(57)【要約】【課題】吸収体にのみＸ線照射領域を限定し、高計数率を実現する超伝導放射線検出器を提供すること。【解決手段】Ｘ線を吸収する吸収体３と、吸収体３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４と、吸収体３と温度計４で発生した熱が基板１へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレン２から構成される超伝導放射線検出器において、開口面積が吸収体３より小さいコリメータ５が基板１に備えられる構成とした。【選択図】    図１
2005003411.tif 000002
【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、前記吸収体と前記温度計で発生した熱が基板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、
前記吸収体よりも小さい開口面積を有するコリメータが前記基板に備えられたことを特徴とする超伝導放射線検出器。
【請求項２】
前記コリメータの材質はシリコンであることを特徴とする請求項１記載の超伝導放射線検出器。
【請求項３】
前記コリメータには、開口部を覆う膜が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導放射線検出器。
【請求項４】
前記開口部を覆う膜は、ベリリウム、パリレン、ポリイミド、シリコンナイトライド、ボロンナイトライド、ポリカーボネイド、マイラー、テフロン、カーボンのいずれかからな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】
前記開口部を覆う膜の上には、金属膜がコーティングされてい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６】
前記金属膜は、ベリリウムまたはアルミニウムからなることを特徴とする請求項５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】
この発明は０．１Ｋ以下の温度で動作する超伝導放射線検出器に関するものであり、効率よくＸ線を超伝導放射線検出器に吸収させる、また熱的な安定を保持し感度の劣化を防ぎ超伝導放射線検出器を動作させるための手段に関する。
【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、Ｅ  ｎｅｒｇｙ  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期待されている。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ヒートシンク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。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。以後ＴＥＳと呼ぶ。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）で報告されているように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）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
超伝導放射線検出器は、先に述べたようにＸ線を吸収するための吸収体が設けられている。吸収体以外の場所でＸ線が吸収されるパルスと、Ｘ線を吸収体で吸収したとき発生するパルスと波形が異なるパルスが得られる。そのため、吸収体にのみＸ線を吸収させるためにコリメータが利用される。従来のコリメータは主に金属体でできており、直径も数ミリメートル、コリメータと放射線検出器間も１ｍｍ以上の隙間があった。また、コリメータは従来単なる開口であったが、超伝導放射線検出器はＸ線以外に外部から混入される微小な熱に対しても敏感に反応する性質があるため、外部からの熱侵入を十分防ぐ必要があった。
【０００７】
そこで本発明は、吸収体にのみＸ線照射領域を限定し、高計数率を実現する超伝導放射線検出器を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような問題点を解決するために、本発明では、Ｘ線の吸収する吸収体と、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基板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、吸収体にのみＸ線照射領域を限定するための開口面積が吸収体よりも小さいコリメータが前記基板に取り付けられた構成とした。この構成とすることにより、Ｘ線照射領域を吸収体のみに限定することができるようなる。
【０００９】
また前記コリメータの材質をシリコンとした。この構成とすることにより、マイクロマシン技術を用いて加工することができ、小型のコリメータの作製が容易かつ大量にできるようになる。
