(57)【要約】【課題】ジュール熱によるＴＥＳ内部の温度分布を抑え、ノイズの発生を減らすことによりエネルギー分解能を向上した超伝導放射線検出器の提供。【解決手段】Ｘ線を吸収する吸収体と、吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、吸収体と温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、温度計下部に温度計を昇温させるためのヒーターをメンブレン上に設ける。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を吸収する吸収体と、前記吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、前記吸収体と前記温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンからなる超伝導放射線検出器において、
前記温度計下部に前記温度計を昇温させるためのヒーターが、前記メンブレン上に設けられていることを特徴とする超伝導放射線検出器。
【請求項２】
前記ヒーターの面積が前記温度計の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超伝導放射線検出器。
【請求項３】
Ｘ線を吸収する吸収体と、前記吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、前記吸収体と前記温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、
前記温度計下部に前記温度計より面積が大きい超伝導薄膜を設けることを特徴とする超伝導放射線検出器。
【請求項４】
前記超伝導薄膜と前記温度計との距離が１μｍ以内であることを特徴とする請求項３に記載の超伝導放射線検出器。
【請求項５】
前記超伝導薄膜の転移温度が、前記温度計の転移温度より５倍以上高いことを特徴とする請求項３に記載の超伝導放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超伝導転移端の急峻さを利用し、Ｘ線により発生する微小な熱を大きな信号電流に変換し、かつ自己電熱フィードバック機構を利用することにより高エネルギー分解能、高係数率の特徴をもつ超伝導放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
元素分析や不純物検査等で用いられる従来の半導体を利用した検出器のエネルギー分解能、計数率を上回る超伝導現象を利用した超伝導放射線検出器が注目されている。従来の半導体を用いた検出器として、Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  （ＥＤＳ）が知られており、広いエネルギー範囲を短時間で元素分析ができることが特徴である。しかしエネルギー分解能は、半導体がもつエネルギーギャップ幅に依存するために、１００ｅＶを下回ることは不可能である。このエネルギー分解能の性能を改善し、かつ高係数率の性能を併せ持つ検出器として超伝導マイクロカロリーメータが知られている。超伝導カロリーメータは、吸収体と温度計とメンブレンから構成され、温度計で発生するジュール熱とメンブレンを伝わり熱槽へ逃げる熱とバランスさせることにより、超伝導転移端内で動作点を保持される。この超伝導カロリーメータは、微小温度変化に対して、大きな抵抗変化を生じる超伝導転移端を利用することから、Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｅｄｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  （ＴＥＳ）と呼ばれる。ＴＥＳは定電圧で駆動される。Ｘ線がＴＥＳに照射されるとＴＥＳ内部の温度が微小に上昇する。その結果ＴＥＳの抵抗値が増加し、定電圧下のＴＥＳに流れる電流が減少する。ＴＥＳに入射したＸ線のエネルギー（Ｅ）と電流変化電流の減少高さ（ΔＩ）の関係は、式（１）で表される。
【０００３】
Ｅ＝ΔＩＶｎτｅｆｆ                （１）
ここでＶｎは動作電圧、τｅｆｆは電流パルスの時定数である。電流の減少高さを測定することにより、入射したＸ線のエネルギーを求めることができる。ＴＥＳの詳細な説明は、Ｋ．  Ｄ．  Ｉｒｗｉｎ，  Ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ６６，  １９８８  （１９９５）  （非特許文献１）に記載されている。現在報告されている最高のエネルギー分解能は、例えばＫ．  Ｄ．  Ｉｒｗｉｎ，  Ｎｕｃｌ．  Ｉｎｓｔｒ．  Ｍｅｔｈ．  Ａ  ４４４，  １８４  （２０００）（非特許文献２）で報告されている通り４．５ｅＶであり、半導体検出器の性能と比較すると２桁の性能向上に成功をしている。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｋ．  Ｄ．  Ｉｒｗｉｎ，  Ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ６６，  １９８８  （１９９５）
