(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、超伝導トンネル接合素子アレイ及び前記超伝導トンネル接合素子アレイに各々接続された入出力端子を有する検出部チップと、前記各超伝導トンネル接合素子からの信号を処理する信号処理回路及び前記信号処理回路に接続された入出力端子を有する信号処理チップとを備える粒子線検出装置であって、
前記検出部チップと前記信号処理チップとは、前記検出部チップのみに磁場が印加されるように前記基板上に磁気的に分離してマウントされており、
前記基板は開口部を有するとともに超伝導材料からなる配線層を有し、前記検出部チップは前記超伝導トンネル接合素子アレイが前記基板の開口部に面しその入出力端子が前記開口部の周囲に設けられた前記配線層と接続されるようにして前記基板にマウントされ、前記信号処理チップはその入出力端子と前記検出部チップの入出力端子とが前記超伝導材料からなる配線層によって結線されるようにして前記基板の前記検出部チップと同じ側にマウントされており、
前記検出部チップは、前記開口部に面した側と反対側の面に超伝導ペルチェ素子が取り付けられていることを特徴とする粒子線検出装置。
【請求項２】
前記信号処理チップは、磁束が侵入しないように超伝導体材料によって包囲されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子線検出装置。
【請求項３】
前記基板は基板表面に平行な超伝導材料層を有し、その上に絶縁して前記超伝導材料からなる配線層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子線検出装置。
【請求項４】
前記信号処理回路は超伝導デバイスによって構成され、前記超伝導トンネル接合素子の出力を増幅する増幅回路と、増幅された信号をＡＤ変換するデジタル化回路と、デジタル化された信号を演算する演算回路とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の粒子線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光子（電磁波）、荷電粒子、中性粒子等の粒子線を検出するのに用いられる粒子線検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高いエネルギー分解能と優れた時間分解能を有する粒子線検出器として、超伝導トンネル接合（Superconducting Tunnel Junction）素子（以下、ＳＴＪ素子という）を用いた検出素子と超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた低雑音信号増幅素子の組み合わせが知られている。
【０００３】
ＳＴＪ素子は、図１０に略示するように、２つの超伝導体１０１，１０２で薄い絶縁層１０３を挟んだ構造を持つ素子１００である。両側の超伝導体１０１，１０２の電子は、フェルミ面近傍でクーパー対を形成しボーズ凝縮を起こしている。両側の超伝導体１０１，１０２にバイアス電圧ＶBをかけ各々のポテンシャルに差を生じさせると、その差がクーパー対の解離エネルギーに相当する２Δ以下の際には熱励起した準粒子のみが厚み１０〜２０Åの絶縁層１０３をトンネル効果により量子力学的に通過し、両側の超伝導体１０１，１０２の間に微小電流が流れる。バイアス電圧ＶBを２Δ以上に上げると急激に電流が増加し、バイアス電圧とＳＴＪ素子に流れる電流の関係は図１１の様なＶ−Ｉ特性を示す。また、バイアス電圧ＶBが０の場合には、クーパー対が絶縁層１０３をトンネル効果で通過するいわゆるジョセフソン電流が流れる。
【０００４】
粒子線検出器の基本的な動作原理は、粒子線が検出器に入射した際に検出器に与えたエネルギーを何らかの形で電流もしくは電圧信号に変換して取り出すことである。ＳＴＪ素子の場合、バイアス電圧ＶBを図１１の２Δ以下に設定しておき、超伝導体１０１もしくは１０２に粒子線が入射した際に与えられたエネルギーによってクーパー対が解離して生じた準粒子を電流として取り出すと、検出器として動作することになる。このとき、バイアス電圧ＶBは非常に小さいため、粒子線の入射によって生じた信号電流と同時に大きなジョセフソン電流が流れ、本来の信号が埋もれてしまう。ジョセフソン電流の大きさはＳＴＪ素子に磁場をかけることで制御可能なため、ＳＴＪ素子を粒子線検出器として動作させるためには、ジョセフソン電流が０になるような大きさの磁場Ｂをかけることが必要不可欠である。