【００１０】
さらに本発明では、コリメータの厚みを５００μｍ以下とした。これにより、超伝導放射線検出器の吸収体面積が数百μｍ程度であった場合、従来のコリメータ（隙間１ｍｍ）より立体角を大きくすることができ、Ｘ線の吸収効率も大きくなる。
【００１１】
また本発明では、コリメータの開口にベリリウム、パリレン、ポリイミド、シリコンナイトライド、ボロンナイトライド、ポリカーボネイド、マイラー、テフロン、カーボンのいずれかからなる膜を設けた構成とした。この構成とすることにより、上記材料が基板の温度にまで冷却され、開口の中心近傍温度は基板の温度となり、外部からの輻射熱により超伝導放射線検出器が暖められ、超伝導放射線検出器の感度劣化を防ぐことができる。とくに絶縁体であるパリレン、ポリイミド、シリコンナイトライド、ボロンナイトライド、ポリカーボネイド、マイラー、テフロン、カーボンからなる膜に金属膜をコーティングすることにより、さらに開口の中心近傍温度は基板の温度と近くなる。この金属膜材料として要求されることは、軽元素かつ常伝導体であることから、０．１Ｋ以上ではアルミニウム、０．１Ｋ以下ではベリリウムが最適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる高計数率を有する超伝導放射線を実現するために、吸収体にのみＸ線照射領域を限定するため、開口サイズが吸収体より開口面積が小さいコリメータが基板に取り付けられている超伝導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線の吸収する吸収体と、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基板へ逃げる熱流量を制御するためのメンブレンが熱構成される超伝導放射線検出器において、吸収体にのみＸ線照射領域を限定するため、開口サイズが吸収体より開口面積が小さいコリメータが基板に取り付けられており、コリメータの材質がシリコンである超伝導放射線検出器の断面図である。基板１に絶縁膜２であるシリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜が積層されており、絶縁膜２上にはＸ線を吸収するための吸収体３とＸ線の吸収により発生した温度変化を検知するための温度計４が設けられている。基板１には、吸収体３にのみＸ線を照射させるための開口４を有するコリメータ５が設けられている。絶縁膜２は、マイクロマシン技術で用いられる異方性エッチングにより作製されるため、基板１はシリコンやＳＯＩ基板が用いられる。吸収体３は金属体、半金属、超伝導体などが用いられ、金属体ではＸ線の吸収効率が高い点、導電率が大きく、Ｘ線吸収にともない生ずる活性電子を早く温度計に拡散できる点から金が用いられる。温度計４は超伝導体が用いられ、超伝導に特有な現象である超伝導転移端（常伝導から超伝導へ転移する領域）で動作させられる。超伝導転移端は、微小な温度変化に対して大きな抵抗変化（例えば常伝導の抵抗が１００ｍΩである場合、０．１ｍＫの温度変化に対して１０ｍΩの抵抗変化が可能）が得られる。常時温度計４には電流が流れており、温度計４で発生するジュール熱と絶縁膜２を伝わり、温度計４から基板１へと逃げる熱が釣り合い、超伝導転移端内で動作点を維持することが可能である。
【００１４】
Ｘ線を照射する領域を制限するためにコリメータは用いられているが、従来は基板１に設置されてはおらず、そのため開口６と吸収体３の距離は少なくとも１ｍｍ以上離れていた。コリメータをマイクロマシン技術で利用されるシリコン加工により作成すると、１）開口と吸収体３の距離が０．５ｍｍ以下にすることが可能となる、２）ウエハー内に大量に作製することが可能であるため、量産コストも低減できる、３）開口６の大きさを吸収体３の大きさと同程度にすることができ、効率よく吸収体３にのみＸ線を照射することが可能である。基板１に取り付けられるものではなく、コリメータ５には開口６が設けられており、Ｘ線は開口６を通り吸収体３に照射される。開口６の大きさを（開口の形状を正方形と仮定）Ｄ１、吸収体３と開口６の距離をｈ１、Ｘ線源を点光源とし光源と開口の距離をｈ２、吸収体３の大きさをＤ２とした場合、
Ｄ１＜ｈ１×Ｄ２／（ｈ１＋ｈ２）
が成り立つ。ｈ２は３０−４０ｍｍ程度であり、ｈ１はシリコンウエハーの厚み分として０．５ｍｍとした場合、おおよそＤ１＝０．０１×Ｄ２となる。そのため、吸収体３と開口６の大きさは、ほぼ同程度としてよい。
【００１５】
コリメータ５の作製方法は例えば次の工程により得ることができる。例えば３００μｍの両面研磨シリコンウエハーを用いた場合、表面と裏面にシリコン酸化膜を成膜する。各面のシリコン酸化膜をフォトリソ技術によりパターニングを行う。シリコン酸化膜をマスクとし、表面からＤｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  （ＤＲＩＥ）を用いて、約１５０ｍｍエッチングを行う。その後裏面のからもエッチングを行う。必要に応じてシリコン酸化膜を除去する。
