(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線の入射によってフォノンを発生する基板と、
基板の領域の周囲に集積され、該フォノンの到達を検出する複数の超伝導トンネル接合と、
各超伝導トンネル接合の上に超伝導トンネル接合と電磁的に結合された、異なるマイクロストリップコイルとを集積した構造であって、
複数のマイクロストリップコイルに流れる電流をそれぞれ調整することにより、対応する超伝導トンネル接合に印加する磁場を調整し、かつ
各超伝導トンネル接合の電圧信号をそれぞれ取り出し、取り出された複数の電圧信号に基づいて基板に入射される放射線の入射位置及びエネルギーを検出することを特徴とする超伝導イメージ検出器。
【請求項２】
放射線の入射によって準粒子を発生する超伝導薄膜と、
超伝導薄膜の領域の周囲に絶縁膜を介して超伝導薄膜を集積して超伝導トンネル接合を構成し、発生した準粒子の到達を検出する複数の該超伝導トンネル接合と、
該各超伝導トンネル接合の上に超伝導トンネル接合と電磁的に結合された、異なるマイクロストリップコイルとを集積した構造であって、
複数のマイクロストリップコイルに流れる電流をそれぞれ調整することにより、対応する超伝導トンネル接合に印加する磁場を調整し、かつ
各超伝導トンネル接合の電圧信号をそれぞれ取り出し、取り出された電圧信号に基づいて入射される放射線の入射位置及びエネルギーを検出することを特徴とする超伝導イメージ検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線の入射分布を検出する超伝導イメージ検出器に関し、特に検出素子である超伝導接合素子に印加する磁場を個別に調節できる超伝導イメージ検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導トンネル接合（以下、ＳＴＪ，Superconductive  Tunnel  Junction）を用いた放射線検出器は従来の半導体のものに比べて、耐放射線特性が優れ、エネルギー分散型でありながら高エネルギー分解能（〜数ｅＶ）、広い計測領域（赤外，可視，Ｘ線，α線，高エネルギー放射線）及び高計数率（〜１０ｋＣＰＳ）などの特徴を持つことから光や電子，イオンの照射による励起現象を利用した各種の元素、分子の精密微量分光分析（蛍光Ｘ線法，電子ビーム励起Ｘ線法，イオンビーム衝撃Ｘ線法など）ヘの応用が期待されている。また、極微弱フオトンの検出とエネルギー分析が同時におこなえるので、宇宙の謎を解くための高性能な目として人工衛星に搭載することが計画されている。
【０００３】
ＳＴＪはそれ自身の電極に入射した放射線による励起電子をトンネル効果を利用して検出することができるが、検出面積を大きくするために接合面積を大きくすると、接合のもつ電気容量が大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が劣化する。そのため、一般に接合の大きさは数百ミクロンメートル程度であった。
【０００４】
ＳＴＪを用いて大きな有感面積を得るためのアイデアとして、
ｌ）２次元平面上にＳＴＪ素子をアレイ状に並べて大きな面積にする。これらのＳＴＪにおいてそれぞれの出カ波形を計測すれば、放射線が入射したＳＴＪを特定でき、入射放射線の位置とエネルギーを検出する方法や、
２）広い面積の基板に入射した放射線励起によるフオノンを基板周囲に配置したＳＴＪで検出してその時の検出信号の波形と時刻の情報から２次元平面上に入射した放射線の位置とエネルギ一とを同時に検出する方法（例えば、特開平８−２６２１４４号公報）が提案されている。
【０００５】
後者の方法にも基板としてサファイアなどの絶縁性材料を用いる場合と、そのような基板上にＮｂなどの超伝導電極を形成して、この電極内で生成した放射線による励起信号を周囲のＳＴＪで検出する方法が知られている。これらの方法では入射放射線による信号を３個（Ｘ方向，Ｙ方向，Ｚ方向）以上のＳＴＪで信号波形の時刻および強さを観測することで入射位置とエネルギーを同時に測定することができる。これを３次元的に表示すれぱ、カラー情報（エネルギー）をもつ入射イメージが得られることになる。