【０００５】
ＳＴＪ素子の粒子線検出器としての動作温度は超伝導転移温度Ｔcよりも十分低いことが必要で、およそＴc／１０程度である。これはノイズ、すなわちエネルギー分解能を悪くする原因の一つとなる熱励起した準粒子によるバイアス電流をなるべく小さくするために、熱励起を起こりにくくする必要があるからである。
【０００６】
一方、信号増幅素子として用いられるＳＱＵＩＤは同様にＳＴＪ素子の組み合わせで構成されており、磁場の微小な変化を検出しそれを増幅する素子である。実際には、検出器で生じた信号電流をＳＱＵＩＤに近接したコイルに導き、電流の変化を磁場の変化に変換してＳＱＵＩＤで検出・増幅する。従って、コイル及びＳＱＵＩＤは外部磁場から完全に遮断する必要がある。ＳＱＵＩＤの動作温度は、素子が超伝導になっていればよいためＴc以下であればよい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように粒子線検出素子としてのＳＴＪ素子から得られる信号は微弱なため、前置増幅器としてはＳＴＪを有する超伝導量子干渉計（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）が使用される。従来の超伝導粒子線検出素子を用いた粒子線検出装置は手作業でボンディングを行って組み立てていたが、配線がノイズを拾ってノイズレベルが高いため分解能の低下を招き、また検出装置として十分な信頼性を有しているとは言えなかった。
【０００８】
また、粒子線検出素子として使用されるＳＴＪ素子の一つ一つは１００μｍ角程度の微小なものであり、短時間で高精度な測定を行うためには検出器の検出面積を数ｍｍから１ｃｍ程度の大きさとすることが必要である。従って、多数の接合素子を配列にしてシステム化する必要がある。ＳＴＪ素子の最適条件下での使用には、低温部から常温部までの電気信号の伝達の低雑音化が必須である。具体的には、信号をＳＱＵＩＤで増幅するか、低温部でＡＤ変換をしてしまうかのどちらかである。中規模のＳＴＪ素子の配列ならＳＱＵＩＤで増幅して常温部までもっていけばよいし、大規模のＳＴＪ素子配列の場合には配線の問題から低温部でＡＤ変換をかけるのが望ましい。いずれにしても、素子の数が多くなると配線が大変になる。
【０００９】
さらに、ＳＴＪ素子を粒子線検出素子として使うためには磁場をかける必要があるが、ＳＱＵＩＤや超伝導デバイスを用いるＡＤＣは磁場がかかっていると動作しない。従って、単純に検出部と読み出し用ＳＱＵＩＤ又は超伝導ＡＤＣを単にモノリシックに集積化しても動作しない。
本発明は、このようなＳＴＪ素子を用いた粒子線検出装置の現状に鑑みてなされたもので、ノイズレベルが低く、かつ性能再現性を向上した粒子線検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、粒子線検出器として使用されるＳＴＪ素子配列を集積したチップと、ＳＱＵＩＤや超伝導ＡＤＣ等からなる信号処理回路を集積したチップとを別々のチップとして作っておく。これらのチップを、例えば超伝導フリップチップボンディングで結合してハイブリッド化する。そして、各チップ間にできた空間に、超伝導材料で磁気的な仕切を設け、必要なデバイスのみに磁場をかけることができるようにすることで前記目的を達成する。
【００１１】
すなわち、本発明の粒子線検出装置は、基板と、超伝導トンネル接合（ＳＴＪ）素子アレイ及び超伝導トンネル接合素子アレイに各々接続された入出力端子を有する検出部チップと、各超伝導トンネル接合素子からの信号を処理する信号処理回路及び信号処理回路に接続された入出力端子を有する信号処理チップとを備える粒子線検出装置であって、検出部チップと信号処理チップとは、検出部チップのみに磁場が印加されるように基板上に磁気的に分離してマウントされていることを特徴とする。
【００１２】
