(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導状態に保たれた検出部であって粒子又は光子が衝突すると該衝突箇所が常伝導状態となることにより前記粒子又は光子が検出されたことを示す電気信号を出力する複数の検出部を備えた粒子・光子検出器において、
前記電気信号の出力側から見たインダクタンスが、前記複数の検出部のうち、いずれの検出部のインダクタンスよりも小さくなるように、前記複数の検出部が電気的に並列に接続され、該並列接続された複数の検出部の出力を合成して前記電気信号として出力する
ことを特徴とする粒子・光子検出器。
【請求項２】
前記検出部と電気的に並列にインダクタを接続したことを特徴とする請求項１に記載の粒子・光子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導状態の検出部を用いて粒子や光子を検出する粒子・光子検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導体の薄膜で微細な配線を形成してなる検出部を用いた粒子・光子検出器の研究が行われている。この粒子・光子検出器は、超伝導体の検出部を超伝導転移温度以下に冷却し、検出部をなす配線に臨界電流よりも小さい電流を流した状態で使用される。このように超伝導状態とされた検出部の配線に数ＫｅＶ程度のエネルギーを有する粒子が衝突すると、衝突箇所の微小領域における臨界電流の値が低下することにより、当該微小領域は超伝導状態が壊れて常伝導状態に遷移する。この結果、検出部の配線が僅かな抵抗値を有するようになって、これを反映した電圧変化が電気信号として検出部から出力されることとなる。この電気信号を観測することにより、検出部へと到来した粒子や光子を検出することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記の粒子・光子検出器において、粒子や光子を検出する際の応答速度は、超伝導体の検出部が持つカイネティックインダクタンスＬと、この粒子・光子検出器からの電気信号を受ける読出し回路の抵抗値Ｒとによって決定され、その応答の時定数はτ＝Ｌ／Ｒで与えられる（例えば、非特許文献１参照）。したがって、粒子・光子検出器の応答速度を高めるために、検出部はカイネティックインダクタンスＬが小さくなるように設計される。例えば、数ミクロンのサイズを有する検出部により５０ピコ秒程度の応答速度の値が報告されている（非特許文献２参照）。この応答速度は既存の検出器である光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードよりも速いものであり、上記の超伝導体検出部を用いた粒子・光子検出器は、高速な応答特性により、ごく僅かな時間差で到来した複数の粒子又は光子を精確に分離して検出することが可能である。
【特許文献１】特開２００４−２１４２９３号公報
【非特許文献１】Andrew他、“Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counter”、Applied Physics Letters、2006年、vol.88、p111-116
【非特許文献２】Komeev他、“Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors”、Applied Physics Letters、2004年、vol.84、p5338
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超伝導体検出部をそのカイネティックインダクタンスＬが小さくなるように設計すると、必然的に検出部（配線部分）のサイズは小さくなり、到来する粒子や光子を受けることができる面積即ち有感面積が小さくなってしまう。したがって、粒子・光子検出器の応答を高速にしようとした場合において、このように有感面積が小さい単一の検出部では充分に効率的に粒子や光子を検出できないということが問題となる。また、有感面積を大きくして到来する粒子や光子を効率良く検出しようとした場合には、検出部の配線長が長くなりカイネティックインダクタンスＬが大きくなって、応答速度が低くなってしまう。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速な応答速度と大きな有感面積とを兼ね備えた粒子・光子検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、超伝導状態に保たれた検出部であって粒子又は光子が衝突すると該衝突箇所が常伝導状態となることにより前記粒子又は光子が検出されたことを示す電気信号を出力する複数の検出部を備えた粒子・光子検出器において、前記電気信号の出力側から見たインダクタンスが、前記複数の検出部のうち、いずれの検出部のインダクタンスよりも小さくなるように、前記複数の検出部が電気的に並列に接続され、該並列接続された複数の検出部の出力を合成して前記電気信号として出力することを特徴とする。
