(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導転移端を用い、放射線検出により電気信号を発生するカロリーメータと、前記電気信号を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサからコイルに電流を流すスイッチと、を備え並列に配置された複数のユニットと、
前記複数のユニットに接続され、前記カロリーメータで発生した電気信号を増幅するとともに、前記コイルで発生した磁気信号を電圧信号に変換する一つの超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）と、を有し、
前記スイッチをオンにするタイミングは、前記カロリーメータで発生した前記電気信号が減衰した後である超伝導放射線検出器。
【請求項２】
超伝導転移端を用い、放射線検出により電気信号を発生するカロリーメータと、前記電気信号を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサからコイルに電流を流すスイッチと、を備え並列に配置された複数のユニットと、
前記複数のユニットに接続され、前記カロリーメータで発生した電気信号を増幅するとともに、前記コイルで発生した磁気信号を電圧信号に変換する一つの前記超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）と、を有し、
前記スイッチをオンにするタイミングは、前記カロリーメータで前記電気信号が発生した直後である超伝導放射線検出器。
【請求項３】
超伝導転移端を用い、放射線検出により電気信号を発生するカロリーメータと、前記電気信号を磁気信号に変換する第一のコイルと、前記磁気信号を電気信号に変換する第一の超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）と、前記第一の超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）で変換した電気信号により第二のコイルに電流を流すスイッチと、を備え並列に配置された複数のユニットと、
前記複数のユニットに接続され、前記カロリーメータで発生した電気信号を増幅するとともに、前記第二のコイルで発生した磁気信号を電圧信号に変換する一つの第二の超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）と、を有する超伝導放射線検出器。
【請求項４】
前記スイッチの切り替えは、超伝導状態と常伝導状態との切り替えにより行う請求項１から３のいずれか一項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、超伝導転移端を利用したマイクロカロリーメータと超伝導量子干渉素子を利用した超伝導放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導転移端を利用したマイクロカロリーメータは、従来の半導体検出器を応用した放射線検出器の性能を超える放射線検出器として期待されている。従来の放射線検出器は、エネルギー分散型(energy dispersed detector: EDS)と波長分散型(wavelength dispersed detector: WDS)の２タイプがある。前者は、異なるエネルギーを持つ放射線をディテクターに吸収させ、放射線のエネルギーに比例した電気信号を検出する方法をもちいている。後者は、ブラック反射を利用し放射線のエネルギーを分光し、その後ディテクターに吸収させる方法を用いている。EDSは、広エネルギー範囲にわたり高計数率である特徴を持っているが、エネルギー分解能が100eV程度と悪い。エネルギー分解能は、半導体のエネルギーギャップ値に依存するため、これ以上性能を向上させることは難しい。WDSは、高エネルギー分解能、高計数率をもつ検出器ではあるが、検出できるエネルギー範囲が狭いなど実用的な面で問題がある。また、分光するために複数の光学結晶を用いている、また結晶を機械的に動かす必要があるため、装置的に大がかりになるなどの問題がある。この問題を解決する手段として、超伝導転移端を用いたマイクロカロリーメータが知られている。これは、カロリーメータに吸収された放射線により発生する熱の大きさを測定することにより、放射線のエネルギーを測定する検出器である。発生する熱が小さいが、超伝導転移端を利用することにより、大きな抵抗変化を得ることができる。
【０００３】