基板には開口部を設けるとともに超伝導材料からなる配線層を設け、検出部チップは超伝導トンネル接合素子が基板の開口部に面しその入出力端子が開口部の周囲に設けられた配線層と接続されるようにして基板にマウントし、信号処理チップはその入出力端子と検出部チップの入出力端子とが超伝導材料からなる配線層によって結線されるようにして基板の検出部チップと同じ側にマウントするのが好都合である。
【００１３】
このようなマウント法によると、基板上に検出部チップと信号処理チップをフリップチップボンディングで実装してハイブリッド化することができる。フリップチップボンディングによるとＳＴＪ素子配列は基板側を向いてしまい、このままでは粒子線検出器にならないが、基板の開口部に検出部チップをマウントすることにより、粒子線を基板開口を通して基板側からＳＴＪ素子配列に入射させることができる。この配置によると、信号処理チップは基板によって入射粒子線から遮蔽されるため、信号処理回路を構成するＳＱＵＩＤアンプなどに粒子線が入射して誤動作することも回避される。
【００１４】
検出部チップのみに磁場が印加され、信号処理チップには磁場が印加されないようにするには、例えば信号処理チップを、磁束が侵入しないように超伝導体材料によって包囲すればよい。あるいは、検出部チップのみを超伝導材料で筒状に包囲し、検出装置に印加された磁束がその筒の内部のみを通るようにしてもよい。
【００１５】
基板側においても信号処理チップを十分磁気遮蔽するためには、基板に基板表面と平行に超伝導体層を設け、その上に絶縁して前記超伝導体からなる配線層を設けるのが好ましい。
検出部は性能を維持するために他の信号処理回路よりも十分低温に保たれている必要がある。しかし、検出部チップのＳＴＪ素子アレイは、基板側からボンディングを介してしか冷却されないため十分な冷却が行えない。このため、検出部チップの背面すなわち基板の開口に面した側と反対側の面に、やはりＳＴＪ素子を用いた超伝導ペルチェ素子を張り付けて冷却するのが好ましい。
【００１６】
信号処理チップの信号処理回路は超伝導デバイスによって構成される。信号処理回路には、超伝導トンネル接合素子の出力を増幅する増幅回路、増幅された信号をＡＤ変換するデジタル化回路（ＡＤＣ回路）、デジタル化された信号を演算処理する演算回路、外部との通信処理を行う通信回路などを含ませることができる。増幅回路はＳＱＵＩＤによって構成することができる。また、ＡＤＣ回路、演算回路、通信回路等も全てＳＴＪ素子によって構成することができ、信号処理チップは既存の半導体集積回路製造技術によって製造することができる。
【００１７】
このようにＡＤＣ回路まで、あるいは演算回路や通信回路までも極低温に冷却される低温部に配置することにより、低温部と常温部とを接続する配線の数を大幅に減少することができ（低温部と常温部の接続を通信線のみとする場合には最低２本の配線ですむ）、配線を簡略化できるとともに低温部への熱入力を最小限に抑えることができる。
【００１８】
このようにして本発明によると、ノイズレベルが低く、検出器としての性能の再現性を向上した粒子線検出装置を得ることができる。この粒子線検出装置は、近赤外光から可視光、紫外光、Ｘ線、ガンマ線に及ぶ電磁波（光子）、電子やイオンなどの荷電粒子、分子線や中性原子線などの中性粒子等の粒子線を検出するのに用いることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、基板の一例を示す模式的平面図である。基板１０は中央に開口部１１を有し、その周囲に配線層１２ａ〜１２ｄを有する。配線層１２ａ〜１２ｄは超伝導材料層、例えばＮｂ層をパターニングすることによって形成される。配線層１２ａ〜１２ｄは、基板１０の開口部１１にマウントされる検出部チップの入出力端子と、基板１０の周辺領域にマウントされる信号処理チップの入出力端子の間を接続する。信号処理チップがマウントされる位置には、信号処理チップの外形寸法よりわずかに大きな寸法で超伝導材料よりなる枠１３ａ〜１３ｄが形成されている。
【００２０】
