数理物質融合科学センター運営協議会
2017年10月3日＠B204（総合B）

前回報告： 2017.1．23

光量子計測器開発推進室の活動報告
光量子計測器開発推進室長
金 信弘（2015.9.19-2017.3.31)
原 和彦 (2017.4.1-)

1

光量子計測器開発推進室
センター共有の光量子計測機器開発基盤＋つくば地区連携大学拠点

筑波大およびつくば研究機関における理工学分野の密接な連携により、計測器開発に関する情報共有、計測器開発の融合共同研究、新しい計測器のアイデアの創出、計測器技術の産業社会応用を推進する。

数理物質融合科学センター (CiRfSE)
融合研究企画室

宇宙史国際研究拠点

環境エネルギー材料研究拠点

光量子計測器開発推進室
開発室員： 金（室長）、冨田、江角、原、西堀、近藤
超伝導検出器の開発，ＳＯＩピクセル検出器の開発，
MPPC読み出しミュー粒子検出器等＋公募プロジェクト

２０１５/１０/１９ 発足

TIA-ACCELERATE（TIA光・量子計測）における筑波大学の活動拠点。

つくばの他機関との連携

TIA光・量子計測(TIA-ACCELERATE)
2

KEK,NIMS,筑波大,産総研,東大KEK 測定器開発室
産総研 ＣＲＡＶＩＴＹ施設

TIA – Tsukuba Innovation Arena● 第2回TIA光・量子計測シンポジウム 2016/11/10@エポカルつくば
3

TIA-かけはし連携プログラム探索支援事業

TIAかけはし：
TIA連携プログラム探索推進事業•••

TIA5機関（産総研、物材機構、筑波大、KEK、東大）は、平成２８年度新規共同事業として「TIA連携プログラム探索推進事業」を開始
本事業は、TIA5機関の連携基盤を強化しつつ、新規領域の開拓や大型研究資金獲得のための戦略の立案と体制の構築等を行い、「知の創造と産業界への橋渡し」を目指す．
●TIA連携プログラムとは： TIA5機関の連携に寄る共同研究・共同事業に関する調査研究

光・量子計測センシングスクエアの筑波大参加の採択テーマ
代表者

代表者
機関

参加機関

簡単・便利な超伝導計測―100倍精度の計測
田島 治
を非専門家の手で（H28・H29)

KEK

AIST、NIMS、筑波大(金・武内)、東大

3次元積層半導体量子イメージセンサの調査
新井 康夫
研究（H28・H29)

KEK

AIST、筑波大(原）、東大トンネル接合型超伝導検出器と静電型蓄積リングを用いたO結合型糖ペプチド構造解析技術の開発のための調査研究（H28)

AIST

筑波大（冨田）、KEK

テーマ

4

高橋 勝利

ニュース項目

http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/CiRfSE/LDPPD/ppd.html

光量子計測器開発推進室発足会議
日時： 2015年11月30日（発表：金、武内、原、冨田、西堀、近藤、原、江角、参加：15名）
会場： 計算科学研究センター・ワークショップ室

第1回光量子計測器ワークショップ
日時： ２０１６年３月２日１３時（発表：金、武内、冨田、近藤、新井、西堀、兵頭、安岡、鶴田、江角、高崎）
会場： 筑波大学総合研究棟B０１１０室 光量子計測器に関する情報の共有、融合共同研究、新型計測技術の創出、産業・社会への応用を推進
主催： 光量子計測器開発推進室するために、理工連携・つくば連携のもとに光量子計測器開発研究の情報交換と議論を行った。KEK、産22名の研究者が参加。医学医療系の講演者２名による講演を含む。
総研、東大からの参加者を含めて
共催： TIA光・量子計測

福島第一原子力発電所２号機ミュオン測定による炉内燃料デブリ位置把握について
2016/7/28 報告書発表 （IRID、経産省）

TIAかけはし 「簡単・便利な超伝導計測 – 100倍精度の計測を非専門家の手で」
日時： 2017年1月4日 14:00 – 17:20
会場： 物質・材料研究機構(NIMS)千現地区 本館一階会議室 参加者： 27名