【０００７】
この発明において、粒子・光子検出器全体の合成インダクタンスを検出部１つのインダクタンスより小さく設定しているので、検出部のサイズが大きくそのインダクタンスが大きい場合でも粒子・光子検出器の応答速度を速くすることができる。したがって、高速な応答速度と大きな有感面積とを兼ね備えた粒子・光子検出器を実現可能である。
【０００９】
この発明において、複数の検出部を並べることにより有感面積が大きくなり、それらが並列接続されることにより合成インダクタンスが個々の検出部のインダクタンスよりも小さくなる。したがって、高速な応答速度と大きな有感面積とを兼ね備えた粒子・光子検出器を実現可能である。更に、複数の検出部を並列接続し各検出部からの出力を合成して粒子・光子検出器から出力するので、粒子・光子検出器が出力する電気信号を受ける読出し回路は１つだけで済み、検出部１つ１つにそれぞれ読出し回路を設けるのと比べて、構成が簡単であり装置のコストも低くすることができる。
【００１０】
また、本発明は、上記の粒子・光子検出器において、前記検出部と電気的に並列にインダクタを接続したことを特徴とする。
【００１１】
この発明において、検出部と並列にインダクタを挿入することにより、それらの合成インダクタンスが検出部のインダクタンスよりも小さくなる。したがって、検出部の配線長を長くして検出部の有感面積を大きくしても、粒子・光子検出器の応答速度を速くすることができる。したがって、高速な応答速度と大きな有感面積とを兼ね備えた粒子・光子検出器を実現可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高速な応答速度と大きな有感面積とを兼ね備えた粒子・光子検出器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による粒子・光子検出器１の構成図である。粒子・光子検出器１は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の検出部Ｄ１〜Ｄｎ（符号１１）と、ｎ個の抵抗Ｒ１〜Ｒｎ（符号１２）と、同軸ケーブル１３と、バイアス電流源１４と、コイル１５ａ及びコンデンサ１５ｂからなるバイアスＴ回路１５と、プリアンプ１６と、から構成される。
【００１４】
検出部Ｄ１〜Ｄｎは、粒子や光子が衝突すると電気信号を出力する超伝導体素子であって、それぞれ２つの端子を有しその一方の端子が共通に接地されるとともに、他方の端子がそれぞれ抵抗Ｒ１〜Ｒｎと接続される。図２に検出部１１の概略形状（同図（Ａ））とその等価回路（同図（Ｂ））とを示す。検出部１１は、所定のパターンを有する配線であるストリップライン１１１と、このストリップライン１１１の両端に設けられたボンディングパッド１１２，１１３とからなる。ストリップライン１１１及びボンディングパッド１１２，１１３はともに、例えば窒化ニオブ（ＮｂＮ）等の超伝導材料の薄膜で構成される。薄膜の膜厚は例えば１０ｎｍ以下であり、ストリップライン１１１の線幅は例えば１μｍ以下である。ストリップライン１１１のパターンは、図ではジグザグ状としたがこれに限定されず、任意とすることができる。このストリップライン１１１のパターン領域が、粒子や光子を受けることができる有感面積に対応する。その大きさは例えば数μｍから５０μｍ四方程度である。１つ１つがこのような形状を有する全部でｎ個の検出部Ｄ１〜Ｄｎが面的に配置され、全体として検出部Ｄ１〜Ｄｎは大きな有感面積を有するように構成される。
【００１５】
検出部１１の等価回路は、コイル１１４と、スイッチ１１５と、抵抗１１６とにより表すことができ、スイッチ１１５と抵抗１１６とが並列に接続され、この並列接続されたスイッチ１１５及び抵抗１１６に対してコイル１１４が直列に接続された回路構成を有している。検出部１１が超伝導状態に保たれている時、スイッチ１１５は導通状態とされて、検出部１１の抵抗はゼロとなっている。粒子や光子が検出部１１のストリップライン１１１に衝突すると、その衝突箇所の微小領域部分が常伝導状態となることに対応してスイッチ１１５が開放状態とされて、抵抗１１６の抵抗値がストリップライン１１１に現れ、この抵抗値変化に応じた電気信号が抵抗１２（各抵抗Ｒ１〜Ｒｎ）を介して出力される。