【０００６】
図３により、従来の超伝導イメージ検出器を説明する。図３は複数個のＳＴＪ検出要素を有する超伝導イメージ検出器のＳＴＪをとおる面を示す。１ａ，１ｂは複数個のＳＴＪの中の２個のＳＴＪで、２，３は超伝導薄膜、４はトンネル障壁絶縁薄膜で構成され、９は赤外，可視，Ｘ線，α線，高エネルギー放射線，粒子線など（放射線で総称する）の入射によってフオノンあるいは準粒子などを発生する基板を表す。Φは図示しない外部磁界発生装置、例えば電磁石で発生され、複数のＳＴＪ（図では１ａ，１ｂ）の接合に平行に印加される磁場を表す。図（ｂ）の３Ａはベース電極で、複数の図（ａ）の基板側超伝導薄膜３を兼ねて、基板面上に集積して、放射線の入射面とする例である。
【０００７】
図（ａ）の従来例において、放射線１１が基板９に入射すると、基板に９にフォノンを発生し、フォノンのエネルギは格子波となって基板９内を伝搬する。これが複数のＳＴＪの超伝導薄膜４に到達すると、超伝導薄膜内の超伝導電子を励起して、ＳＴＪに準粒子が生成し、この電流がトンネル接合によって検出される。格子波が複数のＳＴＪに到達する時間差及びそのときのエネルギを計測すると、これらの計測値により放射線１１の入射位置及びエネルギが検出できる。
【０００８】
図（ｂ）の従来例では、超伝導体のベース電極３Ａに入射した放射線１１は超伝導体内の電子を励起し、発生した準粒子が複数のＳＴＪへの到達時間差及びエネルギの計測により放射線１１の入射位置及びエネルギを計測する。以下、同じ要素は同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＴＪ素子を用いた放射線検出器は極低温環境下（〜１Ｋ）で素子のジョセフソン電流とフィスケステップ電流が抑制した条件で動作するため、素子に外部から強度の高い（１００ガウス）均一平行磁場Φを与える必要があった。しかしながら、イメージ情報を得るためには空間的に離れた場所に複数個のＳＴＪを配置する必要が生じ、そのすべての素子に同等の磁場を与えることは困難であった。
【００１０】
ところが、外部磁界下におかれたＳＴＪの磁場依存性はＳＴＪの特性（電流密度、接合形状、漏洩電流）や外部磁界の入射角度など素子の作製上のバラツキや素子の設置状況などによって大きく影響されることが知られている。図４は外部磁場Φの印加によりＳＴＪのジョセフソン電流が抑制される効果（フランフォーファーパターン）を示す図である。
【００１１】
同図に示すようにジョセフソン電流を零にするために４Φ０の外部磁場（実際は１００Φ０）を各ＳＴＪに印加しても、外部磁場の不均一印加により、例えば特定のＳＴＪに図４で３．５Φ０の磁場が印加されると、ジョセフソン電流は零から０．１Ic(0)に上昇する。これは他のＳＴＪ検出素子との検出感度を異ならせることになる。また、ＳＴＪの作製による個々の特性と設置のバラツキにより特性曲線等が個々に相異しているので、この特性の相異もＳＴＪの検出感度を均一にできない原因となっている。
【００１２】
特にイメージ情報を抽出する上記の複数個のＳＴＪを用いた入射放射線の検出法では、それぞれのＳＴＪに検出性能の違いがあると精密な位置測定とエネルギー分解能を得ることが困難になっていた。これを解決する方法にＳＴＪの数を増やして保証することも可能であるが、検出器自身とデータの処理を複雑にするので得策ではなかった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために，本発明は、本発明人らが特願平１１−２１９２８６号特許願（特開２０００−１５０９７５号）で出願したところのグランドプレーンを設けた基板上のＳＴＪ上にマイクロストリップ線路による超伝導コイルを直接に結合させた構造のＳＴＪ素子を検出イメージを得るためのＳＴＪに適用して、個々のＳＴＪのジョセフソン電流とフイスケステップ電流の抑制効果を個々のＳＴＪで調整して、最高の検出条件の下で入射放射線の位置とエネルギーを測定する検出器を提供する。
【００１４】
