(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造を有する粒子吸収体及びフォノンセンサーを有する粒子検出器であって、該粒子吸収体は、粒子のエネルギーを量子力学的な励起状態に励起された準粒子の数に変換する構成元素の異なる二種類以上の超伝導体の組み合わせ又は超伝導体と常伝導体の組み合わせから構成され、該フォノンセンサーは、超伝導トンネル接合により構成され、該粒子吸収体及び該フォノンセンサーは、フォノンを透過させる数ｎｍの厚さの絶縁体を介して積層されていることを特徴とする粒子検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子検出器において、上記多層構造は、複数の超伝導体と複数の常伝導体の組み合わせからなることを特徴とする粒子検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子検出器に関するものである。本発明において、粒子とは、光子、原子、イオン、分子、電子、クラスター、フォノン及び素粒子を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
粒子検出器においては、粒子を吸収する吸収体としての機能と、粒子のエネルギーを電気信号に変換するセンサーとしての機能の二つが必要である。粒子のエネルギーを直接電気信号に変換する量子型の粒子検出器では、吸収体としては、何らかのエネルギーギャップをもったものが使われる。本発明では、センサーとして熱型のものを使った場合でも、吸収体の量子力学的励起状態を測定するので量子型と呼ぶことにする。
【０００３】
最終的に、吸収体中では、粒子のエネルギーをギャップのエネルギーで割った値に比例した数の電子あるいはホール（準粒子）が量子力学的励起状態を占めるようになる。この準粒子を電気信号として取り出すことにより、粒子が到来したこと、あるいは粒子のエネルギーを検出することができる。あるいは、同時に発生したフォノンを検出することによっても、粒子の検出が可能である。超伝導体を吸収体として使った場合には、超伝導エネルギーギャップが前述のエネルギーギャップとなる。
【０００４】
Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理論にて、その特性がほぼ説明できる多くの超伝導体においては、格子振動の量子であるフォノンと電子との相互作用に起因してクーパー対が形成され超伝導状態が発現している。超伝導体の場合、準粒子は、このクーパー対が壊れて生成される。準粒子の生成に必要な最低エネルギーが、超伝導エネルギーギャップ２Δであり、１つのクーパー対が壊れて２個生成される準粒子の最低エネルギーはΔである。超伝導体は、超伝導状態では温度に依存する有限の超伝導エネルギーギャップを有するようになり、このギャップ以下のエネルギーをもつ準粒子は存在し得ない。粒子のエネルギーが超伝導吸収体に吸収されると、粒子のエネルギーは電子系とフォノン系に分配される。
【０００５】
吸収されてから数ns後には励起された準粒子とフォノンのエネルギーは、超伝導エネルギーギャップ程度のエネルギーに緩和する。それぞれ、Δと２Δ程度のエネルギーをもつようになる。最終的には、粒子のエネルギーを超伝導エネルギーギャップで割った値に比例した数の準粒子あるいはフォノンが量子力学的励起状態に励起される。
【０００６】
超伝導粒子検出器では、この準粒子あるいはフォノンを超伝導トンネル接合、あるいはカロリメーターで読み出すことにより、電気信号を生成する。この種の粒子検出器では、センサーを構成する超伝導体が粒子吸収体を兼ねる検出器と、センサーと粒子吸収体が分離した検出器の二種類がある。
【０００７】
従来、何れの種類でも、一種類の元素からなる超伝導体が粒子吸収体として用いられる場合が多い。二層からなる吸収体が用いられている場合もあるが、十分な性能が得られるのは高々数100μmである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
粒子検出器として重要な性能は、有感面積、量子効率、応答速度、エネルギー分解能である。これらの中で超伝導粒子検出器において、高いエネルギー分解能を保ったまま、有感面積を大きくすることが従来困難であった。
【０００９】
超伝導現象を利用したセンサーのサイズは高々数100μmであり、粒子吸収体の面積もこの程度であった。これ以上有感面積を大きくすると粒子が吸収された位置に依存してセンサーの出力が変わる現象が起こり十分な性能が得られなかった。
【００１０】
粒子が吸収された後、超伝導エネルギーギャップ程度のエネルギーに緩和した、準粒子とフォノンは、その後、相互作用することにより、生成と消滅を繰り返す。同時に、この二つの系は時間とともに吸収された点から拡散により広がる。この拡散が吸収体全体に渡れば、粒子の吸収位置依存性が小さくなり、有感面積を大きくできる。超伝導粒子検出器が動作する極低温環境では、定常状態では、フォノン系の励起がほとんど無く、常伝導状態における電子の散乱は、フォノンではなく格子欠陥や不純物原子によって決められる。