【０００５】
【非特許文献２】
Ｋ．  Ｄ．  Ｉｒｗｉｎ，  Ｎｕｃｌ．  Ｉｎｓｔｒ．  Ｍｅｔｈ．  Ａ  ４４４，  １８４  （２０００）  ２０００
【０００６】
【非特許文献２】
Ｍａｒｋ  Ａ．  Ｌｉｎｄｅｍａｎ，  Ｐｈ．Ｄ．  ｔｈｅｓｉｓ，  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  ａｔ  Ｄａｖｉｓ，  ２０００
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＥＳの動作点を超伝導転移端内に保持するために、ＴＥＳに流れる電流により発生するジュール熱が用いられる。ジュール熱はメンブレンを伝わり熱槽へ逃げる熱と熱バランスを保っている。熱槽の温度はＴＥＳの温度より十分小さい。そのため、ＴＥＳ中央付近に比べてＴＥＳの両端の温度は低くなり、ＴＥＳ内部に温度分布が生じる。温度分布が発生すると、ＴＥＳ内部で余剰なフォノンノイズが発生し、ＴＥＳのエネルギー分解能を劣化させる原因となる。
【０００８】
また、ＴＥＳの抵抗は温度だけでなく電流によっても変化することが報告されている。例えば参考文献としてＭａｒｋ  Ａ．  Ｌｉｎｄｅｍａｎ，  Ｐｈ．Ｄ．  ｔｈｅｓｉｓ，  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  ａｔ  Ｄａｖｉｓ，  ２０００（非特許文献３）がある。この効果はβパラメータで表され、
β＝ｄｌｎＲ／ｄｌｎＩ
である。電流が大きくなると、ＴＥＳに加わる磁場が大きくなり、ＴＥＳ中のクーパー対を破壊する効果をもたらす。その結果、電流増加とともに抵抗が大きくなる。先にも述べたがＴＥＳにＸ線が照射されると抵抗値が増加し、ＴＥＳに流れる電流が減少する。しかし、上式のβ項は電流減少により、抵抗値を小さくする効果が働く。その結果、本来Ｘ線吸収により得られる抵抗変化は、
α＝ｄｌｎＲ／ｄｌｎＴ
であるが、β項のために感度が、
α´＝（ｄｌｎ（Ｒ−ΔＲ）／ｄｌｎＴ）
へと減少する問題が生じていた。なお、ΔＲはβにより生ずる抵抗減少量である。
【０００９】
そこで本発明は、ＴＥＳを用いた超伝導放射線検出器において、ジュール熱によるＴＥＳ内部の温度分布を抑え、ノイズの発生を減らすことによりエネルギー分解能を向上すことを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、Ｘ線を吸収する吸収体と、Ｘ線吸収に伴い吸収体内部で発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、吸収体と温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、温度計下部に温度計を昇温させるためのヒーターがあり、温度計とヒーターはメンブレン上に設けられている超伝導放射線検出器を用いた。ヒーターでＴＥＳの温度を超伝導転移端まで昇温させる結果、ＴＥＳにバイアス電流を流すことなくＴＥＳは常伝導と超伝導の中間状態に保持することが可能である。Ｘ線を検出する時は、ジュール熱がＴＥＳ内部で発生しないように、ＴＥＳに微小電圧を加える。ＴＥＳはＥｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ｆｅｅｄｂａｃｋ状態になり、Ｘ線が照射されると電流パルスを発生させる。パルスの波高値を測定することにより、照射されたＸ線のエネルギーを求めることができる。ＴＥＳの温度はヒーターにより均一になり、従来問題となっていたジュール熱によるＴＥＳ内部の温度分布を抑えることがでる。その結果、ＴＥＳに発生するノイズを減らすことができ、エネルギー分解能の向上を行うことができる。特にＴＥＳの面積よりヒーターの面積を大きくすることで、均一性を向上させることができる。
【００１１】