特に1995年Standford大学のIrwinによって提案された自己フィードバックを備えたマイクロカロリーメータ(electrothermal feedback  transition edge sensor :ETF  TES)が注目されている。これは従来のカロリーメータと異なり、電圧バイアスで駆動させ、自己発熱と素子から逃げる熱の釣り合いを超伝導転移端に保持することにより、自己フィードバックがかかるようにさせる。自己フィードバックにより、カロリーメータで問題となっていた熱の回復が早くなった。その結果、計数率の向上にもつながっている。現在報告されているETF  TESの性能は、5.9KeVの放射線に対し、エネルギー分解能4.5eV、計数率500cps程度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ETF-TESを用いたマイクロカロリーメータ（以後マイクロカロリーメータと呼ぶ）のエネルギー分解能は、圧倒的に半導体検出器より優れているが、計数率が小さい欠点がある。マイクロカロリーメータと同じエネルギー分散型であるEDSは数千程度である。また、現在報告されているマイクロカロリーメータは、1個のみの動作であるため感度が悪い、イメージングすることができない等の問題もある。
【０００５】
本発明の目的は、マイクロカロリーメータを用いた超伝導放射線検出器において、マイクロカロリーメータを複数個並べ、高計数率、高感度、イメージング可能な検出手段を得ることである。
【０００６】
【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、本発明に関わる超伝導放射線検出器は、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、少なくともカロリーメータの信号が減衰した後に行うことを利用している。その結果、複数のカロリーメータから発生する信号を一つのＳＱＵＩＤで検出することができるため、配線の数が従来に比べ減少し、冷凍機の負荷を低減することができる。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができる。また、スイッチのオン・オフを感知することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができる。
【０００７】
また、本発明に関わる超伝導放射線検出器は、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、カロリーメータに信号が発生した直後であることを用いている。その結果、従来カロリーメータ一つに対して一つのＳＱＵＩＤを必要としていたが、本発明では一つのＳＱＵＩＤで複数のマイクロカロリーメータを動作できるため、配線の数を低減することができ、冷凍機の負荷を低減することができる。また、複数個のカロリーメータを順次測定できるため、計数率をあげることができる。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができる。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができる。
【０００８】
また、本発明に関わる超伝導放射線検出器は、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、前記カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータと第一の超伝導量子干渉素子とスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの第二の超伝導量子干渉素子に接続されていることを用いている。その結果、従来カロリーメータ一つに対して一つのＳＱＵＩＤを必要としていたが、本発明では一つのＳＱＵＩＤで複数のマイクロカロリーメータを動作できるため、配線の数を低減することができ、冷凍機の負荷を低減することができる。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができる。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができる。
【０００９】
また、本発明に関わる超伝導放射線検出器は、超伝導から常伝導へ遷移することを利用した熱スイッチを利用している。その結果、簡易的なスイッチを得ることができる。また、すべて超伝導材料を用いていることによりＳＱＵＩＤと集積化することが可能となる。その結果、素子の小型化をはかることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる超伝導デバイス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。
（実施の形態１）
図１は、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、少なくともカロリーメータの信号が減衰した後に行う超伝導放射線検出器を表す模式図である。
【００１１】
超伝導放射線検出器は、放射線のエネルギーを電流信号に変換するカロリーメータ51と電流信号を磁気信号に変換するコイルA52とコイルA52で発生した磁気信号を電圧信号に変換するコイルB53とコイルB53で発生した電圧を蓄積するコンデンサ54と電流のオン-オフを制御するスイッチ55とコンデンサ54で蓄積された電荷を磁気信号に変換するコイルC56と抵抗59と電圧モニタ用端子60とコイルC56で発生した磁気信号を電圧信号として外部に取り出す超伝導量子干渉素子57(superconducting quantum interference device:ＳＱＵＩＤ)から構成されている。
