(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線のエネルギーを吸収し熱に変換する吸収体と、
温度により超伝導状態と常伝導状態と中間の転移状態を持つ超伝導転移端センサからなるカロリメータと、
前記カロリメータを冷却する冷却装置と、
前記超伝導転移端センサに電圧を供給する電圧供給手段と、
前記超伝導転移端センサに流れる電流を検出する電流読み出し手段を備える超伝導放射線検出器において、
前記電圧供給手段が、電流を電流-電圧変換用抵抗に加えることにより発生した電圧を供給するものであり、さらに、電流-電圧変換用抵抗に並列にコンデンサを備えていることを特徴とする超伝導放射線検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の超伝導放射線検出器において、前記電流読み出し手段に超伝導量子干渉素子を用いることを特徴とする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】
本発明は、放射線のエネルギーを熱に変換し、さらに、その温度変化を電気信号として読み出す超伝導放射線検出器に関し、特に、高計数率の超伝導放射線検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギー分解能を持つ放射線検出器として、超伝導転移端センサ（Transition  Edge  Sensor:  TES）カロリメータを利用した超伝導放射線検出器がある。
【０００３】
図３に超伝導放射線検出器の構成図を示す。超伝導放射線検出器は、TESカロリメータ６と、TESカロリメータ６に電圧を印加する電圧供給手段７と、TESカロリメータ６に流れる電流を検出する電流読み出し手段８を備えている。
【０００４】
図４にTESカロリメータの動作概念を示す。TESカロリメータは放射線４のエネルギーを吸収し熱に変換する吸収体１と、温度によって超伝導状態、常伝導状態、中間の転移状態の３状態を持つ超伝導転移端センサ（TES）２からなる。TES２は電圧供給手段や電流読み出し手段などの電子回路５に接続され、駆動される。図５(a)にTESの温度-抵抗（Tt-Rt)曲線を示す。温度-抵抗変換係数αは次の式で表される。図５(b)にTt-α曲線を示す。
【０００５】
【数１】
0004313499.tif 000002
To，Roは動作点AにおけるTESカロリメータの温度、および抵抗値である。TESカロリメータ６は１K以下の超低温冷却装置の熱槽３に設置され、転移状態における急峻な温度―抵抗変化を利用することにより、放射線のエネルギーが電気信号に変換される。電圧供給手段７により電圧バイアスされた状態で、電流読み出し手段８を用いてTESに流れる電流Itの変化を検出する。そのときの電流変化は放射線のエネルギーに比例する。
【０００６】
放射線検出器は高エネルギー分解能と高計数率が要求される。高計数率を得るためには、入射放射線に対する応答速度を早くし、その時定数を短くする必要がある。理想的な定電圧源（センサのインピーダンスの変化によらず、電圧を常に一定に保つことができる電圧源）を用いて、転移状態の領域にバイアスされたTESカロリメータの時定数τeffは次の式で表される。
【０００７】
【数２】
0004313499.tif 000003
ここで、Cは吸収体１の熱容量、gはTESカロリーメータ６から冷却装置の熱槽３への熱コンダクタンス、nは定数(=3〜5)である。τoは固有時定数であり、C/gで表される。電流検出手段８の入力インピーダンスはTESのインピーダンスに比べ十分小さいため、ここでは無視している。式（２）が示すように、同じ素子であっても、動作点によって時定数τeffは変化し、αoが大きいほど小さくなる。
【０００８】
図６に従来例を示す超伝導放射線検出器を示す。電圧供給手段８には、電流源９とその電流値Ibを電圧に変化するバイアス抵抗（抵抗値Rb)１０により、TESカロリメータ６に電圧Vbを加える方法が用いられてきた。Rtの変化に対してバイアス抵抗１０に流れる電流も変化するため、Vbを一定に保つことはできない。この影響を考慮した時定数τeff２は次の式で表される。
【０００９】
【数３】
0004313499.tif 000004
τeff２は、Rb/Roによって変化し、Rb/Ro＝０でτeff２は最小となる。Rb/Ro＝０は、理想的な定電圧バイアス駆動の状態を意味する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
高計数率を得るためには、TESカロリメータの信号応答の時定数を短くしなければならない。そのため、理想的な定電圧バイアス駆動にし、かつ、温度-抵抗変換計数αを大きくする必要がある。
【００１１】
電流源と電流-電圧変換用バイアス抵抗によってバイアス電圧を供給する電圧供給手段では、センサの抵抗値Rtの変化に対してバイアス抵抗に流れる電流も変化するため、TESに印加される電圧Vbを一定に保つことはできない。理想的な定電圧バイアス駆動に近づけるためには、電流-電圧変換用バイアス抵抗の抵抗値Rbを十分小さくして、Rb/Roを十分小さくする必要がある。しかし、TESの常伝導抵抗の値Rnは1Ωより遙かに小さいため、Rb<<Roを満足させるバイアス抵抗を安定して得ることは難しい。
【００１２】
また、小さいRbを実現したとしても、必要な電圧Vbを得るため、非常に大きな電流源が必要となるという問題がある。
【００１３】