第1回SOI-STJ研究会
日時場所： ２０１６年９月２日１５時
筑波大学自然学系棟B118
参加者： 16名（JAXA/ISAS, 関西学院大学, KEK, 福井大学, 近畿大学, 産総研の研究者１０名を含む）

第2回TIA光・量子計測シンポジウム 2016/11/10@エポカルつくば

主催 TIA-accelerate (参加>100名:発表：原、金、他）

前回 運営協議会 20171.23
5

ニュース項目

http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/CiRfSE/LDPPD/ppd.html

第１回 TIAかけはし「3次元積層半導体量子イメージセンサ」研究会
日時: 2017年1月30日 13:30 – 17:30
会場: つくば国際会議場 中会議室２０２
2017/5/22-26

第4回TIPP国際会議での講演（金教授、原准教授、武政研究員）

2017/6/22 TIA かけはしH29年度採択



3次元積層半導体量子イメージセンサーの調査研究
簡単・便利な超伝導計測‐100倍精度の計測を非専門家の手で2017/6/23 世界最高性能の放射線測定センサーを開発（ニュースリリース）
SOI http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p201706231400.html./event/20170104.html
2017/6/29-30 第8回SOI研究会（宮崎大学）
新学術領域研究「３次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開」

福島第一原子力発電所３号機ミュオン測定による炉内燃料デブリ位置把握について
201７/7/28 中間報告書発表 （IRID、経産省）
2017/9/10-15

第26回VERTEX国際会議での招待講演（原准教授）

福島第一原子力発電所３号機ミュオン測定による炉内燃料デブリ位置把握について
201７/9/28 報告書発表 （IRID、経産省）

6

STJ金・武内遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発(2014-2017)
SOI極低温アンプの開発
SOI(Silicon-on-Insulator)技術を用いて作製された増幅回路の極低温動作実証テスト
冷凍機内極低温下でパルス信号増幅を確認
Bufferstage~0.7mm

1nF
10mV

150mV

74.7F

Laser pulse

8mV

TestＶ
pulse

産総研CRAVITY製20m角
Nb/Al-STJの可視光（465nm）
パルスに対する応答信号を冷凍機内極低温部に配置したSOI増幅回路によって増幅読み出しを行う実証試験に成功

INPUT

100s
OUTPUT

Voltage [μV] Voltage [μV]

Amplification
stage

超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJ 信号を冷凍機内極低温下で増幅

7060

Input to SOI amp.
1600 Output from SOI amp.
1200
5040800
4000-100 -80-40-40-2002040

今後の展望： 極低温アンプによるSTJ信号の究極低ノイズ読出しの実現• 冷凍機内部の極低温下での増幅によるS/N改善を実証• SOI極低温オペアンプなど，より実用的な増幅回路の開発

18μV

1.2mV

6080 100time [μs]

STJ金・武内遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発(2014-2017)
ハフニウムを用いた超伝導トンネル接合素子の開発
ハフニウム酸化層の上に薄いアルミニウム層を用い，従来のHf-STJよりリーク電流密度を約1/16に低減し，リーク電流を5A(200m角，T=128mK)を達成．このサンプルで可視光パルス（465nm）応答を確認(左)Hf-STJ(RMS=2.5nm)
200m200m
~25m
T~140mK

ハフニウム薄膜形成の条件を変更し，表面粗さの小さい条件(RMS=2.5nm)のハフニウム薄膜を用いたHf-STJを作製．
アルミニウム層を用いないHf-STJにおいても同等のリーク電流7A(200m角，T=140mK)を達成(右)8

今後の展望： Hf-STJ の実用化による世界最高感度の光検出器の実現• 熱励起によるリーク電流を低減するためにより低い温度での測定を目指す．
• STJのサイズを小さくし，リーク電流の低減を目指す．

