(57)【要約】【課題】  超伝導Ｘ線検出器と、低温初段増幅器と、センサーホルダとからなる超伝導Ｘ線検出装置の先端部分において、該検出器の出力が外乱ノイズの影響を極力受けない構造とし、かつ、配線の接続が容易に実施できる超伝導Ｘ線検出装置およびそれを用いた超伝導X線分析装置を提供する。【解決手段】  超伝導Ｘ線検出器を低温初段増幅器の上に立体的に実装する積層構造としたものである。【選択図】    図１
2005214792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機と、冷凍機によって冷却される冷却ヘッドと、冷却ヘッドの先端部分に固定された超伝導Ｘ線検出器とセンサーホルダと低温初段増幅器からなる超伝導Ｘ線検出装置において、
前記センサーホルダに前記低温初段増幅器を取り付け、前記超伝導Ｘ線検出器を前記低温初段増幅器の上に重ねて装着した事を特徴とする超伝導Ｘ線検出装置。
【請求項２】
前記センサーホルダと前記低温初段増幅器との間に超伝導部材を挿入したことを特徴とする請求項１記載の超伝導Ｘ線検出装置。
【請求項３】
前記超伝導Ｘ線検出器と前記低温初段増幅器との間に超伝導部材を挿入したことを特徴とする請求項１記載の超伝導Ｘ線検出装置。
【請求項４】
前記超伝導部材が超伝導箔であることを特徴とする請求項２又は３の超伝導Ｘ線検出装置。  
【請求項５】
冷凍機と、冷凍機によって冷却される冷却ヘッドと、冷却ヘッド先端部に固定された超伝導X線検出器とセンサーホルダと低温初段増幅器からなり、電子線を照射されたサンプルから発生するＸ線を検出し分析する超伝導Ｘ線分析装置において、
冷却ヘッド先端部に固定されたセンサーホルダに前記低温初段増幅器を取り付け、前記超伝導Ｘ線検出器を前記低温初段増幅器の上に重ねて装着した事を特徴とする超伝導Ｘ線分析装置。
【請求項６】
前記センサーホルダと前記低温初段増幅器との間に超伝導部材を挿入したことを特徴とする請求項５記載の超伝導Ｘ線分析装置。
【請求項７】
前記超伝導Ｘ線検出器と前記低温初段増幅器との間に超伝導部材を挿入したことを特徴とする請求項５記載の超伝導Ｘ線分析装置。
【請求項８】
前記超伝導部材が超伝導箔であることを特徴とする請求項６又は７の超伝導Ｘ線分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導X線分析装置に関し、特に超伝導材料を用いて作製される高感度Ｘ線検出器と、該検出器から出力される微小信号を増幅するための低温初段増幅器の実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近に至り、ＴＥＳ（Transition Edge Sensor）やＳＴＪ（Superconducting Tunnel Junction）と称される超伝導Ｘ線検出器が開発されている。超伝導Ｘ線検出器は、従来のＸ線検出器に比べ、高感度、かつ、高いエネルギー分解能を有する事から、現在、さまざまな用途に対応するためのシステム化研究が行われている。上記超伝導Ｘ線検出器は共に超伝導を応用した素子であるため、駆動するには低温に冷却する必要がある。より低温で駆動させた方が熱ノイズの影響が少なくなり高性能化が望めるため、通常１００ｍＫ程度の極低温まで冷却されている。
【０００３】
ＴＥＳは、超伝導状態の物質が温度上昇に伴って常伝導状態へ遷移する際に起こる急激な抵抗値変化を利用した温度センサーであり、Ｘ線照射のエネルギーを熱に変換して検出を行うＸ線センサーである。適当なバイアス電流を印加して超伝導転移端に動作点を固定すると、ＴＥＳにＸ線を照射した際に急激な温度上昇が起こって抵抗変化が生じる。
この抵抗変化によりＴＥＳに流れる電流値が変化するために、電流値をモニターすることでＸ線を検出することができる。Ｘ線照射に伴う電流変化は数ｐＡと微弱であるために、通常ＳＱＵＩＤアレーを用いて信号増幅を行う。
【０００４】
