超伝導体を用いた放射線検出器
理化学研究所延與放射線研究室

佐藤広海

共同研究者
理研 三島賢二、大野雅史、有吉誠一郎、滝澤慶之、大谷知行
KEK 清水裕彦
大阪電通大 倉門雅彦、志岐成友
埼玉大 高田進、明連広昭、田井野徹

超伝導トンネル接合素子（STJ）の開発と評価を中心に

STJの構造
超伝導膜／絶縁膜／超伝導膜 という構造の、ジョセフソン素子の一種

100μm

Z

転移温度(K)

ギャップエネルギー(meV)

Al

13

1.20

0.34

Nb

41

9.23

3.1

Ta

73

4.48

1.4

STJの作製
クリーンルーム
STJ作製専用
プロセス装置
群を所有

断面図

基板に薄膜をスパッタによって成膜

超伝導薄膜
基板
フォトレジスト

フォトリソグラフィによるパターン形成

ドライエッチングによる薄膜の加工

フォトレジスト除去

3inch サファイア基板

チップの例

5mm

100µm x 100µm

STJ （検出器となる部分）
PAD
5mm

電流ー電圧特性電流エネルギー準位

常伝導電流（準粒子）

Ic
∆∆

EF

S

IS-2∆
電圧2∆
超伝導電流（クーパー対）

放射線検出器としての動作原理
放射線からのエネルギーの付与

直接吸収型

↓

●温度：転移温度のおよそ1/10

超伝導体中のクーパー対を解離●磁場：〜100G↓
発生した準粒子（電子）がトンネル効果でもう一方の超伝導体電極へ
↓信号

動作条件

基板吸収型

STJの特徴●Charge carrier : クーパー対の解離によって発生した準粒子（電子）
解離エネルギー (1.7∆) = 2.6 meV @ Nb

FWHM = 2.35 (1.7∆) F E = 4.3eV @ 5.9 keV
Fano factor

Energy(0.22)

優れたエネルギー分解能●電極構造自体が放射線を検出 ：不感層がない

低エネルギー粒子のエネルギー測定が可能

エネルギー分解能比較
テラヘルツ光

赤外 可視

紫外

Ｘ線

カウンター

エネルギー測定

エネルギー分解能

10000型
吸収板
基1000研究スタート

半導体検出器STJ(Nb)マルチトンネリング

100
直収型
吸接STJ(Nb)
STJ(Al)10650GHz

10.1meV

10100eV

10100keV

放射線のエネルギー

10100

MeV

直接吸収型による検出

素子構造の工夫作成している素子の構造
Nb/Al-AlOx/Nb

Nb/Al/AlOx/Al/Nb

Nbよりもエネルギーギャップの小さい
Alをトンネル障壁の上下に成膜することで、準粒子を障壁近傍に“トラップ”する。
１０倍程度の信号の増幅
エネルギーギャップ Nb : 3.1meV
Al : 0.34meV

S/N比の向上

素子性能評価実験

X線の検出55Fe X線源使用

Nb/Al/AlOx/Al/Nb●ダブルピーク
上部・下部で吸収された信号の両方がピークをつくるため、ひとつのエネルギーに対して2本のピークが現れる
H.Sato et al., Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) p5090

軟X線の検出極端紫外線の検出(KEK-PF BL-12A)>90% of photons are absorbed by
top layer.

C.Otani et al., Physica C 372-376 (2002) p399

可視光の検出
フォトダイオードからの可視光をSTJに照射

FWHM=1.5eV@2.64eV (470nm)
1 photon

2 photons
3 photons

FWHM=1eV

S.Shiki et al., Nucl. Instr. Meth. A520 (2004) p530
S.Shiki et al., Publ. Astron. Soc. Japan 56 (2004) L19

低エネルギー陽子検出
無偏極中性子を使用（J=0）
電子と反ニュートリノとの角相関項

Electrondetector⇒反ニュートリノの代わりに、反跳陽子を測定-e 〜350 keV

中性子ビーム

飛行中の中性子がβ崩壊した際に生じる陽子と電子を検出し、陽子のエネルギースペクトルを得るVetocountern

現在の測定値

a=−0.103±0.004
PDGの平均値

p〜400 eV

陽子エネルギースペクトル

Protondetector

超伝導検出器
３５０ｍK 程度で動作す
る極低温検出器

準備実験セットアップ
700mm

セットアップ上面図4.2Kシールド
77Kシールド
冷凍機

磁場温度：〜0.4K
X線発生装置
ビームパス：2mmφのコリメーター

陽子ビーム

エネルギー：269 eV, 400 eV
STJ Chip : 5mm x 5mm

イオン源

STJの構造：Nb(150nm)/Al(75nm)/AlOx/Al(75nm)/Nb(150nm)
STJの大きさ：50µmx50µm

Nb中のレンジ：約4nm

スペクトル
それぞれ2時間の測定によって得られたスペクトル
Proton 400 eVCountsCountsProton 269 eV

0.010cps
ADC Channel

0.016cps
ADC Channel

X線スペクトル
X-ray from Carbon
Counts277 eVADC Channel

まだ分解能を議論するまでには至らな
いが、STJの「不感層が無い」という特徴を活かした、低エネルギー陽子のエネルギー検出に成功

基板吸収型による検出
STJsubstratephononradiation●高い吸収効率●シングルピーク●広い検出領域が実現可能

直列接合素子を用いた検出Series array
STJs

Substrate

α-particles are absorbed bysubstrate.
Phonons are created.

phononαPhonons are detected byfour series array STJs.
Signals from for series
arrays are summed.

Effective area
M. Kurakado et al., Proc. SPIE 1743 (1992) 351.

Full energy peak of α-particles
are obtained.