即ち、本発明は、放射線の入射によってフオノンあるいは準粒子などを発生する基板又は超伝導薄膜の領域の周囲に複数の超伝導トンネル接合が集積され、各々のＳＴＪにそれぞれ異なるマイクロストリップコイルが各ＳＴＪの上に電磁的に結合するように集積された構造であって、各ＳＴＪ間の電圧信号を取り出し、マイクロストリップ線路に電流を流してトンネル接合のジョセフソン電流及びフィスケステップを抑制した状態でトンネル接合間の電圧信号を取り出し、基板又は超伝導薄膜に入射する放射線の放射位置及びエネルギをイメージ検出するイメージ検出器を提供する。マイクロストリップコイルに流れる電流を調整することにより、それぞれのＳＴＪのジョセフソン電流およびフィスケステップの抑制効果が等しくなるように調整する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の超伝導イメージ検出器の一実施例を示す。図の実施例では、放射線が入射する基板９の４隅に４個のＳＴＪ，１ａ〜１ｄを集積し、各ＳＴＪの上側に絶縁物を介して各ＳＴＪと磁気的に結合した超伝導体のマイクロストリップコイル１０ａ〜１０ｄを設けたものを示している。図中、５はバイアス線、６はマイクロストリップコイルの電流線、７はＳＴＪ間の電圧検出用端子、８はバイアス線と超伝導薄膜２とを接続する接続端子を表している。ＳＴＪが２個のときは１次元ｘ方向、３個のとき２次元ｘ‐ｙ方向、４個以上のとき３次元ｘ‐ｙ‐ｚ方向におけるイメージ検出ができる。
【００１６】
図２は本発明の原理を説明する図である。図（ａ）は図１の実施例に対応するもので、図（ｂ）は図（ａ）の超伝導薄膜３を放射線入射面の超伝導体ベース電極３Ａに兼ねた実施例で、ＳＴＪの１ａ，１ｂにおける断面を示す。各ＳＴＪに印加される磁場Φａ，Φｂ，・・・は各マイクロストリップコイル１０ａ〜１０ｂの電流により誘起される磁場で、この磁場は対向する超伝導体層にミラー電流を流して各磁場を各ＳＴＪ付近に局所化し、しかもＳＴＪの接合に平行に印加される。
【００１７】
各磁場Φａ，Φｂ，・・・を誘起するマイクロストリップコイル電流Ｉｍａ，Ｉｍｂ，Ｉｍｃ，Ｉｍｄ（図１参照）は、図示されていない装置でそれそれ別々に調整できるようになっている。イメージ検出器の作成後に、ジョセフソン電流及びフィスケステップを抑制する状態での各ＳＴＪのジョセフソン電流が零、場合によっては零近傍の設定値にするマイクロストリップコイル電流を計測する。この計測電流と同一電流をそれぞれのマイクロストリップコイルに流して、それぞれのＳＴＪの感度を最大にする。これにより、ＳＴＪ及びマイクロストリップコイル等素子の作製で生じた不均一も合わせて補償し、各ＳＴＪの検出感度を最大にすることができる。更に、検出器が設置される環境磁場に対してもＳＴＪの検出感度を最大にできる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＴＪの特性や外部磁界の入射角度など素子の作製上のバラツキを個々に調整できるので、ＳＴＪを用いたイメージ放射線検出器の検出性能の向上と安定動作の両方について改善を図ることができ、高性能な放射線検出器の実現が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の構造図を模式的に示す図である。
【図２】図２は本発明の原理を説明する図である。
【図３】図３は従来のイメージ検出器の原理を説明する図である。
【図４】図４は磁場印加によるジョセフソン電流の抑制効果を説明する図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｄ  ＳＴＪ
２，３      超伝導薄膜
３Ａ        ベース電極
４          トンネル障壁絶縁薄膜
９          基板
１０ａ〜１０ｄ    マイクロストリップコイル
Φ，Φａ〜Φｂ    外部印加磁場
１１         放射線
【図１】
0003543111.tif 000002
【図２】
0003543111.tif 000003
【図３】
0003543111.tif 000004
【図４】
0003543111.tif 000005