超伝導Ｘ線検出器の応用としては、主にＸ線分析装置や宇宙線検出装置などが挙げられる。Ｘ線分析装置として使用するには、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と組み合わせて使用する。超伝導Ｘ線検出器は常温で真空環境に保たれたＳＥＭの試料室へ挿入される。
【０００５】
Ｘ線の検出効率を向上させるためにサンプルへ接近させて設置させる必要がある。電子線の照射によってサンプルから発生するＸ線は、超伝導Ｘ線検出器で検出される。
【０００６】
サンプル付近にはサンプルを設置するサンプルステージの他、電子線を照射する電子銃や電子線の焦点を合わせる電子レンズ等から構成される鏡筒、サンプルから発生する電子を検出する二次電子検出器などが設置されており、超伝導Ｘ線検出器を１００ｍＫ以下に冷却するための冷凍機を設置するためのスペースは確保できない。そのため、ＳＥＭとは別体に冷凍機を設け、冷却ヘッドを断熱構造に施工されたスナウトと呼ばれる細い筒の中へ備え、冷却ヘッド先端へ超伝導Ｘ線検出器を固定する構造とする。スナウトをＳＥＭの試料室のポートから挿入することで、サンプルと超伝導検出器を近接して設置する構造とする。
【０００７】
図５に従来の超伝導Ｘ線検出装置の先端部分の構造を示す（例えば、非特許文献1参照。）。主に先端部分は、真空を保持するスナウト外層１０２、輻射熱シールドを行う２層程度の輻射熱シールド板７０、検出器を装着する冷却ヘッド１０３、そして輻射熱シールド板７０の内外層に施工するスーパーインシュレーション８０で構成される。スナウト外層１０２や輻射熱シールド板７０には厚みがあり、適当な間隔が必要であることから、たとえばスナウトの直径をφ３０ｍｍ程度としても、冷却ヘッドの直径はφ１０ｍｍ程度の小径となる。
【０００８】
ＴＥＳなどの超伝導Ｘ線検出器１０は、接続パッド４０と共に無酸素銅やサファイアなどの熱伝導率の高い材料で製作されたセンサーホルダ３０に接着され、冷却ヘッド３０の先端断面部へネジ止めにて装着されている。
【０００９】
低温初段増幅器２０は、接続パッド４１と共にセンサーホルダ３０と同様の材料で製作された増幅器ホルダ２１に接着され、冷却ヘッド３０の先端付近の側面へネジ止めにて装着されている。
【００１０】
超伝導Ｘ線検出器１０は、接続パッド４０とワイヤーボンディングで接続される。接続パッド４０の電極の中で、超伝導Ｘ線検出器１０の出力端子は増幅器ホルダ２１上の接続パッド４１に導線にて接続され、超伝導Ｘ線検出器１０の駆動用配線は冷凍機の外装に取り付けられたコネクタへ導線にて接続される。
【００１１】
一方、低温初段増幅器２０は、接続パッド４１とワイヤーボンディングで接続される。接続パッド４１の電極の中で、低温初段増幅器２０を駆動するための電極は、導線にて冷凍機の外装に取り付けられるコネクタへ接続される。  
【非特許文献１】Y. Ishisaki, et al.著, 「Proceeding of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE)」, Hawaii U.S., 2002, p831
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の超伝導Ｘ線検出装置にあっては、超伝導Ｘ線検出器を実装するためのスペースの他に余裕が無いことから、該検出器からの出力信号を増幅する低温初段増幅器を該検出器と離れた場所に設置し、該検出器と該増幅器とを電気伝導度の高い導線にて接続していることから、配線長が長くなり、微小信号である該検出器の出力が外乱ノイズの影響を受けるという問題があった。さらに配線の接続が複雑となるために取り扱い性が悪いという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記問題点を解決し、該検出器と該増幅器とを同じ場所へ設置することにより、該検出器の出力が外乱ノイズの影響を極力受けない構造とし、かつ、配線の接続が容易に実施できる実装方法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】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明の超伝導Ｘ線検出装置においては、冷凍機と、冷凍機によって冷却される冷却ヘッドと、冷却ヘッドの先端部分に固定された超伝導Ｘ線検出器とセンサーホルダと低温初段増幅器からなり、超伝導Ｘ線検出器を低温初段増幅器の上に立体的に実装して積層構造とすることとした。