【００１６】
抵抗Ｒ１〜Ｒｎは、各検出部Ｄ１〜Ｄｎのボンディングパッド１１２，１１３における接続抵抗のバラツキが上記の電気信号に影響を与えないようにするために設けられ、その抵抗値は全ての抵抗Ｒ１〜Ｒｎで同じ値（例えば０．１〜１０Ω）とされ、各検出部Ｄ１〜Ｄｎに等しい大きさの電流が流れるように構成される。各抵抗Ｒ１〜Ｒｎの検出部Ｄ１〜Ｄｎと接続されているのと反対側の他端は、同軸ケーブル１３の一方の端子に共通に接続される。
【００１７】
以上の検出部Ｄ１〜Ｄｎと抵抗Ｒ１〜Ｒｎはクライオスタット２０内に収納され、その温度が検出部１１を構成する超伝導材料によって決まる超伝導転移温度ＴＣ以下となるように冷却、保持される。クライオスタット２０の冷却温度は、例えば４Ｋ（ケルビン）である。
【００１８】
同軸ケーブル１３の上記一方の端子はクライオスタット２０内に挿入されて、抵抗Ｒ１〜Ｒｎと接続されている。また同軸ケーブル１３の他方の端子は、バイアスＴ回路１５のコイル１５ａとコンデンサ１５ｂに共通に接続される。
【００１９】
バイアスＴ回路１５は、検出部Ｄ１〜Ｄｎにバイアス電流源１４から定電流を供給するための回路であり、コイル１５ａの同軸ケーブル１３と反対側の端子が一定値の直流電流を発生させるバイアス電流源１４に接続されている。バイアス電流源１４からの直流電流は、コイル１５ａを介して検出部Ｄ１〜Ｄｎへ供給され、また粒子や光子を検出した検出部Ｄ１〜Ｄｎからの電気信号（高周波信号となる）は、コンデンサ１５ｂを介してプリアンプ１６へ出力されるとともに、バイアス電流源１４の側へはコイル１５ａによって遮断される。
【００２０】
プリアンプ１６は、バイアスＴ回路１５からの上記電気信号を増幅して図示しない読出し回路へと出力する。
【００２１】
上述した構成を有する粒子・光子検出器１の動作を説明する。
検出部Ｄ１〜Ｄｎは上記のとおりクライオスタット２０によって超伝導転移温度ＴＣ以下に保持され、また、バイアス電流源１４から検出部Ｄ１〜Ｄｎへ供給される電流の値は検出部Ｄ１〜Ｄｎを流れる電流の値が臨界電流より小さくなるように（例えば臨界電流値の０．５〜０．９倍程度に）設定される。これにより、各検出部Ｄ１〜Ｄｎは超伝導状態に保たれ、その抵抗値はゼロになっている。
【００２２】
このように超伝導状態に保たれた検出部Ｄ１〜Ｄｎのいずれかに所定のエネルギーを有する粒子又は光子が衝突すると、衝突を受けた検出部Ｄ１〜Ｄｎでは衝突箇所の微小領域における臨界電流の値が低下し、当該微小領域は超伝導状態が壊れて常伝導状態に遷移する。その結果、粒子又は光子の衝突を受けた検出部Ｄ１〜Ｄｎはある抵抗値（抵抗１１６の抵抗値）を有するようになり、この抵抗値変化を受けて当該検出部Ｄ１〜Ｄｎからパルス状の電圧の変化が電気信号として出力される。この電気信号は、当該検出部Ｄ１〜Ｄｎに対応する抵抗Ｒ１〜Ｒｎ、同軸ケーブル１３、バイアスＴ回路１５、プリアンプ１６を順に介して外部の読出し回路へ出力される。
【００２３】
ここで、各検出部Ｄ１〜ＤｎのカイネティックインダクタンスをＬ、読出し回路の抵抗値をＲとすると、ｎ個の検出部Ｄ１〜Ｄｎが並列に接続されているから、読出し回路において上記パルス状の電気信号が立ち下がる時定数はτ＝Ｌ／（ｎ・Ｒ）で表される。検出部が１つだけで構成された従来の粒子・光子検出器では時定数はτ＝Ｌ／Ｒであるので、本実施形態の粒子・光子検出器は、従来のものと比べて時定数がｎ分の１、即ち応答速度がｎ倍である。一例として、１つ当り５０μｍ角程度の有感面積を有し時定数が１０ｎｓ程度の検出部を１０個用いる構成とすると、時定数は１０分の１の１ｎｓ程度となる一方有感面積は全体で１０倍となり、応答速度の高速化と有感面積の大面積化が同時に実現される。
【００２４】
このように、本実施形態によれば、ｎ個の検出部Ｄ１〜Ｄｎを面的に配置することにより有感面積を大きくするとともに、このｎ個の検出部Ｄ１〜Ｄｎを電気的に並列に接続することにより応答速度の高速化が図られる。したがって、本実施形態の粒子・光子検出器１は高速な応答速度と大きな有感面積とを兼ね備えたものとなる。
【００２５】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態による粒子・光子検出器２の構成図である。粒子・光子検出器２は、検出部１１（１つ）と、同軸ケーブル１３と、バイアス電流源１４と、コイル１５ａ及びコンデンサ１５ｂからなるバイアスＴ回路１５と、プリアンプ１６と、コイル１７と、から構成される。
【００２６】