【００１２】
カロリーメータ51とコイルA52とコイルB53とコンデンサ54とスイッチ55が一つのユニットとして構成され、このユニット58が図１のように並列にN個 (N>1)並列に配置され、すべてのユニット58は超伝導量子干渉素子57に接続されている。
【００１３】
放射線がカロリーメータ51に照射されると、カロリーメータ51で発生した電気信号は、一時コンデンサ54に蓄積される。コンデンサ54に蓄積された電荷は、スイッチ55がオンになるとコイルC56に電流が流れ、ＳＱＵＩＤ57で外部に電圧信号として取り出すことができる。コンデンサ54に蓄積された電荷は、照射される放射線のエネルギーに比例する。スイッチ55をオンにしてコイルC56に流れる電流信号は、電荷に比例するため電流信号の波高値を検出することにより、入射した放射線のエネルギーを決めることができる。また、スイッチ55をオンにしない限り電荷はコンデンサに蓄積されるため、複数のユニットのスイッチ55を順番にオンにすることにより、各ユニット58のカロリーメータ51に照射された放射線による信号を順番に検出することができる。スイッチ55のオンは、コンデンサ54に電圧が蓄積されたことを電圧モニタ用端子60により感知し、ある時間がたってから行われる。従来はカロリーメータ51に対してＳＱＵＩＤ57が一つ必要であったが、この手段をもちいると、一つのＳＱＵＩＤ57で複数個のカロリーメータ51を接続することができる。その結果、放射線が照射される面積がカロリーメータ51の個数だけ増加するため、検出感度をあげることができる。また、計数率向上もはかることができる。
【００１４】
ユニット58がN個並列に接続されていると仮定し、ある特定のユニット58について着目する。放射線がカロリーメータ51に吸収されたとき発生する電流をΔI [A], 時定数をτeff [s]とする。時定数τeffは、立ち上がりの時間とたち下がりの時間の和で与えられる。また、放射線は各カロリーメータ51にτ1 [s]後に入射すると仮定する。スイッチ55はオフの状態にする。カロリーメータ51に放射線が吸収されると、ΔI [A], 時定数をτeff [s]の信号電流が発生する。コイルA52のインダクタンスをL1 [H], コイルB53のインダクタンスをL2 [H], コイルA,B間の相互インダクタンスをM12[H]とする。コイルA52に電流が流れることにより、コイルB53には電圧 Vが発生し、その値は次の式で与えられる。
【００１５】
【数１】
0004550217.tif 000002
スイッチ55がオフ状態の時、抵抗値はR1 [Ω]とし、コイルC56のインダクタンスをL3 [H]とし、抵抗59の抵抗値をR2 [Ω]とする。スイッチ55に流れる電流値をI [A]とすると、電流値は次の式で与えられる。ただし、コイルB53のインダクタンスは、コイルC56のインダクタンスより十分大きいとする。
【００１６】
【数２】
0004550217.tif 000003
ただし、
【００１７】
【数３】
0004550217.tif 000004
【００１８】
【数４】
0004550217.tif 000005
である。また、βは実数であることが必要であるため、次の式を満たさなくてはならない。
【００１９】
【数５】
0004550217.tif 000006
スイッチ55がオフ状態のとき流れる電流の時定数は、τ2=2(R1+R2)C [s]で与えられる。スイッチ55がオンになるまで、コンデンサ54に十分電荷を貯めておくために、τ2 [s]はコイルB53に電圧が発生してからスイッチ55がオンになる時間間隔より十分大きくする必要がある。電圧モニタ用端子は、コンデンサ54に電荷が貯まったことを感知する。電荷がコンデンサに蓄積されるために、電圧を感知してからスイッチをオンにするまでの時間は、少なくとも信号の時定数τeffより長くする必要がある。スイッチ55がスイッチオンのとき超伝導状態、オフのとき常伝導状態である特性を利用した超伝導スイッチであるとする。式（３）、（４）においてスイッチ55がオンのときは、超伝導状態になるため抵抗値R1が0 [Ω]になる。そのためコイルC56に流れる電流の減衰の時定数τ4 [s]と発振時間τ5 [s]は次の式で与えられる。
【００２０】
【数６】
0004550217.tif 000007
【００２１】
【数７】
0004550217.tif 000008
減衰の時定数τ4 [s]は発振時間τ5 [s]より、十分速くした方がよい。またスイッチ55をオンにするときの時間をτ6 [s]、オン状態の時間をτ7 [s]、オフにする時間をτ8 [s]とする。オン状態の時間τ7 [s]は、少なくとも減衰の時定数τ4 [s]より長くする必要がある。コイルC56に流れる電流をＳＱＵＩＤ57で測定することにより、コンデンサ54の電荷を検出することができる。すなわちカロリーメータ51に入射した放射線のエネルギーを検出することができる。スイッチ55をオンにしたときに、コンデンサに蓄積された電荷がコイルB53で発振しないためには次の式を満たす必要がある。
【００２２】
【数８】
0004550217.tif 000009