【００１５】
また、本発明の超伝導Ｘ線分析装置においては、冷凍機によって冷却される冷却ヘッドの先端部に設けられたセンサーホルダ上に低温初段増幅器と超伝導Ｘ線検出器を重ねて装着固定し、電子線を照射されたサンプルから発生するＸ線を検出し分析することとした。
さらに、本発明の超伝導Ｘ線検出装置及び超伝導Ｘ線分析装置において、超伝導Ｘ線検出器と低温初段増幅器を積層構造とする際に、該検出器と該増幅器との間に超伝導部材を挿入することもできる。この場合、該増幅器を実装する部材も超伝導材料で作製すると良い。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように構成された超伝導Ｘ線検出装置及び超伝導Ｘ線分析装置によれば、超伝導Ｘ線検出器と低温初段増幅器とが積層構造となることから、該検出器の接続パッドと該増幅器の接続パッドとが近接するため、ワイヤーボンディングにて容易に接続することができ、配線長が短くなる。
【００１７】
さらに、該検出器と該増幅器との間に超伝導材料を挿入することにより、該増幅器の特性劣化の原因となる外部からの磁気ノイズを遮蔽すると共に、該増幅器の駆動電流により発生する磁界が超伝導Ｘ線検出器に結合して該検出器の特性を劣化させることを防ぐことが可能となる。
【００１８】
さらにまた、該増幅器を実装するホルダの表面にも超伝導材料を挿入することにより、該増幅器を超伝導材料で包む構造となるため、該増幅器への磁気ノイズを遮蔽する効果が向上する。
【００１９】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。超伝導Ｘ線検出器と低温初段増幅器とを積層構造にすることで設置面積の縮小が図れるため、該検出器と該増幅器とを近接して実装することが可能となり、ワイヤーボンディングにより接続することが可能となるため、配線長が短くなり、外乱ノイズの影響を少なくすることができ、かつ取り扱い性も向上する。
【００２０】
さらに、該検出器と該増幅器との間に超伝導材料を挿入することにより、該増幅器を超伝導シールドすることができ、該増幅器へ外来の磁気ノイズが結合することを防止し、かつ、該増幅器の駆動電流により生じる磁界が超伝導Ｘ線検出器へ結合することを防止することができるため、安定したＸ線の検出及び分析を行うことが可能となる。
【００２１】
さらにまた、該増幅器と該増幅器を保持するホルダとの間に超伝導材料を挿入することにより、該増幅器に対する外来磁気ノイズの影響を軽減する効果が高くなり、増幅器として安定して動作することが可能となり、安定したＸ線検出と分析が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００２３】
図１は本発明による超伝導Ｘ線検出装置の実施例を示した概略図である。センサーホルダ３０に低温初段増幅器２０をワニスにて接着し、さらに低温初段増幅器２０の上へ超伝導Ｘ線検出器１０をワニスにて接着した。
超伝導Ｘ線検出器１０としては、ＴＥＳ（Transition Edge Sensor）を用い、低温初段増幅器２０としては、２５０個のＳＱＵＩＤを直列接続させたＳＱＵＩＤアレーを用いた。
超伝導Ｘ線検出器１０および低温初段増幅器２０への配線は、全てボンディングワイヤー５０にて実施した。超伝導Ｘ線検出器１０と低温初段増幅器２０の間の接続は直接ボンディングにて行った。室温回路系と超伝導Ｘ線検出器１０あるいは低温初段増幅器２０とを接続する配線は、接続パッド４０を介し、接続パッド４０と超伝導Ｘ線検出器１０や低温初段増幅器２０間はボンディングにより行い、接続パッド４０から室温回路系への接続は、配線５２を用いて行った。
【００２４】
