(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エックス線を吸収し熱を発生する吸収体と、
前記吸収体で発生した熱により抵抗値が変化する抵抗体と、
前記抵抗体と前記吸収体間に設けられた絶縁膜と、
前記吸収体と前記抵抗体が接触するように前記絶縁膜に設けられた複数の貫通穴と、
基板上に設けられ前記抵抗体からの熱流量を制御するメンブレンと、
からなるカロリーメータにおいて、
前記複数の貫通穴が、前記抵抗体に流すバイアス電流の向きに平行になるように配置されたことを特徴とするカロリーメータ。
【請求項２】
前記貫通穴が４つの場合、２つの貫通穴が前記バイアス電流の向きに平行になるように配置され、残りの２つの貫通穴が前記バイアス電流の向きに垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のカロリーメータ。
【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の急峻さを利用し、Ｘ線により発生する微小な熱を大きな信号電流に変換し、かつ自己電熱フィードバック機構を利用することにより高エネルギー分解能、高計数率の特徴をもつ超伝導放射線検出器に関する。
【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転移端を利用したマイクロカロリーメータが注目されている（以後マイクロカロリーメータと呼ぶ）。従来の半導体を用いた検出器として、Energy Disperse 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、かつ高計数率の性能を併せ持つ検出器としてマイクロカロリーメータが期待されている。マイクロカロリーメータは、超伝導転移近傍に温度設定をし、定電圧駆動させることにより、自己電熱フィードバック機構がはたらき高エネルギー分解能、高計数率を達成している。マイクロカロリーメータの詳細な説明は、K. D. Irwin, Applied physics Letters 66, 1988 (1995) に記載されている。超伝導転移温度は、物質が常伝導状態から超伝導状態へ転移する温度を表す。超伝導体に薄く常伝導体を成膜すると近接効果により超伝導転移温度を単層のそれに比べ低温側にシフトさせることができる。温度のシフト量は超伝導体と常伝導体の膜厚比により決定される。マイクロカロリーメータが超伝導体と常伝導体の２層構造である場合、放射線の吸収にともない発生した活性電子は主に常伝導体の中を拡散する。電子の拡散はできるだけ早いほうがよく、電子の拡散長が短いとカロリーメータが昇温される時間が長くなる。その結果、エネルギー分解能を決定する信号パルスの波高値のばらつきに影響を及ぼす。特に薄膜になるほど電子の拡散長が短くなることを薄膜効果と呼ぶ。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
カロリーメータは、抵抗体の上に吸収体を設けるため、抵抗体の面積を吸収体より大きくする必要があった。Ｘ線の吸収効率を向上させるためには、吸収体を厚くする、または面積を大きくする必要がある。そのため、抵抗体の面積は少なくとも吸収体の面積より小さくすることはできなかった。
【０００４】
また、吸収体が常伝導体である場合、吸収体下部の抵抗体は近接効果により常伝導状態となり、吸収体がない抵抗体部で超伝導転移温度は決定される。抵抗体の大きさは一定とし、吸収体がある場合とない場合では、吸収体があるカロリーメータの転移温度はない場合と比較し低下し、かつ転移幅が広がる問題が生じていた。転移幅が広がるとカロリーメータのエネルギー分解能が劣化し、かつ計数率も劣化する。本発明において、吸収体の面積を減らさず、かつ超伝導転移温度幅も劣化させないカロリーメータを得ることを目的とした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明においては、Ｘ線を吸収し熱を発生する吸収体と、吸収体がその上に積層され吸収体で発生した熱により抵抗値を変化させる抵抗体と、抵抗体と外部の電流検出器とを結ぶ超伝導配線と、抵抗体が積層されているメンブレンとから構成され、抵抗体が超伝導体からなり、抵抗体に定常的に電流を流すことにより発生するジュール熱と吸収体で発生するジュール熱とがメンブレンを熱的にバランスされて伝わるカロリーメータにおいて、抵抗体と吸収体の間にその厚み方向（抵抗体から吸収体に向かう方向）に貫通穴を有する絶縁膜が設けられている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