一方、Roの大きな点で動作させると、αoが小さくなる。駆動回路方式により、大きなαのTESでも、その性能を充分発揮できないという問題点がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の問題点を解決するために、本発明は、電流源と電流-電圧変換用バイアス抵抗によってバイアス電圧を供給する電圧供給手段において、電流-電圧変換用バイアス抵抗に並列にコンデンサを備える。従って、高速の信号に対して、定電圧バイアス駆動のように振舞うことができ、TESカロリメータの時定数を短くすることができるので、計数率が向上する。
【００１５】
またさらに、電流読み出し手段として超伝導量子干渉素子（SQUID）を備える。従って、電流源と電流-電圧変換用バイアス抵抗とバイアス抵抗に並列に挿入されたコンデンサで構成される電圧供給手段と、低インピーダンス、高感度、広帯域の電流読み出し手段である超伝導量子干渉素子（SQUID）を組み合わせることにより、さらに高速の信号検出に効果的である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１にかかわる超伝導放射線検出器の構成図を示す。超伝導転移端センサ（TES）カロリメータ６と電圧供給手段７と電流読み出し手段８で構成される。電圧供給手段７は、電流源９と電流-電圧変換用バイアス抵抗１０とバイアス抵抗１０に並列に挿入されたコンデンサ１３で構成される。定常状態において、TESにバイアス電圧Vb=Rb/(Ro+Rb)Ibが印加されている。コンデンサ１３の容量をCbとすると、コンデンサ１３には電荷Cb Vbが蓄えられている。入射放射線に対するTESに流れる電流Itの変化分はコンデンサ１３から供給される。大きな容量をもつコンデンサを用いることにより、高速の信号に対して、バイアス抵抗１０とコンデンサ１３からなるCR並列回路１４のインピーダンスを小さくすることができる。従って、高速の信号に対して、定電圧バイアス駆動のように振舞うことができ、TESカロリメータの時定数を短くすることができる。その結果、計数率が向上する。
（実施の形態２）
図２に本発明の実施の形態２にかかわる超伝導放射線検出器の構成図を示す。
【００１７】
超伝導転移端センサ（TES）カロリメータ６と電圧供給手段７と電流読み出し用超伝導量子干渉素子（SQUID）１２で構成される。
【００１８】
電圧供給手段７は、電流源９と電流-電圧変換用バイアス抵抗１０とバイアス抵抗１０に並列に挿入されたコンデンサ１３で構成される。定常状態において、TESにバイアス電圧Vb=Rb/(Ro+Rb)Ibが印加されている。コンデンサ１３の容量をCbとすると、コンデンサ１３には電荷Cb Vbが蓄えられている。入射放射線に対するTESに流れる電流Itの変化分はコンデンサ１３から供給される。大きな容量をもつコンデンサを用いることにより、高速の信号に対して、バイアス抵抗１０とコンデンサ１３からなるCR並列回路１４のインピーダンスを小さくすることができる。従って、高速の信号に対して、定電圧バイアス駆動のように振舞うことができ、TESカロリメータの時定数を短くすることができる。
【００１９】
SQUID１２の入力コイル１１はTESカロリメータ６と接続され、TESに流れる電流Itを検出する。低入力インピーダンスで、高感度、広帯域な電流検出のSQUIDと組み合わせることにより、高速の信号検出に、さらに効果的がある。その結果、高エネルギー分解能かつ高計数率化を実現できる。
【００２０】
【発明の効果】
電流源と電流-電圧変換用バイアス抵抗によってバイアス電圧を供給する電圧供給手段において、電流-電圧変換用バイアス抵抗に並列にコンデンサを備えることにより、高速の信号に対して、TESの電流変化分をコンデンサから供給できる。従って、高速の信号に対して、定電圧バイアス駆動のように振舞うことができ、TESカロリメータの時定数を短くすることができる。その結果、計数率が向上する。
【００２１】
また、電流源と電流-電圧変換用バイアス抵抗とバイアス抵抗に並列に挿入されたコンデンサで構成される電圧供給手段と、低インピーダンス、高感度、広帯域の電流読み出し手段である超伝導量子干渉素子（SQUID）を組み合わせることにより、さらに高速の信号検出に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる超伝導放射線検出器を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかわる超伝導放射線検出器を示す構成図である。
【図３】電圧バイアス駆動された超伝導放射線検出器を示す構成図である。
【図４】超伝導転移端センサ（TES）カロリメータを示す構成図である。
【図５】（ａ）は、TESの温度-抵抗（Tt-Rt)曲線を示す図である。
（ｂ）は、温度−（温度−抵抗）変換係数（Tt-α）曲線を示す図である。
【図６】従来例の超伝導放射線検出器を示す構成図である。
【符号の説明】
１  吸収体
２  超伝導転移端センサ（TES）
３  冷却装置の熱層
４  放射線、または、粒子
５  電子回路
６  超伝導転移端センサ（TES）カロリメータの動作概念
７  電圧供給手段
８  電流読み出し手段
９  電流源
１０  電流―電圧変換用バイアス抵抗
１１  入力コイル
１２  超伝導量子干渉素子（SQUID）
１３  コンデンサ
１４  RC並列回路
【図１】
0004313499.tif 000005
【図２】
0004313499.tif 000006
【図３】
0004313499.tif 000007
【図４】
0004313499.tif 000008
【図５】
0004313499.tif 000009
【図６】
0004313499.tif 000010