(57)【要約】      （修正有）【課題】より小規模かつ低コストで、素粒子や宇宙線が引き起こす物理現象を観測できる装置を提供する。【解決手段】観測装置の観測部には、シリコン基板を加工形成した凹凸部が設けられ、凹部３３と凸部３４の間の傾斜角を50度〜60度、凸部３４の厚みを3〜50μmに設定する。この観測装置によって、凹部３３および凸部３４の間の傾斜面３６に、観測部に入射したニュートリノといった素粒子によるチェレンコフ光を観測することができ、大掛かりな装置を利用することなく、低コストで、素粒子や宇宙線が引き起こす物理現象を観測することが可能となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測部に、少なくとも傾斜面を加工形成したシリコン基板を有する
ことを特徴とする物理現象観測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の物理現象観測装置において、
前記傾斜面は、前記シリコン基板の凹部および凸部の間に傾斜角５０°〜６０°で形成される
ことを特徴とする物理現象観測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の物理現象観測装置において、
前記シリコン基板の凹部の厚みは、３〜５０μｍに設定される
ことを特徴とする物理現象観測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子学的な物理現象を観測するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地表には、ニュートリノといった素粒子・宇宙線が降り注いでおり、このような素粒子・宇宙線を、例えば、カミオカンデのような大掛かりな装置によって観測することが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０２４２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の観測装置は、規模が極めて大きく、開発および管理に多大な費用と労力が必要であり、手軽に観測できるものではない。
【０００５】
本発明は、より小規模かつ低コストで、素粒子や宇宙線が引き起こす物理現象を観測できる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る観測装置は、観測部に、少なくとも傾斜面を加工形成したシリコン基板を有する、という構成を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る観測装置によれば、より小規模かつ低コストで、素粒子や宇宙線が引き起こす物理現象を観測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る観測装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る観測装置の側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る観測装置の背面板である。
【図４】観測装置に用いる観測基板である。
【図５】観測装置に用いる観測基板の正面図および断面図である。
【図６】観測基板で観測される着色光の様子を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る観測装置の原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係る観測装置１００の斜視図である。また、図２は、本発明に係る観測装置１００の側面図である。これらの図に示すように、観測装置１００は、円筒部１０と、背面板２０と、観測基板３０と、を備えている。
【００１１】
円筒部１０は、中空の筒状に形成されている。円筒部の一端１１は開口しており、他端１２は背面板２０で塞がれている。なお、円筒部１０全体の大きさに限定はないが、後述するように、開口方向から観測基板３０が観察されるため、開口の直径は３０ｍｍ〜４０ｍｍに形成されている事が好ましい。開口は、観察時に円筒部１０内への光の侵入及び円筒部１０内から外への光の漏れを防ぐため、人の眼の周辺骨格の形状に合わせて、波型としてもよい。
【００１２】
背面板２０は、平坦な板状部材である。背面板２０のほぼ中央に、円筒部１０が設置されている。光の漏れがないように、円筒部１０と背面部２０との間は、隙間が空かないように接着されている。背面板２０のおよそ中央部で、円筒部１０の内側に相当する部分には、観測窓２１が設けられている。観測窓２１は、背面板２０を貫通する矩形の穴である。後述するように、観測窓２１には、観測窓２１を塞ぐように、観測基板３０が配置される。観測基板３０は、背面板２０の内側の面（円筒部１０の設置側の面）に設置されている。観測窓２１の大きさは、観測基板３０よりも小さな寸法に形成されればよい。例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍ四方の大きさに形成される事が好ましい。なお、背面板２０全体の大きさに限定はない。
