(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷浴に熱的に結合した検出器を各々含み、各前記検出器が、該検出器の温度上昇に比例する信号を生成する熱センサーを含む少なくとも２つのマイクロ熱量計と、
ゲートを備えたＪＦＥＴを含む単体の負電圧帰還ＪＦＥＴプリアンプ回路にして、前記熱センサーからの信号が前記ゲートに接続され、該負電圧帰還ＪＦＥＴプリアンプ回路からの出力が、前記検出器によって吸収されたＸ線エネルギーに比例する負電圧帰還ＪＦＥＴプリアンプ回路とを含み、
各前記検出器の温度復元時間が、該検出器における前記冷浴への熱的な結合の構成によって異なる、
多重素子列型のマイクロ熱量計。
【請求項２】
検出器の温度上昇に比例する信号を生成する熱センサーがサーミスターである請求項１に記載の多重素子列型のマイクロ熱量計。
【請求項３】
検出器の温度上昇に比例する信号を生成する熱センサーである各サーミスターが、ゲートを備えたＪＦＥＴを含む単体の負電圧帰還ＪＦＥＴプリアンプ回路にインピーダンス整合している請求項２に記載の多重素子列型のマイクロ熱量計。
【請求項４】
検出器の温度上昇に比例する信号を生成する熱センサーであるサーミスターが、中性子変換ドーピングされた（ＮＴＤ）ゲルマニウムベースの半導体である請求項２に記載の多重素子列型のマイクロ熱量計。
【請求項５】
検出器の温度上昇に比例する信号を生成する熱センサーからの温度上昇に比例した信号が、ジョンソン雑音が優勢な周波数に閉じ込められている請求項１に記載の多重素子列型のマイクロ熱量計。
【請求項６】
検出器の温度上昇に比例する信号を生成するサーミスターがイオン注入シリコンである請求項２に記載の多重素子列型のマイクロ熱量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
米国政府は交付No.N00014-95-1-1248の下、本発明の権利を有する。
【０００２】
（発明の背景）
発明の分野
本発明は主に、高分解能で、広帯域のＸ線マイクロ熱量計に関し、特に、これらのＸ線分光計のための電子的な読み出しに関する。
【０００３】
関連技術の説明
極低温マイクロ熱量計は３００ｍＫ以下で動作するとき、１００ｅＶから１０ｋｅＶの間でほぼ１００％の効率、及び数エレクトロンボルトのエネルギー分解能を呈する。現在有効なＸ線検出器は同時に、そのような能力に対応することができない。結果として、マイクロ熱量計は天体物理学や実験室プラズマの分光器の改善や、生物標本、地質学、及び環境廃棄物サンプルでの微量物質の決定のためのＸ線蛍光法の感度の増強のために使用されている。これは電子顕微鏡の走査での電子励起を使用するミクロ分析、シンクロトロン放射を使用したＸ線蛍光、及び陽子励起を含む。
【０００４】
マイクロ熱量計において、Ｘ線光子は冷浴（cold  bath）に熱的に弱く結合した検出器に吸収され、熱化される。Ｘ線吸収による検出器の温度の上昇は熱センサーで測定され、Ｘ線エネルギーに比例する電気信号を発生する。４Ｋ以下の温度の動作に対して、これらの熱センサーやサーミスターはシリコンやゲルマニウム等の、ドープされた半導体の抵抗値の顕著な温度依存性を利用している。センサーの電気抵抗はドープされたゲルマニウムの極低温での特徴である、自由キャリアのホッピング伝導によって決まる（これについては、米国特許No.5,777,336を参照）。
【０００５】
このようなマイクロ熱量計で使用されている半導体サーミスターはＪＦＥＴ（接合型電解効果トランジスター）の負電圧帰還回路（JFET  negative  voltage  feedback  circuit）にインピーダンス整合する（SilverらのSPIE、423のVol.1159、1989年を参照）。中性子変換ドーピングされた（neutron  transmutation-doped）ゲルマニウムベースのサーミスター技術により１．５ｋｅＶで５．９ｅＶ、及び６ｋｅＶで７ｅＶのエネルギー分解能が達成されている。ＮＴＤ（中性子変換ドーピング）ベースの検出器の熱化時間は約１０−２０μｓであり、温度復元時間は５００μｓ以下である。
【０００６】
今日まで、マイクロ熱量計は正常に動作するために整合ＪＦＥＴプリアンプ（matching JFET preamplifier）を必要としている。これらのマイクロ熱量計の多素子列によって利益が得られる（すなわち、これらのマイクロ熱量計の多素子列を利用する）宇宙開発や産業での多様な応用例が存在する。（素子列の数に）対応する数のプリアンプ及びデータ処理機は、配列並びに関連するプリアンプ及びデータ処理機が５０以上ある場合、有効な資源または資産を消耗する可能性がある。複数のマイクロ熱量計の間で単体のＪＦＥＴプリアンプをマルチプレックスする（または多重化する）ことは、このような応用例で非常に大きな利益をもたらす。
【０００７】
（発明の要約）