ある特定のユニット58がオフになった後、電荷が蓄積されている別のユニットを読み出しする。この工程を繰り返すことにより、各ユニットに入った放射線のエネルギーを各ユニットごとに検出することができる。以上の時間ダイアグラムを図２に示す。縦軸電流の波形は、カロリーメータ51で発生した信号を表す。ユニット58の信号検出が終了すると、図２のようにユニット58に放射線が入射した別のユニット58の検出を行う。
【００２３】
ＳＱＵＩＤ57で得られる電圧信号は次のように見積もることができる。カロリーメータ51に発生した電流により、コイルB53に発生する電圧は式（１）で与えられる。スイッチ55をオンにすると、電流が抵抗59に流れる。コイルC56のインダクタンスが抵抗59より十分小さい場合、コイルC56に流れる電流ΔI1は次の式で与えられる。
【００２４】
【数９】
0004550217.tif 000010
以上により、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、少なくともカロリーメータの信号が減衰した後に行う超伝導放射線検出器を用いることにより、複数のカロリーメータから発生する信号を一つのＳＱＵＩＤで検出することができる。その結果、配線の数が従来に比べ減少し、冷凍機の負荷を低減することができる。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができる。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができる。
（実施の形態２）
図３は、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、カロリーメータに信号が発生した直後である超伝導放射線検出器を表す模式図である。
【００２５】
超伝導放射線検出器は、放射線のエネルギーを電流信号に変換するカロリーメータ71と電流信号を磁気信号に変換するコイルＤ72とコイルD72で発生した磁気信号を電圧信号に変換するコイルE73と電流のオン-オフを制御するスイッチ75とコイルE73で発生した電圧を磁気信号に変換するコイルF76と抵抗79と電圧モニタ用端子80とコイルF76で発生した磁気信号を電圧信号として外部に取り出す超伝導量子干渉素子77(superconducting quantum interference device: ＳＱＵＩＤ)から構成されている。
【００２６】
カロリーメータ71とコイルD72とコイルE73とコンデンサ74とスイッチ75が一つのユニットとして構成され、このユニット78が図３のように並列にN個 (N>1)並列に配置され、すべてのユニット78はＳＱＵＩＤ77に接続されている。
【００２７】
放射線がカロリーメータ71に照射されると、カロリーメータ71で発生した電気信号は、コンデンサ74に電圧が発生し、電圧モニタ用端子80で電圧を確認すると、スイッチ75がオンになる。その結果コイルF76に電流が流れ、ＳＱＵＩＤ77で外部に電圧信号として取り出すことができる。コイルE73に発生する電圧は、照射される放射線のエネルギーに比例する。スイッチ75をオンにしてコイルF76に流れる電流信号は、コイルE73で発生した電圧に比例する。そのためコイルF76に流れる電流信号の波高値を検出することにより、入射した放射線のエネルギーを決めることができる。また、スイッチ75をオンにしない限り電流はコイル76に流れないため、複数のユニットのスイッチ75を順番にオンにすることにより、各ユニット78のカロリーメータ71に照射された放射線による信号を順番に検出することができる。スイッチ75のオンは、コイルE53で感知すると、すぐに行われる。この手段をもちいると、従来はカロリーメータ71に対してＳＱＵＩＤ77が一つ必要であったが、一つのＳＱＵＩＤ77で複数個のカロリーメータ71を接続することができる。その結果、放射線が照射される面積がカロリーメータ71の個数だけ増加するため、検出感度をあげることができる。また、計数率向上もはかることができる。
【００２８】
ユニット78がN個並列に接続されていると仮定し、ある特定のユニット78について着目する。放射線がカロリーメータ71に吸収されたとき発生する電流をΔI [A], 時定数をτeff [s]とする。時定数τeffは、立ち上がりの時間とたち下がりの時間の和で与えられる。また、放射線は各カロリーメータ71にτ9 [s]後に入射すると仮定する。スイッチ75はオフの状態にする。カロリーメータ71に放射線が吸収されると、ΔI [A], 時定数をτeff [s]の信号電流が発生する。コイルD72のインダクタンスをL1 [H], コイルE73のインダクタンスをL2 [H], コイルA,B間の相互インダクタンスをM12[H]とする。コイルD72に電流が流れることにより、コイルE73には電圧 Vが発生し、その値は次の式で与えられる。
【００２９】
【数１０】
0004550217.tif 000011