SOI原

Silicon-on-Insulator ピクセル検出器
他のFPIXで再構成した飛跡とのずれ

FNAL testbeam
FPIX: FinePixel Detector(Pixel size :8um角)FPIX

9News release 6/23

SOI原

Silicon-on-Insulator ピクセル検出器

2008 K. Hara et al. IEEE TNS

開発当初：1kGyで顕著なFET変動⇒back-gateに負電圧を加えれば～１MGｙまで動く事を示唆
FET

FPIX2: 100kGy

SiO2

SiO2
SiO2

FET-VVbias

FNAL testbeam-V

2重SOIにすることで実現
FPIX2:100kGyまで影響なし=>FPIX3:500kGy (~1MGy)まで動作

Laser test
FPIX2:500kGy

V(IO)=-6
V(DecN/P)=-20/-30
V(PixN/P)=-9/-11

10

V(IO)=-12.5V
V(Dec)=-29V
V(Pix)=-15V

μRadiography
宇宙線ミューオン大規模構造の透視原・金
福島第一原発の燃料デブリ TEPCO/IRID
UNIT-3

UNIT-2160 tons+50 tons
35tons燃料装填部：17 ± 3 (stat) ± 19 (sys) tons.
燃料装填部：30±3(stat)±数10(sys) tons
圧力容器下部：156 ± 8 (stat) ± 57 (sys) tons 圧力容器下部：90±5(stat)±数10(sys) tons
11

μRadiography
宇宙線ミューオン大規模構造の透視
原・金12

地下に設置して地上の鉄（２m立法）が観測できるかをKEKで測定

前方からの宇宙線ミュー粒子のフラックスを12GeVまで測定

ATLAS
原・受川

HL-LHC用検出器開発
量産用End-cap R0 strip sensorの評価

Pixel size: 50x250um FE-I4 → 25x100 um FE65

13←
照射損傷を与えたセンサーのビーム
テスト結果：ピクセ
ル境界の検出効率低下は仕様内→照射損傷による収集電荷量の劣化は、従来のものと同程度

原

新型検出器の開発
LGAD: low-gain avalanche detector

陽子照射後IV応答

未照射β線応答

陽子照射後β線応答

X1015 /cm2
１X1015 /cm2

照射後：ゲインは下がるが増幅機構は保持（左：電流、右：β線応答）
薄い増幅層から十分大きな信号⇒時間分解能に優れる可能性
Pixel の良い空間分解能＋時間分解能⇒4次元飛跡検出器

時間測定がポイント！

江角 STAR experimental upgrade

iTPC (eTOF)

for Beam-Energy-Scan at RHIC
EPD

iTPC (innerTPC) upgrade
outer

Event Plane
Detector (EPD)

inner
inner
outer
fixed Target modewith End-cap TOF (eTOF)

15

MRPC TOF
from CBM/FAIR

Run17500GeV pp

SiPM

江角 R&D of Multi-gap Resistive Plate Chamber(MRPC) for Time of Flight detector

R&D of Silicon EM-calorimeter for
Forward Photon measurement in ALICE

1モジュール
summingboard

16

Transverse
EM-shower
profile西堀

放射光X線回折関連
ワークショップ 11/19 2016@自B118

Three from Germany,
Two from Aarhus,

17

量子ビーム施設の研究者と海外研究者を招き、高エネルギー用CdTe
検出器の話題と将来についての議論

西堀

SPring-8内部の高性能化課題として高エネルギー用CdTe検出器が採択
平成29年度後半から利用可能予定!
超高分解能単結晶構造解析による機能可視化技術の高性能化
本提案の計画:
 高エネルギーX線の高効率検出可能な大面積2次元CdTeピクセル検出器（PILATUS3 X CdTe 1M） の導入⇒ 高効率・時間分解高エネルギーＸ線回折システムの高性能化期待される計測技術高性能化:
 高エネルギーX線を用いた超高分解能単結晶構造解析の迅速化⇒ 計測時間:1/10以下
 検出器の高速読み出し・トリガー計測モードを用いた
時間分解 超高分解能単結晶構造解析の実現

18(BL02B1)