配線５２には導電率の高い銅線を用いて行ったが、場合によっては超伝導線であるニオブチタン線や、室温からの熱侵入を防ぐマンガニン線、ステンレス線などを用いても良い。
センサーホルダ３０を冷凍機のスナウト中に設けた冷却ヘッド１０３へネジ止めにて装着することで、超伝導Ｘ線検出器１０および低温初段増幅器２０を１００ｍＫ程度に冷却し、高感度なＸ線検出器として駆動させる。センサーホルダ３０の材質は、熱伝導特性の良い高純度無酸素銅やサファイアにて製作を行った。
【００２５】
図２に示される実施例では、センサーホルダ３０と低温初段増幅器２０との間に超伝導部材６０を挿入した。超伝導部材６０の材料としては厚み１０μｍのアルミ箔を用いたが、検出器を駆動する温度以上の臨界温度を有する材料であれば、その他の超伝導材料を用いても良い。超伝導部材６０の設置方法は、熱伝導度の高いワニスを用いて接着した。
図３に示される実施例では、図２に示した実施例からさらに、超伝導Ｘ線検出器１０と低温初段増幅器２０との間に超伝導箔を挿入し、ワニスにて接着した。
【００２６】
図４は本発明による超伝導Ｘ線分析装置の構成を示した概略図である。超伝導Ｘ線検出器は、冷却ヘッド１０３の先端部に固定され、常温で真空環境に保たれたＳＥＭ試料室１１０へ挿入される。電子顕微鏡の鏡筒１１１から出射された電子線の照射によってサンプル１２０から発生するＸ線は、超伝導Ｘ線検出器で検出される。超伝導Ｘ線検出器は、Ｘ線の検出効率を向上させるためにサンプル１２０へ接近させて設置させる必要がある。
サンプル１２０付近にはサンプルを設置するサンプルステージ１１３の他、電子線を照射する電子銃や電子線の焦点を合わせる電子レンズ等から構成される鏡筒１１１、サンプル１２０から発生する電子を検出する二次電子検出器１１２などが設置される。
【００２７】
超伝導Ｘ線検出器を冷却するため、ＳＥＭとは別体に冷凍機１００を設け、冷却ヘッド１０３を断熱構造に施工されたスナウト１０１の中へ備え、冷却ヘッド先端へ超伝導Ｘ線検出器を固定する構造とする。スナウト１０１をＳＥＭ試料室１１０のポートから挿入することで、サンプル１２０と超伝導Ｘ線検出器を近接して設置する構造とした。
【００２８】
冷却ヘッド１０３の先端部に設けられたセンサーホルダに低温初段増幅器を固定し、その上に超伝導Ｘ線検出器を重ねて装着する構成とした。この場合、超伝導Ｘ線検出器と低温初段増幅器との間に超伝導部材を挿入しても良い。また、低温初段増幅器とセンサーホルダの間に超伝導部材を挿入する構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による超伝導Ｘ線検出装置の先端部分の実施例を示した概略図である。
【図２】本発明による超伝導Ｘ線検出装置の先端部分の実施例を示した概略図である。
【図３】本発明による超伝導Ｘ線検出装置の先端部分の実施例を示した概略図である。
【図４】本発明による超伝導X線分析装置の構成を示した概略図である。
【図５】従来の超伝導Ｘ線検出装置の先端部分の構造を示した概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０    超伝導Ｘ線検出器
２０    低温初段増幅器
２１    増幅器ホルダ
３０    センサーホルダ
４０    接続パッド
４１    接続パッド
５０    ボンディングワイヤー
５１    ハンダ
５２    配線
６０    超伝導部材
７０    輻射熱シールド板
７１    Ｘ線透過ウィンドウ
８０    スーパーインシュレーション
１００  冷凍機
１０１  スナウト
１０２  スナウト外層
１０３  冷却ヘッド
１１０  ＳＥＭ試料室
１１１  鏡筒
１１２  二次電子検出器
１１３  サンプルステージ
１２０  サンプル
【図１】
2005214792.tif 000003
【図２】
2005214792.tif 000004
【図３】
2005214792.tif 000005
【図４】
2005214792.tif 000006
【図５】
2005214792.tif 000007