検出部１１は、そのサイズ及び形状を除いて上述した第１の実施形態におけるものと同じであり、２つの端子のうち一方が接地されるとともに、他方が同軸ケーブル１３に接続される。この検出部１１は、ストリップライン１１１の長さが第１の実施形態のものよりも数倍から十数倍程度に設計され、その有感面積もそれに応じて第１の実施形態のものよりも大きくなっている。例えば、検出部１１の有感面積は、第１の実施形態におけるｎ個の検出部Ｄ１〜Ｄｎの有感面積を合計した大きさ程度となるように、ストリップライン１１１の長さとそのパターン形状が設計される。
【００２７】
また、第１の実施形態と同様に、同軸ケーブル１３の他方の端子はバイアスＴ回路１５のコイル１５ａとコンデンサ１５ｂに共通に接続され、コイル１５ａの他端はバイアス電流源１４に接続され、コンデンサ１５ｂの他端はプリアンプ１６に接続される。
【００２８】
本実施形態による粒子・光子検出器２では、更に、コイル１７の一方の端子がプリアンプ１６の入力へコンデンサ１５ｂの上記他端と共通に接続されるとともに、コイル１７の他方の端子が接地され、検出部１１とコイル１７は電気的に並列となっている。
【００２９】
上記の構成を有する粒子・光子検出器２の動作を説明する。
第１の実施形態と同様に、検出部１１はクライオスタット２０によって超伝導転移温度ＴＣ以下に保持され、またバイアス電流源１４から検出部１１へは臨界電流より小さい電流（例えば臨界電流値の０．５〜０．９倍程度）が供給される。検出部１１はこれにより超伝導状態に保たれ、その抵抗値はゼロである。
【００３０】
このように超伝導状態に保たれた検出部１１に所定のエネルギーを有する粒子又は光子が衝突すると、前述した説明のように、衝突箇所の微小領域が常伝導状態に遷移することにより検出部１１が抵抗値（抵抗１１６の抵抗値）を有するようになり、この抵抗値変化を受けて検出部１１からパルス状の電気信号が出力される。この電気信号は、同軸ケーブル１３、バイアスＴ回路１５、プリアンプ１６を順に介して外部の読出し回路へ出力される。
【００３１】
ここで、検出部１１のカイネティックインダクタンスをＬ１、コイル１７のインダクタンスをＬ２、読出し回路の抵抗値をＲとすると、検出部１１とコイル１７が並列に接続されているから、読出し回路において上記パルス状の電気信号が立ち下がる時定数τは
τ＝Ｌ１・Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）・（１／Ｒ）
で表される。コイル１７をそのインダクタンスＬ２が検出部１１のカイネティックインダクタンスＬ１より十分に小さい値（Ｌ２≪Ｌ１）となるように選ぶと、上記の時定数は
τ≒Ｌ２／Ｒ
と近似することができる。コイル１７を有しない従来の粒子・光子検出器では時定数はτ＝Ｌ１／Ｒであるので、本実施形態の粒子・光子検出器は、従来のものと比べて時定数が（Ｌ１／Ｌ２）分の１、即ち応答速度が（Ｌ１／Ｌ２）倍（≫１）である。
【００３２】
このように、本実施形態によれば、有感面積の大きい１つの検出部１１を用いるとともに、この検出部１１とコイル１７とを電気的に並列に接続することにより応答速度の高速化が図られる。したがって、本実施形態の粒子・光子検出器１は高速な応答速度と大きな有感面積とを兼ね備えたものとなる。
【００３３】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、図３において、コイル１７は回路の図中ＡからＢのいずれの部分に取り付けても同じ効果を得ることができる。
また、図１のｎ個の検出部Ｄ１〜Ｄｎを用いた構成に更に図３のコイル１７を追加してもよい。
本発明による粒子・光子検出器は、光の検出器として用いる場合は可視光から赤外線までの幅広い波長範囲にわたって動作することができ、また飛行時間型質量分析装置の粒子検出器として用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態による粒子・光子検出器の構成図である。
【図２】検出部の概略形状とその等価回路とを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による粒子・光子検出器の構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，２…粒子・光子検出器  １１（Ｄ１〜Ｄｎ）…検出部  １２（Ｒ１〜Ｒｎ）…抵抗  １３…同軸ケーブル  １４…バイアス電流源  １５…バイアスＴ回路  １６…プリアンプ  １７…コイル
【図１】
0005093654.tif 000002
【図２】
0005093654.tif 000003
【図３】
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