近藤 光量子計測器開発推進室
超高感度ヘテロダイン走査トンネル分光の実現

本年度までの研究開発により、以下の２種の信号についてトンネル接合でヘテロダインミキシングすることでビートダウンさせたkHzの差周波信号として検出可能となった（１）GHzの信号（上図）（２）コム信号（光ビート信号）
科研費 挑戦的萌芽研究H28-H29近藤剛弘「超高感度ヘテロダイン走査トンネル分光の実現」

19

E. Matsuyama, T. Kondo, H. Oigawa, D. Guo, S. Nemoto, J. Nakamura,
Scientific Reports 4 (2014) 6711
E. Matsuyama, H. Oigawa, T. Kondo, J. Nakamura,
In preparation

冨田

超伝導トンネル接合検出器（STJ)による粒子検出（I)
質量と電荷を分離した真の質量分析へ

STJを用いた
飛行時間型質量分析装置

産業技術研究所ナノエレクトロニクス研究部門
超伝導分光エレクトロニクスグループ作成
100x 100um x 100um detectors

価数を分離したTOF（質量）スペクトル

エネルギーとTOFの2次元スペクトル

150[13BK+3H]3+[BK+H]+

100z>3[BK+2H]2+z=350

z=2z=100

20

50

100

TOF (arb. unit)

150

200

1.000
1.585
2.512
3.981
6.310
10.00
15.85
25.12
39.81
63.10
100.0
158.5
251.2
398.1
631.0
1000
15852512
3981
6310
10000

102

[6BK+3H]3+

z=3

101
[18BK+3H]3+

100[BK+2H]

103

CountsPulse height (arb. unit)

200

2+

z=2102101[2BK+2H]2+

100[12BK+2H]2+

z=1104
103
102
101
100

[BK+H]+[2BK+H]+

050

TOF (arb. unit)+++[3BK+H]+ [4BK+H] [5BK+H] [6BK+H]

100150冨田
超伝導トンネル接合検出器（STJ)による粒子検出（II)STJを静電型イオン蓄積リングに導入することによる糖ペプチドの解離過程の研究

Collision induced dissociation

CID

Electron capture dissociation

ECD

糖ペプチドのCIDおよびECDによる解離

Magnet

KEK静電リング

Neutral beam
detector

Ion beam

Merging region

Neutral beam
detector/ Laser power
meter

OPO
H.V. platform (20 kV)

Ion trap
Deflector

21

ElectrospraysourceCollector

YAGElectron gun

Laser

静電型イオン蓄積リングによるECD/CID過程＋STJによる解離片の質量分析

CirRfSEでの主要テーマ光量子計測器開発プロジェクト

光量子計測器開発プロジェクトの基盤テーマとして、以下の計測技術の開発を推進する。
超伝導検出器

超伝導トンネル接合素子検出器(STJ)の構造(上)と可視光レーザー光(10光子相当）に対する応答信号(下）

SOI技術

SOI技術による電子回路と半導体飛跡検出器を一体化したSOIピクセル飛跡検出器(左)と100kGyガンマ線照射後の赤外レーザー光応答信号(右)。
SOI極低温増幅器と超伝導トンネル接合素子検出器(STJ)を一体化したSOI-STJ検出器

大型構造イメージング
MPPC光子検出器

MPPC光子検出器を用いた宇宙線計測装置（左上）を東海第2発電所の原子炉建屋の周辺3か所に設置し（右上）、内部構造をX線画像のように再構成した (左下)。

１．超伝導検出器： 遠赤外線光子カウンター、高エネルギー分解能光量子計測器として宇宙史研究・物質科学研
究・産業応用
２．SOI技術： 高集積電子回路・極低温電子回路・粒子ピクセル検出器として宇宙史研究・物質科学研究・産業応用
３．大型構造イメージング用MPPC：宇宙線ミュー粒子計測器として、宇宙線研究・インフラ診断・火山活動予測
さらに、上記以外の計測技術についても、本センターにおける基礎科学・産業応用に用いられる計測技術の提案検討に基づいて、プロジェクトの一テーマとして開発

22

今後の展望
STJ
SOI

LGAD

ATLAS pixel/strip
STAR MRPCALICE Si-W

Spring-8 Sync. Rad.
Heterodyne STM
23

Other activities

STJ mass-spectrom.