吸収体の面積を減らさず、かつ超伝導転移温度幅も劣化させないカロリーメータを得るために、Ｘ線を吸収するための吸収体が、吸収体で発生した熱により抵抗値を変化させる抵抗体上に積層され、抵抗体と外部の電流検出器とを結ぶ超伝導配線と抵抗体が積層されているメンブレンから構成され、抵抗体が超伝導体からなり、抵抗体に定常的に電流を流すことにより発生するジュール熱と吸収体で発生するジュール熱がメンブレンを伝わる熱が熱的平衡状態が保たれているカロリーメータにおいて、抵抗体と吸収体の間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする。特に、絶縁膜中に膜厚方向に貫通穴を一つ設けた場合、バイアス電流の向きと平行となるように配置し、かつ貫通穴の径方向の断面形状が電流の向きと平行な辺が長辺となるような長方形型とし、または絶縁膜中に膜厚方向に貫通穴を複数個設けた場合、少なくとも２つの穴の配置が前記電流の向きと平行となるように配置した。吸収体は十分厚い常伝導体である場合、抵抗体から十分離れた（コヒーレント長より長い）位置は抵抗体の影響を受けず自由に活性電子は移動することができる。吸収体で発生した活性電子(hot  electron)は、吸収体内部で拡散し、設けられた穴から抵抗体へと伝わる。そのため、カロリーメータ全体に活性電子が広がる速さは、吸収体の拡散係数と平均自由行程により決まり、例えば300μ×300μｍの金である場合、1μs以内で拡散することは可能である。1μsはカロリーメータの時定数（例えば100μs）より十分速い。その結果、Ｘ線が吸収体のどこで吸収されてもパルス波高値は一律に決まり、パルスの位置依存性はなくなり、エネルギー分解能の劣化を防ぐことができる。
【０００７】
また、配置が電流の向きと平行である２個の穴を通して電流が吸収体を流れるため、カロリーメータの抵抗値はほぼ吸収体の抵抗値で決定される。抵抗値が小さいと、流れる電流が一定である場合、電流によるジュール熱が減少するため、メンブレンの熱コンダクタンスを小さくすることすることができる。その結果、ＳＮ比（Signal to Noise）が大きくなり、エネルギー分解能の向上を計ることができる。
【０００８】
また、吸収体と抵抗体の間に絶縁膜を設けておくことにより、絶縁膜下部の抵抗体は近接効果により超伝導性を弱められることはない。そのため、吸収体と抵抗体の面積が近い場合、また同じ場合でも抵抗体と吸収体が接触している箇所を除けば、抵抗体の超伝導性は維持される。その結果、抵抗体と吸収体が接触する面積を小さくすることにより、超伝導転移温度低下を防ぐことができ、かつ転移幅も狭くすることができ、エネルギー分解能向上と計数率向上を計ることができた。
【０００９】
また、穴が４つである場合、２つの穴の配置が電流の向きと平行であり、２つの穴の配置が垂直であるカロリーメータを用いた。
【００１０】
Ｘ線吸収により吸収体で発生した活性電子は、吸収体内で等方的に拡散する。抵抗体を均一に昇温させるためには、吸収体内で拡散した活性電子ができるだけ速く抵抗体に到達し、均一に抵抗体で拡散する必要がある。２つの穴の配置（並ぶ向き）を電流と平行とし、残り２つの穴の配置を垂直とすることにより、活性電子が吸収体内どこで発生しても、すばやく抵抗体内部に到達することがでる。抵抗体において熱を輸送するのは電子であるため、吸収体で発生した電子が抵抗体に広がるとカロリーメータを均一にすばやく昇温させることができる。
【００１１】
その結果、Ｘ線が吸収体のどこで吸収されてもパルス波高値は一律に決まり、パルスの位置依存性はなくなり、エネルギー分解能の劣化を防ぐことができる。
【００１２】
また、絶縁膜が弗化水素でエッチングされない材料であるカロリーメータを用いた。カロリーメータの構成材料として弗化水素でエッチングされる材料、例えばチタンを用いた場合、絶縁膜が保護膜となりチタンをプロセス工程において、弗化水素によるエッチングを防ぐことができる。特に５酸化タンタルは耐弗化水素性があり、かつスパッタにより容易に成膜することができる。
【００１３】
その結果、カロリーメータを構成する抵抗体の材料として、弗化水素でエッチングされる材料でも使用することができ、抵抗体の材料による制約なしに容易にカロリーメータを作製することができる。
【００１４】
【実施例】
図１(a),(b)は、抵抗体４と吸収体５の間に絶縁膜７が設けられたカロリーメータの模式図である。図１(b)は平面図、図１(a)はそのＡ−Ａ‘断面図を表す。Ｘ線を吸収するための吸収体５が、吸収体で発生した熱により抵抗値を変化させる抵抗体４上に積層される。抵抗体４は、超伝導配線６を介し、外部の電流検出器に接続される。抵抗体４はメンブレン３上に積層されている。抵抗体４は超伝導体からなり、抵抗体４に定常的に電流を流すことにより発生するジュール熱と吸収体で発生するジュール熱は、熱的にバランスされてメンブレンを伝わる。
