されると、図３に示すように、超伝導領域４０内にホットスポットと呼ばれる常伝導に転移する領域（ホットスポット領域）４１が生成される。ホットスポット領域４１の電気抵抗は増加するので、図３に示すように、バイアス電流Ｉｂはホットスポット領域４１を迂回して別の領域（迂回領域）４２内に流れる。迂回領域４２に臨界電流以上の電流が流れると、迂回領域４２が常伝導に転移して超伝導領域４０は分断される。すなわち、上述した超伝導ストリップの超伝導領域が分断した状態（分断状態）が発生する。
【００２５】
特許文献２に記載されているように超伝導ナノストリップの断面積が大きいと超伝導領域の分断が発生しないことが分かっている。従って、第１部位１１の第２方向Ｄ２の寸法（厚さ）と第３方向Ｄ３の寸法（幅）の積、つまり、第１部位１１の断面積は上述した超伝導領域の分断が発生する程度に小さい。例えば、第１部位１１の厚さは２００ｎｍ以下であり、第１部位１１の幅は２００ｎｍ以下である。Ｘ線光子を吸収する可能性がある第３部位１３、第５部位１５および第７部位１５についても同様である。
【００２６】
この後、常伝導に転移した領域４３は冷却により速やかに消滅するため、超伝導領域４０の分断により発生する一時的な電気抵抗によってパルス状の電気信号が発生する。このパルス状の電気信号は増幅器３２で増幅され、この増幅されたパルス状の電気信号を計測器３３でカウントすることによってＸ線光子の数（以下、Ｘ線光子数という）を検出する（ステップＳ６）。したがって、超伝導ストリップ１はＸ線光子数を検出するための画素（粒子検出部）として用いることができる。
【００２７】
ここで、Ｘ線光子が超伝導ストリップ１の第１部位１１に吸収されずに透過した場合においても、下層の第３部位１３、第５部位１３または第７部位１７にて吸収されると同様にパルス状の電気信号が発生する。したがって、本実施形態の粒子検出装置はＸ線光子の検出効率の向上を図れる。
【００２８】
本実施形態の超伝導ストリップ１は４個の粒子検出部（部位１１，１３，１５，１７）を備えているが、粒子検出部の数は２、３または５以上でも構わない。一般に、粒子検出部の数が多いほど、Ｘ線光子が超伝導ストリップ１にて吸収される確率が高くなり、検出効率は向上する。当該確率は、例えば、３．５％よりも高くなる。
【００２９】
本実施形態の粒子検出装置は、複数の超伝導ストリップ１が任意のピッチＰ１に第３方向Ｄ３に並べられた構造を備えているので、Ｘ線光子数の１次元プロファイルを取得できる。この１次元プロファイルに基づいて試料２４を評価することができる。また、ピッチＰ１を小さくすれば、例えば、ピッチＰ１の値を１００ｎｍした場合、画素サイズを１００ｎｍという小さい値にできる。
【００３０】
また、本実施形態では、第１部位１１や第３部位１３などの粒子検出部を厚くしなくてもＸ線光子数を検出できる。これは粒子検出装置の小型化につながる。また、第１部位１１等の断面積を大きくしなくてもパルス状の電気信号は発生する。これも粒子検出装置の小型化につながる。
【００３１】
かくして本実施形態によれば、画素サイズの縮小を実現しつつ検出効率の向上を図れる超伝導ストリップを用いた粒子検出装置および粒子検出方法を実現することが可能になる。また、スリット部２１を第１方向Ｄ１および／または第１方向Ｄ１の逆方向にスリット部２１を走査する機構を追加すれば、Ｘ線光子数の２次元プロファイルを取得できる、粒子検出装置および粒子検出方法を実現することも可能になる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。なお、図４では、簡略化のため、超伝導ストリップ１の数は５とし、そして、試料およびＸ線光源は省略してある。
本実施形態の粒子検出装置では、第３方向Ｄ３に隣接する二つの超伝導ストリップ１は、第２方向Ｄ２に関して重なっている。言い換えれば、複数の超伝導ストリップ１を上から見ると、隣接する超伝導ストリップ１の間には隙間がない。これによりＸ線光子の検出効率のさらなる向上を図れる。なお、隣接する二つの超伝導ストリップ１は接触しない。
【００３３】
隙間のない構造を実現するために、第２部位１２、第４部位１４および第６部位１６の第３方向Ｄ３の寸法は、第１部位１１、第３部位１３および第５部位１５の第３方向Ｄ３の寸法（幅Ｗ１）よりも短くしてある。また、ピッチＰ１は幅Ｗ１と同じもしくは小さい。さらに、隣接する二つの超伝導ストリップ１が接触しないように、第２方向Ｄ２に関して、複数の超伝導ストリップ１の位置は交互にずらしてある。
【００３４】
図５は、本実施形態の粒子検出装置の断面を示す断面図である。基板表面２より内部側の複数の超伝導ストリップ１の間は二酸化ケイ素などの絶縁体３で埋められている。なお、図６に示すように、絶縁体３を除去した構造を採用しても構わない。
また、上述した実施形態の粒子検出装置はＸ線光子数の１次元プロファイルを取得するために複数の超伝導ストリップを用いているが、粒子検出装置の用途によっては超伝導ストリップの数は一つの場合もある。
【００３５】
上述した実施形態ではＸ線光子を検出するための超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法について説明したが、上述した実施形態は他の粒子を検出することにも適用できる。例えば、極端紫外線（ＥＵＶ）光子、紫外線光子、赤外線光子、可視光線光子、電子、中性子、イオンなどの粒子を検出することにも適用可能である。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、Ｄ３…第３方向、Ｉｂ…バイアス電流、Ｐ１…ピッチ、１…超伝導ストリップ、２…基板表面、３…絶縁体、１１…第１部位、１２…第２部位、１３…第３部位、１４…第４部位、１５…第５部位、１６…第６部位、１７…第７部位、２０…スリット、２１…スリット部、２２…Ｘ線、２３…Ｘ線発生装置、２４…試料、３１…電流源、３２…増幅器、３３…計測器、４０…超伝導領域、４１…ホットスポット領域、４２…迂回領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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