α線テスト用直列接合素子
Sapphire substrate

12mm

12mm

Effective area: 8mm x 8mm
288 series x 3 parallel x 4 arrays= 3456 STJs

評価実験のセットアップ

Preamp. Signal(Array-4)

500mV/div.

Data acquisition process

100µs/div.

エネルギースペクトルSum of 4 arrays(Coincident events)
x1+x2+y1+y2
Array-1

Array-2(x1)(y1)
5.48MeV 241Am

Array-3

Array-4

(x2)

(y2)

FWHM: 6.1%

位置補正解析
Position dependence ofthe pulse heightyBroaden the peak width
Distribution of Vpeak,cellVpeak,cellVmax(channel)

xx=x2
x1+x2

y=y1
y1+y2

Correction coefficient
R=Vmax / Vpeak,cellyCellNo.

Co.
ell NxM.Kurakado et al., Nucl. Instr. Meth. A 506 (2003) p134

位置補正解析の効果
BeforeAfter

5.48 MeV 241Am

5.48 MeV 241Am

FWHM: 6.1 %Correction condition

FWHM: 3.5 %Segmentation : 75 x 75 cells
Events in one cell > 100 events

別のチップデザインの場合
6mm

1.2mm

Beforecorrection

6mm
φ100µm-JJ x 40 series x 4 parallelx 4 arrays

Nb

150nm

Al

70nm

After
correction∆E=28keV@5.48MeV(0.52%)

AlOx
Al

70nm

Nb

200nm

Sapphire substrateテラヘルツイメージング
配線
ログペリアンテナ(Nb)STJ
直径 2.2 µm

STJ
400 µm

高感度
NEPSTJ〜10-(17〜18) W／√Hzイメージング測定例
STJ検出器１画素を用いて、試料のスキャンによりイメージングを行う

実験のセットアップ

STJを用いた世界初のテラヘルツ透過画像（SUICAカード）

現在、５画素リニアアレイに着手

今後の開発項目●エネルギー分解能の向上
素子作製プロセスの最適化●検出エリアの拡大
単素子の面積拡大素子のアレイ化
多素子読み出し

●超伝導エレクトロニクスとの融合
低温領域にADC、MUXを導入し、多素子読み出しに対応●クライオスタットの技術向上
簡便に長時間運転が可能→無冷媒冷凍機

配線数には限界あり

超伝導ADC回路のテスト
将来のSTJ読み出しに向けて、超伝導回路の動作実験を開始
名古屋大学 藤巻研究室との共同研究
４．２K

ADC (Nagoya Univ.)

8 bit, 50~100MHz clock
8 bit parallel readout

ADCの入力に、外部より正弦波を入力。ADCアウト
プットをPCで取り込んで再構成実験に使用している冷凍機での動作を確認。
現在、STJとの組み合わせテスト準備中。

他のグループの例
ESA-ESTEC
S-Cam 2LLNL
放射光でのX線吸収分光（fluorescence-detected XAS)

STJを用いた、地上天文観測用アレイ

Ta-Al JJ, 9素子
Ta-Al JJ, 40µm角 6x6アレイ

たんぱく質中のMnの結合状態の知見

Crab pulsar の観測等に使用されている

S. Friedrich, NIM A 520 (2004) 621

S-Cam 312x10 pixels

D.D.E. Martin et al., NIM A 520 (2004) 512

超伝導転移端温度計(TES)
Transition Edge Sensor : TES
構成：フォトンの吸収体＋高感度温度計（TES）

フォトン入射時の吸収体の温度上昇を、高感度な温度計（TES）で測定
極低温での物質の格子比熱

抵
抗：温度の３乗に比例して小さくなる

フォトン

極低温での物質の電子比熱
T0TES

温度：温度に比例して小さくなる

T0→
熱リンク
熱浴

mK程度の温度上昇V0Dc-SQUID

超伝導体のTc付近における抵抗値の急峻な温度依存性を利用

TESの特徴★エネルギー分解能∆E( FWHM ) = 2.36 4kTc2C (1 / α ) n / 2
C : 熱容量α：転移の急峻さを表すパラメタｎ：定数（=d[logR]/d[logT]）（=5）●Tc, Cが小さいほど、またαが大きいほど良い分解能が実現★信号の時定数Cτeff =G (1 + α / n)（数10〜数100μs）

G：TESと熱浴の間の熱コンダクタンス

開発状況
低エネルギー陽子検出のためのTESを開発中
コンセプト：大面積、比較的高い転移温度
SiNメンブレン（500nm)

55Fe 線源からのX線で評価

TES :Au(35nm)/Ti(100nm)/Au(35nm)
サイズ：500µm
Tc=380mK

分解能向上のため、開発続行中

“普通の”TESのパフォーマンス
5.9keV X線による評価
SRONNISTGSFC
Jyvaskyla
東大∆E(eV) τ(µs)
4.5 (3.9) 100
4.57506.1
3109.22609.4400

東大 中沢・高橋研

Thermometer Tc(mK)
TiAu
96
MoCu93
MoAu106
TiAu
150
IrAu
110

Rn(Ω) Absorber
0.25
Cu
0.017
None/TES
0.010 None/TES
0.25
Bi
0.15
None/TES

まとめ
視光から硬X線までの光子検出、α線・陽子等の粒子検出が可能な、STJの開発●STJ単接合・直接吸収型
極端紫外線・可視光等、低いエネルギーへの応用が適している●STJ直列接合・基板吸収型
エネルギーの高い光子（硬X線）・重イオンへの応用が適している●現在の開発の中心・低エネルギー陽子検出器 (STJ, TES)→

中性子ベータ崩壊実験へ適用

・検出領域の大面積化
・超伝導ADCを用いた波形取得
・２５画素テラヘルツイメージングの実現（理研仙台THzグループと）