また、Ｘ線を吸収する吸収体と、吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、吸収体と前記温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、温度計下部に温度計より面積が大きい超伝導薄膜を設けた超伝導放射線検出器を用いた。超伝導薄膜はグランドプレーンとしての機能をもち、電流を流す配線のインダクタンスを減らす効果がある。グランドプレーンがあると、鏡像効果によりＴＥＳとグランドプレーンとの間の磁場はＴＥＳと平行になり、ＴＥＳ内部に磁場が侵入しない。特に温度計とグランドプレーンの距離が１μｍ以内である場合、効果的に機能する。グランドプレーンがない場合は、ＴＥＳがつくる磁場がＴＥＳ自身に侵入し、ＴＥＳ内部のクーパー対を破壊して抵抗を変化させていた。グランドプレーンにより、ＴＥＳ自身がつくる磁場がＴＥＳに侵入しないため、電流変化が起きても抵抗変化はしない。すなわちβ項が０となり、感度α’がαとなり感度の劣化を防ぐことができる。その結果、ＴＥＳのエネルギー分解能を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる高エネルギー分解能を有する放射線を実現するために、ヒーターを用いてノイズを低減する手段を用いた放射線検出器と、超伝導薄膜を用いてノイズを低減する手段を用いた放射線検出器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
（実施例１）
図１は、Ｘ線を吸収する吸収体と、吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、吸収体と温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、温度計下部に温度計を昇温させるためのヒーターが、メンブレン上に設けられている本発明の超伝導放射線検出器の模式図である。図２は図１に記載されているＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【００１４】
ＥＳ１から熱槽へ逃げる熱量を制御するためのメンブレン２上にＴＥＳ１を昇温させるためのヒーター３が設けられている。メンブレン２は基板１５の一部をエッチングすることにより作製される。ヒーター３と温度計４を電気的に絶縁するための絶縁膜５が設けられている。温度計４上にはＸ線を吸収するための吸収体６が設けられており、かつ温度計４には超伝導体からなる配線Ａ７が取り付けられており、ヒーター３にも同様に超伝導配線Ｂ８が設けられている。吸収体６はＸ線吸収効率が高い材料として、例えば金を用いることができる。また、吸収効率は低いが、熱容量が小さいビスマスや超伝導材料を用いることができる。温度計４は超伝導体が用いられ、ＴＥＳ１の動作温度は用いる超伝導体の転移温度で決定される。ここで転移温度とは、常伝導から超伝導へ状態が変化する温度を示す。ＴＥＳ１固有のノイズを小さくするためには転移温度をできるだけ小さくしたほうがよい。ＴＥＳを冷却する冷凍機の性能から、動作温度は約１００ｍＫ〜５００ｍＫ程度まで下げることが可能である。転移温度を１００ｍＫ近傍にするために、超伝導体は例えば金とチタンの２層構造体、また金とモリブデンの２層構造体を用いることができる。メンブレン２は、マイクロマシン技術を用いて、メンブレン２下部のシリコンをエッチングすることにより作製することができる。メンブレンの材料として、例えば窒化シリコン膜、２酸化シリコン膜を用いることができ、厚みは１ｕｍ以内がよい。配線Ａ７と配線Ｂ８は、超伝導体であれば問題はない。ヒーター３は常伝導体である必要があり、例えば金の膜を用いることができる。特にヒーター３の大きさを温度計４より大きくすることにより、温度計の温度はより均一となる。
【００１５】
次に動作について説明する。ＴＥＳ１を定電圧で駆動させるために、並列な位置にＴＥＳの抵抗より十分値が小さい抵抗（シャント抵抗９）を設ける。またＴＥＳ１で発生した微小電流変化を検出するために超伝導量子干渉素子を用いたＳＱＵＩＤアンプ１０をＴＥＳ１と直列に配置する。ＴＥＳ１とＳＱＵＩＤアンプの間は抵抗を無くすために、超伝導線により接続される。ＴＥＳ１を冷却するために冷凍機が用いられるが、例えば断消磁型冷凍機や希釈冷凍機は１００ｍＫ以下まで、３Ｈｅ減圧式冷凍機は３５０ｍＫ以下まで冷却することができる。例えば希釈冷凍機を用いた場合の配線図を図３に示す。ＴＥＳ１とシャント抵抗９は最も冷却される低温ステージＡに配置され、ＳＱＵＩＤアンプ１０は低温ステージＢに配置される。また、ヒーター３に電流を流す超伝導配線Ｂ８は低温ステージＡに取り付けられた超伝導線と超伝導接続される。ＳＱＵＩＤアンプ１０は低温ステージＡに熱的負荷により温度上昇が発生しない場合、低温ステージＡに配置することも可能である。上記結線が終了した後、低温ステージＡと低温ステージＢが所定の温度まで冷却される。この状態でＴＥＳ１に例えば数μＡの電流を流す。ＴＥＳ１は超伝導状態であるため、電流源から流した電流はすべてＴＥＳ１に流れる。低温ステージＡの温度が安定した後、ヒーター３に電流を流し、ＴＥＳ１が常伝導と超伝導の中間状態になるように温度を昇温させる。中間状態は、電流源１３から流れる電流が、シャント抵抗９の抵抗値とＴＥＳ１の抵抗値の抵抗比に応じて分岐されるため、ＴＥＳ１に流れる電流が減少することで確認できる。