【００１１】
しかしながら、超伝導状態では、Δ以上のエネルギーをもつ準粒子あるいは２Δ以上のエネルギーをもつフォノンは、格子欠陥や不純物原子による散乱に加えて、準粒子とフォノンの相互作用による散乱が発生する。このため、準粒子あるいはフォノンの平均自由行程（散乱を受けずに進める距離）が短くなる。したがって、準粒子が粒子吸収位置の付近に局在しやすくなり、大面積の粒子吸収体を得ることが困難であった。
【００１２】
超伝導転移温度が低い超伝導体を吸収体として用いると、これらの超伝導体では、準粒子とフォノンの相互作用が弱く準粒子およびフォノンの平均自由行程が長くなる。しかし、超伝導吸収体では熱的な励起を押さえるために超伝導転移温度の1/10程度の動作温度が必要なため、超伝導転移温度が低い超伝導体を用いると、粒子検出器が動作する温度が低くなり、検出器の冷却が難しくなる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二種類以上の複数の超伝導体、常伝導体あるいは絶縁層を組み合わせることにより、上記課題を解決するものである。本発明において、超伝導体とは、有限の温度で超伝導転移を起こす物質を、常伝導体とは現在まで極低温環境においても超伝導転移が観測されていない物質を指す。本発明の粒子吸収体では、性質の異なる超伝導層の積層、超伝導層と常伝導層を積層することにより、本来超伝導転移温度が低く平均自由行程が長い超伝導層中、あるいは長い平均自由行程をもつ常伝導層中に高温動作が可能なエネルギーギャップを生成する。これにより、粒子エネルギーの吸収により生成した準粒子とフォノンの平均自由行程を長くする。あるいは、各層間に絶縁層を挿入した積層構造により、電子系とフォノン系を電気的に分離することにより、準粒子とフォノンの散乱を少なくして平均自由行程を長くする。これにより、大面積粒子吸収体を実現する。
【００１４】
ある超伝導層と性質の異なる超伝導層、あるいは常伝導層を接触させると超伝導近接効果により、超伝導層の性質が他の層にしみ出す超伝導近接効果が働く。この近接効果により、本来超伝導にならない層あるいは超伝導転移温度が低い層中に高温動作が可能なエネルギーギャップを作ることができる。超伝導転移温度が低い層中では電子系とフォノン系の相互作用が弱いので、電子系とフォノン系の分離の度合いを大きくできる。これにより、長い平均自由行程を実現する。
【００１５】
特に、電子の平均自由行程の長い銅、金のような常伝導金属層と超伝導層の多層膜により、粒子のエネルギー測定に必要なエネルギーギャップを担う機能と準粒子の拡散を担う機能を別の層にもたせることにより、長い平均自由行程を得る。極低温環境下の常伝導金属中ではフォノンと準粒子の相互作用は弱いので、長い平均自由行程を得ることができる。
【００１６】
例えば、純粋な銅の結晶においては、4Kにおいて平均自由行程は3mmとなる。非常に純粋な金属では4Kにおいて10cmという平均自由行程が測定される場合もある。
【００１７】
また、異なる超伝導層の積層膜において、エネルギーギャップが厚さ方向に周期的に異なる層構造を作ることにより、低いエネルギーギャップ層のフォノンが、高いエネルギーギャップ層に入った場合には、準粒子を励起するのに十分なエネルギーを持たないので、散乱されない。これにより、長いフォノンの平均自由行程を実現できる。
【００１８】
さらに、各層間に絶縁層を挿入することもできる。この場合、超伝導近接効果は働かないので、電子系と格子系の分離をより完全なものとすることができ、平均自由行程を長くできる。
【００１９】
何れの場合においても、横方向の寸法に対して吸収体の厚みは極端に薄いものを想定しており、縦方向への準粒子とフォノンの広がりは横方向に比べて瞬時に広がると見なすことができる。
【００２０】
【参考例１】
図1は、性質の異なる二種類の超伝導体を組み合わせた粒子吸収体の例である。超伝導体1（タンタル）、超伝導体2（アルミニウム）からなる多層構造を有する粒子吸収体の断面を示す。多層構造全体の厚みは、被測定粒子が吸収体中で吸収される厚みに調整する。超伝導転移温度は、タンタル4.47K、アルミニウム1.75Kである。準粒子、フォノンの平均自由行程は、欠陥、不純物によって大きく変わるので、欠陥、不純物を少なくして平均自由行程を長くする必要がある。この例では平均自由行程の長いアルミニウム中に、例えば4Kの超伝導転移温度に相当する超伝導エネルギーができるようにタンタルとアルミニウムの膜厚比を調整する。それぞれの膜厚は、超伝導現象の特徴的な長さであるコヒーレンス長以下とする。これにより、0.4Kで動作する粒子吸収体となる。準粒子とフォノンは平均自由行程が長いアルミニウム中を広がることができる。図はこの状態を示す。
【００２１】