本発明の１つの側面として、多素子（または、多重素子）列型マイクロ熱量計は冷浴（cold  bath）に熱的に結合した検出器を各々含むマイクロ熱量計を少なくとも２つ以上含む。各検出器は検出器の温度の上昇に比例した信号を生成するための熱センサーを持つ。単体の負電圧帰還ＪＦＥＴ（negative  voltage  feedback  JFET）が備えられる。この回路はゲートを持ったＪＦＥＴを含み、熱センサーからの信号はこのゲートに接続される。プリアンプ回路の出力は検出器によって吸収された放射エネルギーに比例する。各検出器は個々の検出器のチャンネルが容易に識別できるように、異なった温度復元時間を持つ。
【０００８】
好ましい実施例において、熱センサーは中性子変換ドーピングされた（ＮＴＤ）ゲルマニウムベースの半導体から成るサーミスターである。各サーミスターはＪＦＥＴプリアンプとインピーダンス整合する。各検出器は速い熱化時間と高いＳＮ比を持つことが好ましい。検出器の温度復元時間は冷浴への熱的な結合のための構成によって変更させられる。熱センサーからの信号はジョンソン雑音が優勢な周波数に閉じ込められる（または、限定される）ことが望ましい。本発明は特にＸ線エネルギーの検出に対して適している。
【０００９】
それゆえ、本発明の目的は多数の半導体ベースのマイクロ熱量計の間で、単体のＪＦＥＴプリアンプを多重化するための方法を提供することである。負電圧帰還増幅回路（negative  voltage  feedback  amplifier  circuit）は少なくとも２つの検出器の間で単体のＪＦＥＴを多重化するための可能性を与える。負電圧の帰還によって確立される仮想上のグランドにより、チャンネル間のクロストークを引き起こさずに、２つ以上のサーミスターをＪＦＥＴのゲートに接続することができる。個々の検出器のチャンネルは個々の検出器のチャンネルに対する温度復元時間を僅かにずらすことによって容易に識別することができる。一般に、多チャンネルの接続はＪＦＥＴプリアンプの出力で観測されるチャンネル当たりのノイズを増大させると考えられる。この潜在的なノイズの増大は速い熱化時間及び高いＳＮ比を持った検出器を使用することによって克服することができる。目的とする信号はジョンソン雑音が優勢な周波数に閉じ込める（または、制限する）ことができ、所望のレベルに制御される。この多重化の構造は数の多い多素子列に対して、全体的なプリアンプ及び処理後のチャンネルの数を減少させることを可能にする。この減少は分光計のためのＪＦＥＴの熱負荷、質量、及び電力要求量を減少させ、特に、宇宙開発等の質量や電力が重要視される用途では重要な長所となる。質量や力が重要でない場合でも、本発明の多重化の構造は電子機器に付加的なコストをかけずに、かつ、冷浴を形成する極低温の熱負荷や寿命に害を与えることなく、ピクセルを追加することを可能にする。
【００１０】
（発明の詳細な説明）
図１を参照すると、４つの半導体ベースのマイクロ熱量計１０、１２、１４及び１６が単体のＪＦＥＴ（１８）の負電圧帰還プリアンプ２０に接続されている。実験により、６ｋｅＶでのエネルギー分解能を７ｅＶ以下に劣化させることなく、少なくとも２つのマイクロ熱量計を１つのＪＦＥＴに接続することができることが実証された。この結果は図２に示されている。２つの検出器１０及び１２からのパルス２２及び２４はそれらの温度復元時間２６、２８の差だけが異なる。温度復元時間は検出器が熱的に関連する（または、熱的に結合している）冷浴(図示せず)への熱的な結合の製造または組み立てによって制御される。各々の検出器に対する実際のエネルギー分解能が７ｅＶであるのに対し、組み合われた両方の検出器からの、全体のノイズの影響は５ｅＶであった。ノイズの影響が等しいと仮定すると、各検出器からのノイズの影響の上限は３．５ｅＶであった。回路中にはＪＦＥＴ（１８）が１つしか存在しないので、実際のノイズは検出器のチャンネル当たりのものよりいくらか小さい。それゆえ、７ｅＶ以下のエネルギー分解能の劣化を引き起こさずに、図１に示されているように、さらに２つの検出器１４及び１６を多重化することが可能である。検出器はＪＦＥＴ（１８）にＡＣ結合する超伝導トンネル接合であってもよい。
【００１１】
ここに開示した本発明の改良及び変更は当業者にとって明白であり、そのような改良及び変更の全てが付随する請求の範囲の範囲に含まれることは理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の多重化システムの概略的な回路図である。
【図２】  ２つの検出器の温度復元時間の差を表すグラフと共に、二重にされたマイクロ熱量計からのパルスを示しているグラフである。
【符号の説明】
１０−１６  マイクロ熱量計
１８  ＪＦＥＴ（接合型電解効果トランジスター）
２０  プリアンプ回路
【図１】
0004598274.tif 000002
【図２】
0004598274.tif 000003