中間状態に保持した状態で例えばＸ線を照射させると、ＴＥＳ１の抵抗値が減少し、定電圧状態にあるＴＥＳ１に流れる電流が減少し、電流パルスが発生する。この電流パルスの波高値を測定することにより、入射したＸ線のエネルギーを求めることができる。ヒーター３によりＴＥＳ１は均一に昇温されているため、ＴＥＳ１内部に温度分布は生じていない。特に、ヒーター３の面積をＴＥＳ１より大きくすることにより、温度均一性をあげることができる。そのためＴＥＳ１内部の温度むらによるｔｈｅｒｍａｌ  ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ  ｎｏｉｓｅは発生せず、ｅｘｃｅｓｓ  ｎｏｉｓｅは発生しない。その結果、超伝導放射線検出器のエネルギー分解能向上をはかることができた。
【００１６】
（実施例２）
図４は、Ｘ線を吸収する吸収体と、吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、吸収体と前記温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、温度計下部に温度計より面積が大きい超伝導薄膜を設けた本発明の超伝導放射線検出器の模式図である。図５は図４に記載されているＡ−Ａ´に沿った断面図である。
【００１７】
ＴＥＳ２１は熱槽へ逃げる熱量を制御するためのメンブレン２２と、メンブレン２２上に温度を計測するための温度計２３と、Ｘ線を吸収して熱を発生させる吸収体２４から構成される。メンブレン２２は基板３０の一部をエッチングすることにより作製される。メンブレン２２と温度計２３の間には、グランドプレーンとなる超伝導薄膜２５と絶縁膜２６が設けられている。温度計２３には超伝導体からなる配線Ｃ２７が取り付けられている。吸収体２４はＸ線吸収効率が高い材料として、例えば金を用いることができる。また、吸収効率は低いが、熱容量が小さいビスマスや超伝導材料を用いることができる。温度計２３は超伝導体が用いられ、ＴＥＳ２１の動作温度は用いる超伝導体の転移温度で決定される。ここで転移温度とは、常伝導から超伝導へ状態が変化する温度を示す。ＴＥＳ２１固有のノイズを小さくするためには転移温度をできるだけ小さくしたほうがよい。ＴＥＳを冷却する冷凍機の性能から、動作温度は約１００ｍＫ〜５００ｍＫ程度まで下げることが可能である。転移温度を１００ｍＫ近傍にするために、超伝導体は例えば金とチタンの２層構造体、また金とモリブデンの２層構造体を用いることができる。メンブレン２２は、マイクロマシン技術を用いて、メンブレン２２下部のシリコンをエッチングすることにより作製することができる。メンブレンの材料として、例えば窒化シリコン膜、２酸化シリコン膜を用いることができ、厚みは１μｍ以内がよい。配線Ｃ２７は、超伝導体であれば問題はない。超伝導薄膜２５がグランドプレーンとして機能するためには、超伝導薄膜２５と温度計２３の距離が１μｍ以内であることが望ましい。超伝導薄膜２５として用いる材料は、特に超伝導薄膜２５の転移温度が温度計２３の転移温度より５倍以上高い方がよい。超伝導薄膜２５の転移温度が５倍以上であると、温度計２３の超伝導転移温度近傍において、超伝導薄膜２５の熱伝導はフォノンが支配的となる。そのため図５に示すようにメンブレン２２と同じ形に超伝導薄膜２５を作製した場合、メンブレン２２の熱伝導度は大きくならない。超伝導薄膜２５の形状をメンブレン２２と同じ形状にすることにより、図５に示す超伝導薄膜２５による段差がなくなり、配線Ｃ２７への膜ストレスを低下させることができる。
【００１８】
次に動作について説明する。ＴＥＳ２１電圧で駆動させるために、並列な位置にＴＥＳの抵抗より十分値が小さい抵抗（シャント抵抗２８）を設ける。またＴＥＳ１で発生した微小電流変化を検出するために超伝導量子干渉素子を用いたＳＱＵＩＤアンプ２９をＴＥＳ２１と直列に配置する。ＴＥＳ２１とＳＱＵＩＤアンプの間は抵抗を無くすために、超伝導線により接続される。ＴＥＳ２１を冷却するために冷凍機が用いられるが、例えば断消磁型冷凍機や希釈冷凍機は１００ｍＫ以下まで、３Ｈｅ減圧式冷凍機は３５０ｍＫ以下まで冷却することができる。例えば希釈冷凍機を用いた場合の配線図を図６に示す。ＴＥＳ２１とシャント抵抗２８は最も冷却される低温ステージＥに配置され、ＳＱＵＩＤアンプ２９は低温ステージＦに配置される。ＳＱＵＩＤアンプ２９は低温ステージＥ３０に熱的負荷により温度上昇が発生しない場合、低温ステージＥに配置することも可能である。上記結線が終了した後、低温ステージＥと低温ステージＦが所定の温度まで冷却される。冷却するときにＴＥＳ２１が超伝導に戻らない程度に発熱させておいた方がよく、例えばＴＥＳ２１の抵抗値が０．１Ω、メンブレンの熱伝導度が１ｎＷ／Ｋ、ＴＥＳ２１の転移温度が１００ｍＫ、熱槽の温度が５０ｍＫである場合、１００μＡ以上の電流を流せばよい。