【００１５】
カロリーメータ１は、基板２上にメンブレン３が設けられており、メンブレン３上には抵抗体４と吸収体５と超伝導配線６が積層されている。絶縁膜７が、抵抗体４と吸収体５の間に設けられている。メンブレン３は抵抗体４で発生する熱が基板２へ流れる熱流量をコントロールするために用いられる。抵抗体４で発生する熱は小さく、メンブレン３に要求される熱コンダクタンスは例えば20nW/K以下である。メンブレン３は、例えば窒化シリコンの薄膜が用いられ、厚みは１μｍ以下である。抵抗体４は例えば400mKでカロリーメータ１を動作させる場合、Au(30〜40nm)とTi(60nm〜100nm)の２層構造とする。Ti薄膜の転移温度は約600mKであるが、上記２層構造とすることにより近接効果により400mKまで転移温度を下げることができる。吸収体５は、Ｘ線吸収により発生する活性電子がすばやく拡散するために、抵抗率の低い材料が好ましく、例えば金や銅を用いることができる。絶縁膜７は、抵抗体４と吸収体５の電子の移動を制限するために用いられ、超伝導体である抵抗体４が有する超伝導に特有なクーパー対が吸収体５への浸みだしを制限することができる。抵抗体４と吸収体５は一部電気的な接続ができるように、絶縁膜７にその膜厚方向に貫通穴８が設けられている。吸収体５が十分厚い場合、近接効果により吸収体５と接触している抵抗体４の部分はつねに常伝導状態となる。すなわち絶縁膜７の下部は400mKで超伝導転移しても、抵抗体４と吸収体５が接触している箇所は常伝導状態に保たれている。
【００１６】
絶縁膜７の材料として、例えば５酸化タンタルを選ぶことができる。抵抗体４で用いられるチタンは弗化水素によりエッチングされるため、絶縁膜７は弗化水素にエッチングされない材料が好ましく、５酸化タンタルはエッチングされない材料である。
【００１７】
以下本カロリーメータ１の動作について説明する。カロリーメータ１は定電圧で駆動され、抵抗体４を流れる電流によりジュール熱が発生する。ジュール熱はメンブレン３を通じて逃げる熱と熱的に平衡状態が保たれている。この熱的な平衡状態にあるカロリーメータ１にＸ線などの熱が入ると、抵抗値が上昇し、熱的に非平衡状態へとなる。カロリーメータ１は常に定電圧状態にあるため、抵抗値が変化すると電流パルスが発生し、この電流パルスの波高値を測定することにより、Ｘ線のエネルギーを求めることができる。熱的に非平衡状態となったカロリーメータ１は、熱的な自己フィードバック機能により、もとの熱平衡状態へと戻る。図１に示すように、電流が流れる向きと平行に１個の穴があると、抵抗体４が常伝導状態のとき抵抗体４でなく吸収体５を電流は流れる。なぜならば抵抗体４と比較し、吸収体５は、素材として金や銅を用いた場合抵抗値が低いためである。カロリーメータ１の抵抗値４が低く、メンブレン３の熱コンダクタンスを小さくすることにより、抵抗体４に流す電流を小さくすることができる。抵抗体４に流れる電流が小さくなると、カロリーメータ１で発生するジュール熱を小さくすることができる。カロリーメータ１は冷凍機で動作させられるが、冷凍機の冷却能力にも限界があり、カロリーメータ１のジュール熱を小さくすることにより、冷却能力面での冷凍機の負担も小さくなる。ジュール熱Ｘ線が吸収体４で吸収されると、吸収体４のフェルミ面近傍の電子が励起され、活性電子が発生する。吸収体４は常伝導体であるため、活性電子は自由電子として吸収体４内を拡散する。吸収体４の大きさが300μm×300μmである場合、拡散時間は１μsを必要としない。活性電子は穴を通して抵抗体４へと拡散する。絶縁膜７下部の抵抗体４を活性電子は拡散し、最終的には抵抗体４が均一に昇温される。
【００１８】
また、パルス信号の波高値を大きくするためにカロリーメータ１の熱容量を小さくした方がよい。また、パルス信号の時定数は、(Ｃ：熱容量)/（Ｇ：熱コンダクタンス）で与えられる。先に述べたように熱コンダクタンスをできるだけ小さくした方がよいため、時定数を小さくするためにも熱容量を小さくする必要がある。カロリーメータ１の熱容量が主に抵抗体４の熱容量で決定される場合、抵抗体４の体積または転移温度を小さくする必要がある。転移温度を例えば400mKに固定した場合、熱容量を小さくするためには、体積を減少させる必要がある。抵抗体４の厚みは超伝導転移温度により構成する材料の膜厚、例えばAu(30〜40nm)とTi(60nm〜100nm)の２層構造で決定される。そのため体積を低下さるために、抵抗体４の面積を小さくする必要がある。従来構造では、吸収体５より抵抗体４は超伝導領域を確保するために大きくする必要があったが、本構造では絶縁膜７により吸収体５下部の抵抗体５の超伝導性は確保されているため、吸収体５と抵抗体４の大きさが等しくても構わない。その結果、抵抗体４の面積を従来構造より小さくすることができ、エネルギー分解能の向上を計ることができる。