図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３（ａ）及び（ｂ）は図２のＢ−Ｂ矢視断面図及びＣ−Ｃ矢視断面図である。基板１０は、図２及び図３に示されるように、例えば流動ガラス等の絶縁板１４の上にＮｂ等の超伝導材料層１５を一面に形成し、更にその上にＳｉＯ2等の絶縁層１６を一面に形成した上に、超伝導材料からなる配線層１２ａ〜１２ｄが形成されている。配線層１２ａ〜１２ｄのパターニングは、周知のフォトリソグラフィ法で行うことができる。信号処理チップ３０がマウントされる場所の周囲には、配線層１２ａ〜１２ｄを覆うようにして超伝導材料たとえばＮｂからなる枠１３ａ〜１３ｄが形成されている。配線層１２ａ〜１２ｄ上では、超伝導材料からなる枠１３ａ〜１３ｄが配線層１２ａ〜１２ｄの導体と直接接触することがないように、図３（ａ）に示すように、配線層１２ａ〜１２ｄの導体の周囲に絶縁層１７が形成されている。
【００２１】
図４は検出部チップの一例を示す模式的平面図、図５は信号処理チップの一例を示す模式的平面図である。
検出部チップ２０は、図１０に模式的に示したＳＴＪ素子を例えば１００〜１００００個程度配列したＳＴＪ素子アレイ２１と、チップ周縁部に配置されアレイ中の各ＳＴＪ素子に接続された入出力端子２２ａ〜２２ｄとを備える。ＳＴＪ素子を構成する超伝導材料は、例えば次の表１に示したような元素から選択することができる。表１には臨界温度Ｔc［Ｋ］、臨界磁束密度Ｈc［Gauss］、ギャップエネルギーΔ［ｍｅＶ］も合わせて示す。この他に、超伝導を示す合金、金属間化合物あるいは金属酸化物などを用いることもできる。
【００２２】
【表１】
0004058548.tif 000002
【００２３】
信号処理チップ３０は、前置増幅器、ＡＤＣ、演算処理回路、通信回路等を集積化したもので、回路部３１と回路部に電気的に接続された入出力端子３２を有する。
【００２４】
図６は、前置増幅器とＡＤＣの一例を示す概略図である。ＳＴＪ素子４０による検出信号はｄｃ−ＳＱＵＩＤ４１で増幅された後、ＳＴＪ素子を用いたＡＤＣ回路５０でデジタル信号に変換される。ＡＤＣ回路５０は、入力線が直列に接続された量子干渉素子５１〜５４によって構成されている。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ４１のジョセフソン接合４２はヒステリシス特性を持たないが、量子干渉素子５１〜５４のジョセフソン接合５５はヒステリシス特性を有する。量子干渉素子５２〜５４の入力線と各回路の結合度は、量子干渉素子５１との結合度の２倍、４倍、８倍となっており、バイアス電流を周期的に遮断することにより入力信号をデジタル化することができる。デジタル化された検出信号は、さらに演算処理回路５７で処理される。
【００２５】
図７は、基板上に検出部チップと信号処理チップを磁気的に分離してマウントする方法を説明する図である。
検出部チップ２０は、ＳＴＪ素子アレイ２１が形成された面を基板１０の開口部１１に向けて位置合わせし、入出力端子２２ａが配線層１２ａのパッド部に、入出力端子２２ｂが配線層１２ｂのパッド部に、入出力端子２２ｃが配線層１２ｃのパッド部に、入出力端子２２ｄが配線層１２ｄのパッド部に整列するようにして、フリップチップボンディングによって接続される。
【００２６】
信号処理チップ３０は、各々信号処理回路３１が形成された面を基板側に向け、各々の入出力端子３２が基板の配線層１２ａ〜１２ｄのパッド上に位置するように位置決めしてフリップチップボンディングによって接続される。続いて、超伝導材料で作られた中空の箱状磁気シールド体６０が各信号処理チップに被せられる。箱状体６０の底部端面は基板１０上に形成された超伝導材料からなる枠（図示の例では枠１３ｃ）の上に載せて機械的に下部超伝導層に密着される。
【００２７】
図８は、検出部チップ２０と信号処理チップ３０をマウントした基板１０の模式的断面図である。信号処理チップ３０は、上面及び前後左右の面を超伝導材料からなる箱状の磁気シールド体６０で囲まれ、底面を基板１０に予め形成した超伝導材料層１５で囲まれ、周囲から磁気的に絶縁された状態で基板１０上にマウントされる。一方、検出部チップ２０は磁気シールドで囲まれておらず、両者は磁気的に分離されている。従って、例えば粒子線検出装置全体を外部磁場の中に置くことで、信号処理チップ３０に磁場を印加することなく検出部チップ２０にのみ磁場を印加することができる。