スイッチ75がオフ状態の時、抵抗値はR1 [Ω]とし、コイルF76のインダクタンスをL3 [H]とし、抵抗79の抵抗値をR2 [Ω]とする。スイッチ75がスイッチオンのとき超伝導状態、オフのとき常伝導状態である特性を利用した超伝導スイッチであるとする。スイッチ75は、超伝導状態になるため抵抗値R1が0 [Ω]になる。式（１０）で与えられる電圧は、抵抗79に流れる。コイルF76に流れる電流をＳＱＵＩＤ58で測定することにより、コイルE73で発生した電圧を検出することができる。すなわちカロリーメータ71に入射した放射線のエネルギーを検出することができる。
【００３０】
ユニット78がオフになった後、放射線がカロリーメータに入射し電圧を発生している別のユニットを読み出しする。この工程を繰り返すことにより、各ユニットに入った放射線のエネルギーを各ユニットごとに検出することができる。以上の時間ダイアグラムを図４に示す。
【００３１】
ＳＱＵＩＤ77で得られる電圧信号は次のように見積もることができる。カロリーメータ71に発生した電流により、コイルE73に発生する電圧は式（１０）で与えられる。スイッチ75をオンにすると、電流が抵抗79に流れる。コイルF76のインダクタンスが抵抗79より十分小さい場合、コイルF76に流れる電流ΔI1は次の式で与えられる。
【００３２】
【数１１】
0004550217.tif 000012
この電流の波高値を検出することにより、カロリーメータに入射した放射線のエネルギーを測定することができる。
【００３３】
以上により、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、カロリーメータに信号が発生した直後である超伝導放射線検出器を用いることにより、複数のカロリーメータから発生する信号を一つのＳＱＵＩＤで検出することができた。その結果、配線の数が従来に比べ減少し、冷凍機の負荷を低減することができた。また、複数個のカロリーメータを順次測定できるため、計数率をあげることができた。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができた。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができた。
（実施の形態３）
図５は、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、前記カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータと超伝導量子干渉素子とスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導干渉素子に接続されている超伝導放射線検出器を表す模式図である。
【００３４】
超伝導放射線検出器は、放射線のエネルギーを電流信号に変換するカロリーメータ101と電流信号を磁気信号に変換するコイルG102とコイルG102で発生した磁気信号を電圧信号に変換する超伝導量子干渉素子103と電流のオン-オフを制御するスイッチ105と超伝導量子干渉素子(superconducting quantum interference device: ＳＱＵＩＤ)103で発生した電圧を取り出すためのコイルI106と抵抗109と電圧モニタ用端子110とコイルI106で発生した磁気信号を電圧信号として外部に取り出す超伝導量子干渉素子107とＳＱＵＩＤ103を動作させるためのバイアスライン113から構成されている。
【００３５】
カロリーメータ101とコイルG102とＳＱＵＩＤ103とスイッチ105が一つのユニット111として構成され、このユニットが図５のように並列にN個 (N>1)並列に配置され、すべてのユニット111はＳＱＵＩＤ107に接続されている。
【００３６】
放射線がカロリーメータ101に照射されると、カロリーメータ101で発生した電気信号は、ＳＱＵＩＤ103に電圧を発生させ、電圧モニタ用端子110で電圧を確認すると、スイッチ105がオンになる。その結果コイルI106に電流が流れ、ＳＱＵＩＤ107で外部に電圧信号として取り出すことができる。ＳＱＵＩＤ103に発生する電圧は、照射される放射線のエネルギーに比例する。スイッチ105をオンにしてコイルI106に流れる電流信号は、ＳＱＵＩＤ103で発生した電圧に比例する。そのためコイルI106に流れる電流信号の波高値を検出することにより、入射した放射線のエネルギーを決めることができる。また、スイッチ105をオンにしない限り電流はコイルI106に流れないため、複数のユニットのスイッチ105を順番にオンにすることにより、各ユニットのカロリーメータ101に照射された放射線による信号を順番に検出することができる。スイッチ105のオンは、ＳＱＵＩＤ103で感知すると、すぐに行われる。この手段をもちいると、従来はカロリーメータ101に対してＳＱＵＩＤ107が一つ必要であったが、一つのＳＱＵＩＤ107で複数個のカロリーメータ101を接続することができる。その結果、放射線が照射される面積がカロリーメータ101の個数だけ増加するため、検出感度をあげることができる。また、計数率向上もはかることができる。
【００３７】