また、それぞれの膜厚をコヒーレンス長以上にすることにより、タンタル中とアルミニウム中でエネルギーギャップが周期的に異なる構造を作ることができる。この場合、アルミニウム層中で超伝導エネルギーギャップ程度のエネルギーをもつフォノンは、タンタル層中では、ギャップ以下のエネルギーとなるためクーパー対を壊すことができないので電子系による散乱が弱くなり、長い平均自由行程を得ることができる。
【００２２】
【参考例２】
図２は、超伝導体（タンタル）と常伝導体（銅）を組み合わせた粒子吸収体の例である。超伝導転移温度は、タンタルでは4.47Kである。一方、銅は極低温状態においても超伝導転移を示すという報告はなく、常伝導金属である。純粋な銅を用いることにより、銅層における平均自由行程はタンタル層より長くすることができる。準粒子とフォノンの平均自由行程は、欠陥、不純物によって大きく変わるので、欠陥、不純物を少なくして平均自由行程を長くする必要がある。銅層中に超伝導近接効果により、例えば3Kの超伝導転移温度に相当する超伝導エネルギーギャップができるようにタンタルと銅の膜厚比を調整する。これにより、銅層中で長い平均自由行程をもち、0.3Kで動作する粒子吸収体となる。
【００２３】
【参考例３】
図３は、二種類の超伝導体1（タンタル）、超伝導体2（アルミニウム）と常伝導体（銅）を組み合わせた粒子吸収体の例である。二種類の超伝導体と一種類の常伝導金属を組み合わせて、それぞれの膜厚比を調整することにより、適切な超伝導エネルギーギャップと長い平均自由行程を得ることができる。
【００２４】
【参考例４】図４は、超伝導体１（タンタル）、超伝導体２（アルミニウム）、絶縁層を組み合わせた粒子吸収体の例である。超伝導層１と超伝導層２の間に絶縁体層があるので、超伝導近接効果は働かない。したがって、エネルギーギャップの大きなタンタル層と、小さなアルミニウム層の周期構造となる。絶縁層を準粒子はトンネルすることができる。フォノンは絶縁層を透過できる。この条件では、主に、タンタル層中でフォノンの拡散、アルミニウム層中で準粒子の拡散が期待できる。
【００２５】
【参考例５】
図５は、超伝導体（タンタル）、常伝導体（銅）、絶縁層を組み合わせた粒子吸収体の例である。超伝導層と常伝導層間に絶縁体層があるので、超伝導近接効果は働かない。したがって、常伝導層中には、超伝導エネルギーギャップがない。タンタル層中で発生した準粒子とフォノンは、タンタル層を拡散するが、一部のフォノンは銅層中に入る。銅層中では、電子系とフォノン系の相互作用が弱く、フォノンは、長い平均自由行程をもつ。
【００２６】
【参考例６】
図６は、粒子吸収体と超伝導トンネル接合で構成した粒子検出器の例である。超伝導トンネル接合としては、超伝導−絶縁体−超伝導のタイプ、あるいは常伝導−絶縁体−超伝導のタイプが考えられる。粒子吸収体中で発生した準粒子とフォノンは拡散して超伝導トンネル接合に到達する。この準粒子が絶縁障壁を量子力学的トンネル効果によってトンネルすることにより信号を生成する。すなわち、この場合超伝導トンネル接合は、準粒子センサーとして働く。
また、センサーとしてはカロリメーターを使うこともできる。
【００２７】
【実施例１】
図７は、粒子吸収体と超伝導トンネル接合で構成した粒子検出器の例である。超伝導トンネル接合としては、超伝導−絶縁体−超伝導のタイプ、あるいは常伝導−絶縁体−超伝導のタイプが考えられる。粒子吸収体中で発生した準粒子とフォノンは拡散によって吸収体中に広がる。吸収体とセンサーは絶縁層で隔てられているので、この層を透過するのは主にフォノンである。このフォノンを超伝導トンネル接合からなるフォノンセンサーで測定する。
【００２８】
【発明の効果】
本願発明は、二種類以上の超伝導体、常伝導体あるいは絶縁体を組み合わせることにより、有限の大きさの超伝導エネルギーギャップと準粒子とフォノンの長い平均自由行程を同時に実現するものである。これにより、準粒子の長い拡散が可能となり、従来の超伝導を使った粒子検出器では困難であった、広い有感面積、高いエネルギー分解能、高い動作温度を同時に実現する超伝導粒子検出器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  超伝導粒子吸収体参考例１の断面図
【図２】  超伝導粒子吸収体参考例２の断面図
【図３】  超伝導粒子吸収体参考例３の断面図
【図４】  超伝導粒子吸収体参考例４の断面図
【図５】  超伝導粒子吸収体参考例５の断面図
【図６】  超伝導粒子吸収体と超伝導トンネル接合を組み合わせた粒子検出器の参考例
【図７】  本願発明に係る超伝導粒子吸収体と超伝導トンネル接合を組み合わせた粒子検出器の実施例
【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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【図７】
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