【００１３】
図３は、背面板２０と、背面板２０の表面に配置された観測基板３０と、を示した図である。観測基板３０は、観測窓２１を覆うように背面板２０の表面に配置されている。観測基板３０の大きさは、観測窓２１よりも大きな寸法に形成されればよい。例えば、１５ｍｍ〜２５ｍｍ四方の大きさに形成される事が好ましい。観測基板３０の詳細は後述する。
【００１４】
上述したように、円筒部１０は、観測窓２１上に配置された観測基板３０の周囲を囲むように背面板２０の表面に取り付けられる。円筒部１０を背面板２０に取り付ける角度（なす角）は適宜設定されればよい。また、円筒部１０および背面板２０を形成する素材に限定はない。例えば、円筒部１０および背面板２０は、紙、プラスチック、金属のいずれから形成されたものであってもよい。ただし、円筒部１０内へ可視光が入り込むのを防ぐために、円筒部１０および背面板２０は、可視光を遮光可能な材料で形成すると良い。また、遮光性のある黒色などで着色加工されていることが望ましい。
【００１５】
次に、図４を用いて、観測基板３０の詳細について説明する。
【００１６】
同図に示すように、観測基板３０は、四辺形に成形された単結晶のシリコン基板３１から構成される。このようなシリコン基板３１は、例えば、半導体装置に利用される単結晶シリコンウェハーを切断したものであってもよい。観測基板３０は、ｍ×ｎのマトリクス状（格子状）に配列された凹部と、凹部同士の間を隔てる凸部と、を有する。
【００１７】
図５（ａ）は、観測基板３０の一部を拡大した正面図である。図５（ｂ）は、観測基板３０の断面（Ｘ−Ｘ方向断面図）を示した図である。観測基板３０の格子の１区画３２は、４×４ｍｍの正方形状であり、その中央が窪んで凹部３３を形成し、凹部は、２×２ｍｍの正方形状の平面で成形されている。凸部３４は、凹部３３の４辺に沿って土手状に存在する。
【００１８】
凹部３３は、セレクチィブエッチングにより形成され、その厚さ（凹部３３の平面部における観測基板３０の厚さｔ１）は、３〜１０数μｍに設定されている。なお、観測基板３０のシリコン酸化膜は、光の干渉現象を生じないように、エッチングによって除去されている。
【００１９】
また、凸部３４の頂上面３５には、凹部３３に向かって下る所定角（例えば、傾斜角５０°〜６０°）の傾斜面３６が形成されている。例えば、凹部３３の厚さｔ１が３μｍであるとき、傾斜面３６の傾斜角３７は５４°に設定される。
【００２０】
以上、本発明の一実施形態が適用された観測装置１００の構成について説明した。
【００２１】
上記観測装置１００の円筒部１０の開口方向から、周囲の光が侵入しないように、観測基板３０を覗くと、図６に示すように、凹部３３および凸部３４の間の傾斜面３６に緑色または紫色の着色光３８を確認することができる。通常の視力であれば、肉眼で観察可能である。
【００２２】
また、太陽ニュートリノといった素粒子・宇宙線の影響を観測する目的の場合は、当該素粒子・宇宙線が降り注ぐ方向（太陽の方向）に、観測基板３０を向けて、円筒部１０から観測基板３０を覗き込むことで、凹部３３および凸部３４の間の傾斜面３６に、緑色や紫色の着色光３８を観察することができる。
【００２３】
このように、本実施形態における観察装置１００によれば、低コストかつ簡易な方法で素粒子や宇宙線が引き起こす物理現象を観測することができる。
【００２４】
ここで、本実施形態の観測装置１００の原理について説明する。
【００２５】
現在、素粒子・宇宙線を観測する装置としてカミオカンデが知られている。カミオカンデは、電子ニュートリノ、μニュートリノ、τニュートリノといった素粒子が光速で水分子と衝突した際に発生する微小な光を検出する装置である。ニュートリノが水分子に光速で衝突すると、水分子中の電子や陽子を光速ではじき飛ばす。このとき、円錐状に広がるチェレンコフ光と呼ばれる光が発生する。カミオカンデは、このようなチェレンコフ光を検出している。
【００２６】
本発明の観測装置でも、荷電粒子がシリコン原子の作る電界中を走るときに分極を生じ、これが解除されるときに発生するチェレンコフ光を観測しているものと推測される。
【００２７】
荷電粒子が透明な媒質中高速度Ｃを超える条件は、一般に媒質の屈折率をｎとして、荷電粒子速度をｖとすると、ｖ＞Ｃ／ｎを満たす。ここで、Ｃは真空中の光速度である。シリコンの屈折率（ｎ＝３．４４８）であり、可視光はシリコン中でかなり吸収されるが、１０数μｍの厚さでは、比較的透過していることが知られる。なお、この条件での光速度は、媒質中でＣ／３．４４８となり、真空中の光速度の約２９％である。