低温ステージＥの温度が十分安定した後、ＴＥＳ２１に流す電流を減少させる。ＴＥＳ２１で発生するジュール熱とメンブレンを伝わる熱がバランスされると、ＴＥＳ２１の温度が超伝導転移端内に入り、Ｘ線が照射されると、ＴＥＳ２１は電流パルスを発生する。超伝導薄膜２５がない場合、ＴＥＳ２１に流れる電流は磁場を発生させ、その磁場は温度計２３に侵入し、温度計２３内部にあるクーパー対を破壊していた。しかし超伝導薄膜２５が温度計下部に設けられていることにより、温度計２３自身がつくる磁場が、超伝導薄膜２５による鏡像効果により温度計２３に侵入しないため、電流変化が起きても抵抗変化はしない。すなわちβ項が０となり、感度α’がαとなり感度の劣化を防ぐことができた。その結果、ＴＥＳのエネルギー分解能を向上させることができた。その結果、超伝導放射線検出器のエネルギー分解能向上をはかることができた。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、Ｘ線を吸収する吸収体と、吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、吸収体と温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、温度計下部にヒーターを設ける超伝導放射線検出器を用いた。ＴＥＳの温度はヒーターにより均一になり、従来問題となっていたジュール熱によるＴＥＳ内部の温度分布を抑えることができた。その結果、ＴＥＳに発生するノイズを減らすことができ、エネルギー分解能の向上を行うことができた。特にＴＥＳの面積よりヒーターの面積を大きくすることで、均一性を向上させることができた。
【００２０】
また、Ｘ線を吸収する吸収体と、吸収体により発生する熱により抵抗値を変化させ、定電圧下において電流パルスを発生させる温度計と、吸収体と前記温度計で発生した熱が熱槽へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンから構成される超伝導放射線検出器において、温度計下部に温度計より面積が大きい超伝導薄膜を設けた超伝導放射線検出器を用いた。超伝導薄膜により、温度計自身がつくる磁場が温度計に侵入しないため、電流変化が起きても抵抗変化はしない。すなわちβ項が０となり、感度α’がαとなり感度の劣化を防ぐことができた。その結果、ＴＥＳのエネルギー分解能を向上させることができた。
【００２１】
また言うまでもないが、温度計を昇温させるヒーターと、ＴＥＳに流れる電流により発生する磁場をＴＥＳに侵入させないために設けられる超伝導薄膜はメンブレン上に同時に形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に関わる超伝導放射線検出器を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１に関わる超伝導放射線検出器を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例１に関わる等価回路を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例２に関わる超伝導放射線検出器を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例２に関わる超伝導放射線検出器を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例２に関わる等価回路を示す概略図である。
【符号の説明】
１  ＴＥＳ                    ２１  ＴＥＳ
２  メンブレン                ２２  メンブレン
３  ヒーター                  ２３  温度計
４  温度計                    ２４  吸収体
５  絶縁膜                    ２５  超伝導薄膜
６  吸収体                    ２６  絶縁膜
７  配線Ａ                    ２７  配線Ｃ
８  配線Ｂ                    ２８  シャント抵抗
９  シャント抵抗              ２９  ＳＱＵＩＤアンプ
１０  ＳＱＵＩＤアンプ        ３０  基板
１５  基板
【図１】
2004226147.tif 000003
【図２】
2004226147.tif 000004
【図３】
2004226147.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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