【００１９】
また、常伝導状態から超伝導状態へ転移する超伝導転移温度や傾きの急峻さは、抵抗体４と吸収体5の接触面積に依存する。接触面積が増加すると転移温度は低温側へシフトし、また急峻さはゆるやかになる。急峻さとは、単位温度あたりの抵抗値の変化量の急峻度である。本発明のように、抵抗体４と吸収体５の間に絶縁膜７があると、電気的な接続が必要な箇所のみ、絶縁膜７に穴８を設けることにより、抵抗体４と吸収体５の接触面積が減少し、転移温度低下の抑制や急峻さの維持を図ることができる。
【００２０】
図２(b)は、穴が４つである場合、２つの穴の配置（２つの穴の並ぶ向き）が電流の向きと平行であり、他方の２つの穴の配置が垂直であるカロリーメータの模式図である。図2(a)はそのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００２１】
Ｘ線吸収により吸収体で発生した活性電子は、吸収体内で等方的に拡散する。抵抗体４を均一に昇温させるためには、吸収体５内で拡散した活性電子ができるだけ速く抵抗体４に到達し、均一に抵抗体で拡散する必要がある。４つの穴８のうち２個の配置を電流と平行とし、残り２つの穴の位置を垂直とすることにより、活性電子が吸収体内どこで発生しても、すばやく抵抗体４内部に到達することができる。抵抗体４において、熱の輸送は主に電子が行っているため、吸収体４内部で発生した活性電子が抵抗体４に拡散され、均一にすばやくカロリーメータ１を昇温させることができる。
【００２２】
その結果、Ｘ線が吸収体のどこで吸収されてもパルス波高値は一律に決まり、パルスの位置依存性はなくなり、エネルギー分解能の劣化を防ぐことができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上で説明したように請求項１に関わる発明によれば、貫通穴を設けた絶縁膜を用いることにより、吸収体がＸ線を吸収することにより発生する活性電子が、吸収体内部ですばやく均一に拡散し穴を通じで抵抗体を昇温させることができ、抵抗体で発生する電流パルスの波高のばらつきを押さえることができる。また、吸収体と抵抗体の間に絶縁膜を設けることにより、吸収体と抵抗体がほぼ同じ大きさでも絶縁膜下部の抵抗体の超伝導性は保つことができる。そのため、従来のカロリーメータより、電流の波高のばらつきを押さえることができ、エネルギー分解能に優れたカロリーメータを得ることができる。
請求項２に関わる発明によれば、上記貫通穴が複数ある場合、少なくとも２つの穴の配置が電流の向きと並行であるため、カロリーメータに流れる電流はほとんど抵抗体に流れる。そのため、吸収体が厚い金属体である場合特に吸収体の抵抗値が低いため、カロリーメータの抵抗値を小さくすることができる。カロリメータの抵抗値が小さく、かつ流す電流を小さくすることにより、カロリーメータで発生するジュール熱を小さくすることができる。ジュール熱が小さいとき、カロリーメータ内部の温度分布がほぼ均一となる。温度分布が均一になると、カロリーメータ内部の温度ゆらぎも小さくなり、エネルギー分解能が向上したカロリーメータを得ることができる。
請求項３に関わる発明によれば、穴が４つである場合、２つの穴の配置が前記電流の向きと平行であり、２つの穴の配置が垂直であると、Ｘ線を吸収することにより発生した活性電子が、均等に穴を通じて抵抗体を暖めることができ、抵抗体で発生する電流パルスの波高のばらつきを押さえることができる。そのため、エネルギー分解能に優れたカロリーメータを得ることができる。
請求項４に関わる発明によれば、弗化水素でエッチングされない材料である場合、カロリーメータを構成する材料が弗化水素でエッチングされるとき、カロリーメータとして必要な箇所を弗化水素によるエッチングから保護することができ、プロセス上安定してカロリーメータを作製することができる。特に５酸化タンタルがスパッタにより簡単に室温で成膜することができ、プロセスが簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に関わるカロリーメータを示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１に関わるカロリーメータを示す概略図である。
【符号の説明】
１  カロリーメータ
２  基板
３  メンブレン
４  抵抗体
５  吸収体
６  超伝導配線
７  絶縁膜
８  穴
【図１】
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【図２】
0004080778.tif 000003