【００２８】
太陽からの宇宙線を考えると容易にこの条件を満たしているので、チェレンコフ光の発光が推測されると考えられる。観測装置に使用するシリコン結晶基板は、例えば、＜１００＞面に４×４ｍｍの大きさで中央部に２×２ｍｍの正方形の部分をセレクティブエッチングにより３〜５０μｍまでの厚さ（基板の厚さｔ１）にしている。この試料に電子ニュートリノ、μニュートリノ、τニュートリノを多量に含む太陽光を当てたならば、媒質中に放射角θ（ｃｏｓθ＝１／ｎβ）の光が発光する（βは、物質中で発光したチェレンコフ光の速度／荷電粒子の速度で表される。また、媒体中で発光したチェレンコフ光の速度は、Ｃ／ｎで表される。）
【００２９】
これは、θが約７３度の波面の方向で円錐状に進むチェレンコフ光であり、シリコン中をある程度透過して進み、透過光は（多少吸収されるものの）、空気中に現れる。この光は加工されたシリコン壁においてスネルの法則に従って反射し上方向に進み、可視光として観測することができる。
【００３０】
図７を用いて説明する。なお、前述と同一の箇所には同一の符号を附して説明を省略する。同図に示すように、観測窓２１を通じて観測基板３０に達したニュートリノ５０は観測基板３０を透過する。ここで、ニュートリノ５０は、シリコン基板３１内で屈折（屈折率ｎ＝３．４４８）し、放射角ｔ２＝１７°（cosθ＝７３°）の波面で円錐状に進んでいく。このとき、ニュートリノ５０の衝突による可視光５１（チェレンコフ光）はシリコン基板３１内でかなり吸収されるが、１０数μｍの厚みに形成されているシリコン基板３１に対しては、比較的透過する。
【００３１】
このように、シリコン基板３１内で吸収されず、透過して進んだチェレンコフ光５１は、やがて空気中に現れる。この光は、凹部３３と凸部３４との間に形成された傾斜面３６においてスネルの法則に従って反射する。その結果、傾斜面３６で反射したチェレンコフ光５１が可視光５２として視認できているものと考えられる。また、可視光５２が緑色や紫色である理由としては、人間の目の視感度が高い色が緑色や青色であるためと考えられる。
【００３２】
以上、本発明が適用された観測装置１００の構成とその原理について説明した。
【００３３】
なお、上記実施形態では、観測基板の材料として単結晶シリコンを用いたが、アモルファスシリコンなど、単結晶でなくても加工形状によっては、同様の効果が得られると考えられる。また、シリコンでなくても、屈折率の高い材料であれば良く、ゲルマニウムなどを用いることもできる。
【００３４】
図７において、上記シリコン基板３１をゲルマニウム基板に置き換えた場合、ニュートリノ５０は、ゲルマニウム基板内で屈折（屈折率ｎ＝４．０９２）し、放射角ｔ２＝１４．５°（ｃｏｓθ＝７５．５°）の波面で円錐状に進んでいく。このとき、ニュートリノ５０の衝突による可視光５１（チェレンコフ光）はゲルマニウム基板内でかなり吸収されるが、１０数μｍの厚みに形成されているゲルマニウム基板に対しては、比較的透過する。
【００３５】
このように、シリコン基板３１をゲルマニウム基板で代用しても、スネルの法則に従って傾斜面３６において反射するチェレンコフ光５１が可視光として視認できるものと考えられる。
【００３６】
［実施例］
次に、本発明をより詳細に説明するため、実施例について説明する。ただし、本発明は、かかる実施例に限定されるものではない。
【００３７】
実施例では、上記の実施形態で説明した観測装置を作成した。観測基板には、シリコン単結晶ウエハ基板を用い、シリコン結晶の＜１００＞面に４×４ｍｍ四方の凸部と、凸部に隔てられる２×２ｍｍ四方の凹部と、を形成した。凹部の厚みは３μｍに設定した。また、凹部と凸部との間に形成される傾斜面の傾斜角を５４°に設定した。そして、このような観測基板を背面板の観測窓上に配置し、円筒部の一方の開口から観測基板を観察した。その結果、上記で考察したように、観測基板の傾斜面に緑色または紫色の着色光を確認することができた。したがって、この実験は推測通りの結果を導き出した。
【符号の説明】
【００３８】
１００・・・観測装置、１０・・・円筒部、２０・・・背面板
３０・・・観測基板
【図１】
2011180069.tif 000003
【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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【図７】
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