ユニットがN個並列に接続されていると仮定し、ユニット111について着目する。放射線がカロリーメータ101に吸収されたとき発生する電流をΔI [A], 時定数をτeff [s]とする。時定数τeffは、立ち上がりの時間とたち下がりの時間の和で与えられる。スイッチ105はオフの状態にする。カロリーメータ101に放射線が吸収されると、ΔI [A], 時定数をτeff [s]の信号電流が発生する。コイルG102のインダクタンスをL1 [H], ＳＱＵＩＤ 103のインダクタンスをL2 [H], コイルA,B間の相互インダクタンスをM12[H], AをＳＱＵＩＤ103のゲインとする。コイルG102に電流が流れることにより、ＳＱＵＩＤ103には電圧 Vが発生し、その値は次の式で与えられる。
【００３８】
【数１２】
0004550217.tif 000013
スイッチ105がオフ状態の時、抵抗値はR1 [Ω]とし、コイルI106のインダクタンスをL3 [H]とし、抵抗109の抵抗値をR2 [Ω]とする。スイッチ105がスイッチオンのとき超伝導状態、オフのとき常伝導状態である特性を利用した超伝導スイッチであるとする。スイッチ105は、超伝導状態になるため抵抗値R1が0 [Ω]になる。式（１０）で与えられる電圧は、抵抗値109に流れる。コイルI106に流れる電流をＳＱＵＩＤ107で測定することにより、ＳＱＵＩＤ103で発生した電圧を検出することができる。すなわちカロリーメータ101に入射した放射線のエネルギーを検出することができる。ある特定のユニット111がオフになった後、別のユニットで発生した電圧の読み出しを行う。この工程を繰り返すことにより、各ユニットに入った放射線のエネルギーを各ユニットごとに検出することができる。
【００３９】
以上により、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、前記カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータと超伝導量子干渉素子とスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導干渉素子に接続されている超伝導放射線検出器を用いることにより、複数のカロリーメータから発生する信号を一つのＳＱＵＩＤで検出することができた。その結果、配線の数が従来に比べ減少し、冷凍機の負荷を低減することができた。また、複数個のカロリーメータを順次測定できるため、計数率をあげることができた。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができた。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができた。
（実施の形態４）
図６は、超伝導から常伝導へ遷移することを利用した熱スイッチを表す模式図である。超伝導材料を用いた配線120とメンブレン121と常伝導材料を用いた配線122から構成される。メンブレン121は、常伝導材料120に電流を印加したとき発生する熱を、周りの基板123へ拡散させることを防ぐために用いられる。
【００４０】
超伝導配線120の常伝導状態における抵抗値をR1 [Ω], 熱容量をC1 [J/K], 常伝導配線122の抵抗値をR2 [Ω], 熱容量をC2 [J/K], メンブレンの熱コンダクタンスをG [nW/K], 基板123の温度をT0 [K], 発熱時の超伝導配線の温度をT [K]とする。超伝導配線120と常伝導配線122をショートさせないために、絶縁膜を間に挟む必要がある。この絶縁膜は薄いため熱容量はないものと考える。
【００４１】
超伝導配線120と常伝導配線122の熱容量CはC1+C2で与えられる。常伝導配線に電流 I [A]を印加するとＲ2I2 [W]の熱が発生する。この熱はメンブレンを通して外に逃げる熱と釣り合い、その関係は次式で与えられる。
【００４２】
【数１３】
0004550217.tif 000014
このとき発生する温度Tが超伝導配線の臨界温度を超えることにより、超伝導は常伝導へと遷移する。このとき超伝導配線の抵抗値は0 [Ω]からR1 [Ω]へと変化する。この状態をオフ状態と呼ぶ。オン状態は、常伝導配線に流れる電流をオフにし、超伝導配線120を超伝導状態に遷移することにより得られる。オン状態に遷移するときの時定数は次式で与えられる。
【００４３】
【数１４】
0004550217.tif 000015
マイクロカロリーメータで発生した信号を速く検出するためには、上記時定数をできるだけ速くする必要がある。
【００４４】
以上のように、超伝導から常伝導へ遷移することを利用した熱スイッチを用いることにより簡易的なスイッチを得ることができた。また、すべて超伝導材料を用いていることによりＳＱＵＩＤと集積化することが可能となる。その結果、素子の小型化をはかることができた。