【００１６】
（実施例２）
超伝導放射線検出器は、敏感なセンサーであるためＸ線以外の熱源が混入すると、センサーが反応し、センサーの動作点が変化する。動作点が変化すると、感度が変わるため、同じエネルギーのＸ線を検出しても、パルスの波高値が変わり、エネルギー分解能が劣化する原因となる。この問題を解決するために、図２で示す通り、本発明ではコリメータ３の表面に窓膜７を設けた。この窓膜７に要求されることは、１）超伝導放射線検出器を完全に極低温の壁で囲み、外部から侵入する熱を防ぐ、２）Ｘ線は吸収体３で効率よく吸収させるため、なるべくＸ線が透過しやすい材料がよいの２点である。Ｘ線が透過しやすい材料は軽元素であり、ベリリウムやカーボン系の材料が適している。そこで本発明では、ベリリウム、パリレン、ポリイミド、シリコンナイトライド、ボロンナイトライド、ポリカーボネイド、マイラー、テフロン、カーボンのいずれかの膜を窓膜７として取り付けた。
【００１７】
（実施例３）
本発明では、開口６の温度分布を基板とほぼ同一にするために、図３に示す通り、窓膜７の上に金属膜８をコーティングした。通常金属は、Ｘ線の吸収効率がカーボン系よりも大きいため、金属膜８の材料としてはなるべく軽元素であり、かつ導伝率のよい材料を選ぶことが重要である。金属膜８に適した材料としては、例えばアルミニウムがあり、１００ｎｍ程度でバルクの値に近い電気抵抗を得ることができる。ただし、０．１Ｋ以下ではアルミニウムは超伝導体となり、熱伝導度は急激に低下する。超伝導放射線検出器の動作温度は用いる冷凍機の到達温度に依存するが、希釈冷凍機や断熱消磁冷凍機を用いた場合は約５０ｍＫである。
【００１８】
また、軽元素であるベリリウムの転移温度は２６ｍＫであり、上記温度より高い温度領域では常伝導状態である。そのため０．１Ｋ以下で超伝導放射線検出器を動作させる場合、金属膜８としてはベリリウムが最適である。
【００１９】
図４は、ベリリウムの厚みが１００ｎｍであるときのＸ線透過特性図である。１ｋｅＶ以上の入射エネルギーに対してほぼ１００％の透過率、０．５ｋｅＶの入射エネルギーに対しても９２％と高い透過率であることがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、Ｘ線の吸収する吸収体と、吸収体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、前記吸収体と前記温度計で発生した熱が基板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、開口面積が吸収体より小さいコリメータが基板に取り付けられている構成とした。その結果、吸収体にのみＸ線照射領域を限定することが可能となったため、Ｘ線以外の外部からの熱侵入を十分防ぐことができた。
【００２１】
また、コリメータの材質をシリコンとすることにより、マイクロマシン技術を応用して作製できるため小型化が可能となり、直接基板に取り付けることができるようになる。そのため、従来では１ｍｍ以上であったコリメータの開口とＸ線を吸収する吸収体の距離を５００μｍ以下にすることができた。その結果、従来の技術より立体角を大きくすることができ、Ｘ線の吸収効率を大きくすることが可能となった。
【００２２】
また、コリメータの開口にベリリウム、パリレン、ポリイミド、シリコンナイトライド、ボロンナイトライド、ポリカーボネイド、マイラー、テフロン、カーボンのいずれかからなる膜を設けた構成としたことにより、開口を通して外部から侵入する熱輻射により生ずる温度計の動作点変化を抑制することができた。その結果温度計の動作点が安定となり、高エネルギー分解能化を実現することが可能となった。
【００２３】
また、コリメータの開口部に設けられた膜に１００ｎｍ以下の金属膜をコーティングすることにより、熱伝導率が高い金属膜をコーティングされることになり、開口温度を基板と同じ温度とすることが可能になるため、開口からの輻射熱を低下させることができ、感度劣化を防ぐことができる。とくにベリリウムは５０ｍＫ以上では常伝導状態にあるために、熱伝導率も高く効果的である。
【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２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３に関わる超伝導放射線検出器を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１に関わるＸ線の透過特性を示す概略図である。
【符号の説明】
１  基板
２  絶縁膜
３  吸収体
４  温度計
５  コリメータ
６  開口
７  窓膜
８  金属膜
【図１】
2005003411.tif 000003
【図２】
2005003411.tif 000004
【図３】
2005003411.tif 000005
【図４】
2005003411.tif 000006