【００２８】
図９は、粒子線検出装置の冷却方法の一例を示す説明図である。この例では、粒子線検出装置はクライオスタット内において容器７０中に入った液体ヘリウム３によって冷却される銅製のコールドフィンガー７１に基板１０を接触させて取り付けられている。こうしてＴc／１０程度の低温、例えば０．３〜０．５Ｋに冷却され、周囲に配置された永久磁石やマグネットコイルによって、検出部チップ２０のＳＴＪ素子アレイに５０ガウス程度の磁場を印加して使用される。検出すべき粒子線は、クライオスタットの図示しない１００μｍ程度の膜厚のベリリウム窓を通り、コールドフィンガー７１の開口部７２及び基板１０の開口部１１を通って、検出部チップ２０のＳＴＪ素子アレイに入射する。
【００２９】
なお、検出部チップ２０はフリップチップボンディングによって基板１０に接続されているため、ボンディングを介してしか冷却されず、このままでは十分な冷却を行うことができない。そのため、本発明では、検出部チップ２０の背面に、やはりＳＴＪ素子を用いた超伝導ペルチェ素子７５を張り付けて冷却することで、Ｔc／１０程度の低温に冷却することを可能とする。超伝導ペルチェ素子で発生した熱は、熱伝導体７６を介してコールドフィンガー７１に逃がされる。
【００３０】
超伝導ペルチェ素子は、常伝導金属／絶縁体／超伝導体（ＮＩＳ）あるいは超伝導体／絶縁体／常伝導金属／絶縁体／超伝導体（ＳＩＮＩＳ）といった積層構造を有する素子であり、超伝導体層内でギャップエネルギー分以上のエネルギーを持った電子が絶縁体層を量子力学的にトンネルして常伝導体内でその（ギャップエネルギー以上の）エネルギーを解放することを利用して、熱を積層面に垂直な方向に強制的に輸送するものである（Appl. Phys. Lett. 68(14), pp.1996-1998, Appl. Phys. Lett. 70(14), pp.1885-11887参照）。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によると、ノイズレベルが低く、検出器としての性能の再現性を向上した粒子線検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板の一例を示す模式的平面図。
【図２】図１のＡＡ矢視断面図。
【図３】（ａ）は図２のＢＢ矢視断面図、（ｂ）は図２のＣＣ矢視断面図。
【図４】検出部チップの一例を示す模式的平面図。
【図５】信号処理チップの一例を示す模式的平面図。
【図６】前置増幅器とＡＤＣの一例を示す概略図。
【図７】基板上に検出部チップと信号処理チップを磁気的に分離してマウントする方法の説明図。
【図８】検出部チップと信号処理チップをマウントした基板の模式的断面図。
【図９】粒子線検出装置の冷却方法の一例を説明する図。
【図１０】超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ素子）の模式図。
【図１１】ＳＴＪ素子のＶ−Ｉ特性図。
【符号の説明】
１０…基板、１１…開口部、１２ａ〜１２ｄ…配線層、１３ａ〜１３ｄ…超伝導材料の枠、１４…絶縁板、１５…超伝導材料層、１６…絶縁層、１７…絶縁層、２０…検出部チップ、２１…ＳＴＪ素子アレイ、２２ａ〜２２ｄ…入出力端子、３０…信号処理チップ、３１…回路部、３２…入出力端子、４０…ＳＴＪ素子、４１…ｄｃ−ＳＱＵＩＤ、４２…ジョセフソン接合、５０…ＡＤＣ回路、５１〜５４…量子干渉素子、５５…ジョセフソン接合、５７…演算処理回路、６０…箱状磁気シールド体、７０…容器、７１…コールドフィンガー、７２…開口部、７５…超伝導ペルチェ素子、７６…熱伝導体、１００…ＳＴＪ素子、１０１，１０２…超伝導体、１０３…絶縁層
【図１】
0004058548.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
0004058548.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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