【００４５】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によれば、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、少なくともカロリーメータの信号が減衰した後に行うことを利用している。その結果、複数のカロリーメータから発生する信号を一つのＳＱＵＩＤで検出することができたため、配線の数が従来に比べ減少し、冷凍機の負荷を低減することができる。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができる。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができる。その結果、従来より高感度・高計数率・イメージング可能な超伝導放射線が可能となる。
【００４６】
本発明によれば、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータとトランスとスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導量子干渉素子に接続されており、スイッチをオンにするタイミングが、カロリーメータに信号が発生した直後であることを用いている。その結果、従来カロリーメータ一つに対して一つのＳＱＵＩＤを必要としていたが、本発明では一つのＳＱＵＩＤで複数のマイクロカロリーメータを動作できるため、配線の数を低減することができ、冷凍機の負荷を低減することができる。また、複数個のカロリーメータを順次測定できるため、計数率をあげることができる。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができた。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができる。その結果、従来より高感度・高計数率・イメージング可能な超伝導放射線が可能となる。
【００４７】
本発明によれば、超伝導転移端を用いたカロリーメータと、前記カロリーメータから出力される電流信号を増幅するための超伝導干渉素子（ＳＱＵＩＤ）からなる放射線検出器において、カロリーメータと超伝導量子干渉素子とスイッチが一つのユニットとして複数個並列に設けられており、複数個のユニットが少なくとも一つの超伝導干渉素子に接続されていることを用いている。その結果、従来カロリーメータ一つに対して一つのＳＱＵＩＤを必要としていたが、本発明では一つのＳＱＵＩＤで複数のマイクロカロリーメータを動作できるため、配線の数を低減することができ、冷凍機の負荷を低減することができる。また、カロリーメータの数が増加したことにより、検出感度も増加させることができる。また、スイッチのオン・オフを検出することにより、放射線が入射した画素を特定することができ、イメージングすることができる。その結果、従来より高感度・高計数率・イメージング可能な超伝導放射線が可能となる。
【００４８】
本発明によれば、超伝導から常伝導へ遷移することを利用した熱スイッチを利用している。その結果、簡易的なスイッチを得ることができる。また、すべて超伝導材料を用いていることによりＳＱＵＩＤと集積化することが可能となる。その結果、素子の小型化をはかることができる。その結果、従来より高感度・高計数率・イメージング可能な超伝導放射線が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に関わる超伝導放射線検出器を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に関わる超伝導放射線検出器の動作の時間ダイアグラムを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に関わる超伝導放射線検出器を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態２に関わる超伝導放射線検出器の動作の時間ダイアグラムを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３に関わる超伝導放射線検出器を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態４に関わる熱スイッチを示す模式図である。
【符号の説明】
５１  カロリーメータ
５２  コイルA
５３  コイルB
５４  コンデンサ
５５  スイッチ
５６  コイルC
５７  超伝導量子干渉素子
５８  ユニット
５９  抵抗
６０  電圧モニタ用端子
７１  カロリーメータ
７２  コイルD
７３  コイルE
７５  スイッチ
７６  コイルF
７７  超伝導量子干渉素子
７８  ユニット
７９  抵抗
８０  電圧モニタ用端子
１０１  カロリーメータ
１０２  コイルG
１０３  超伝導量子干渉素子
１０４  コンデンサ
１０５  スイッチ
１０６  コイルI
１０７  超伝導量子干渉素子
１０８  ユニット
１０９  抵抗
１１０  電圧モニタ用端子
１２０  超伝導配線
１２１  メンブレン
１２２  常伝導配線
１２３  基板
【図１】
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【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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