DE3740174A1

DE3740174A1 - Strahlungsanalysator mit josephson-uebergang

Info

Publication number: DE3740174A1
Application number: DE19873740174
Authority: DE
Inventors: Tomoki Oku
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-09-02
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1989-03-16
Also published as: FR2619960B1; JP2656260B2; JPS6461971A; DE3740174C2; US4851680A; FR2619960A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsanalysator mit Josephson-Übergang.

Der Stand der Technik soll anhand der Fig. 3 beschrieben werden, die einen Halbleiter-Strahlungsanalysator für γ- und Röntgenstrahlen sowie geladene Teilchen zeigt. Dort liegt zwischen einem N-leitenden Halbleiter 11 und einem Metall 13 oder einem P-leitenden Halbleiter 13 und einem N-leitenden Halbleiter 11 eine Sperrschicht 12. Von der an den Analysator angelegten Spannung liegt der größte Teil über der Sperrschicht 12. Außerdem ist die Dicke der Sperrschicht größer als die Reichweite der Strahlung.

Der Analysator wird folgendermaßen betrieben.

Bei Einfall von Strahlung auf die Sperrschicht 12 werden Elektronen- und Lochpaare erzeugt, die durch das angelegte elektrische Feld zu den Elektroden wandern. Die auf diese Weise gesammelte Ladungsenergie ist proportional zur Energie E der einfallenden Strahlung, so daß die Strahlung energetisch analysiert werden kann. Die das Auflösungsvermögen der Strahlungsanalyse bestimmenden Größen stellen sich hierin wie folgt dar:

(a) als statistischer Fehler N ^1/2 für die Anzahl N der erzeugten Elektronen- Lochpaare.
(b) als Schwankungen der Strahlungsenergie in Bereichen, in denen keine Elektronen-Lochpaare erzeugt werden,
(c) als den Kenngrößen des Detektionssystems anhaftende Schwankungen und thermisches Rauschen.

Von diesen Größen soll (a) abgeschätzt werden.

Wenn ein Halbleiterdetektor mit Silicium verwendet wird, beträgt die zur Erzeugung eines Elektronen-Lochpaares erforderliche Energie W = 3,6 eV. Bei Detektion einer Strahlung von E = 1 MeV werden näherungsweise N = E/W Elektronen-Lochpaare erzeugt. Die Verteilung von N ist hierbei eine normale Vertei lung von σ = N ^1/2 und die Energieauflösung Δ E für die Breite des halben Wertes ergibt sich zu:

Δ E = 2,36 σ · W = 2,36 (EW) ^1/2 = 4 KeV (1)

Da zusätzlich die oben beschriebenen Größen (b) und (c) vorhanden sind, wird Δ E im allgemeinen etwa 10 KeV, folglich Δ E/E ≈ 10^-2.

Ein Strahlungsanalysator mit diesem Aufbau hat folgende Nachteile:

1. Die sich aus den oben beschriebenen Größen unter (a), (b) und (c) ergebende Auflösung Δ E/E beträgt nur etwa 10^-2.
2. Die Vorrichtung verwendet eine Oberflächensperrschicht und einen Übergang, bei denen bei steigenden Temperaturen eine Verschlechterung wahrscheinlich ist. Über 100°C tritt eine Verschlechterung der Oberflächensperrschicht ein, der Übergang verschlechtert sich bereits bei Zimmertemperatur. Folglich sind Hitzehärtung und Wartung bei normalen Temperaturen nicht möglich. Ein Gasentzug ist jedoch unbedingt notwendig, wenn der Analysator in einem Gerät mit extrem hohem Vakuum (10^-10 Torr) verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsanalysator mit Josephson- Übergang zu schaffen, bei dem bei erhöhter Energieauflösung Δ E/E Hitzehärtung und Wartung bei normalen Temperaturen durchgeführt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens zum Inhalt.

Der erfindungsgemäße Strahlungsanalysator mit Josephson-Übergang enthält einen aus einer dreifachen Schicht (Supraleiter-Isolator-Supraleiter) bestehenden Tunnelübergang sowie eine Metallschicht, auf die Strahlung einfällt und die mit einer supraleitenden Schicht des Tunnelüberganges verbunden ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 die Darstellung eines Analysators für Strahlungsenergie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1; und

Fig. 3 die Darstellung eines Analysators für Strahlungsenergie nach dem Stand der Technik.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Strahlungsanalysator mit Josephson-Übergang bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Metall, auf das die einfallende Strahlung trifft. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet den Josephson-Übergang, der durch die Schichten Supraleiter 2 - Isolierschicht 3 - Supraleiter 4 gebildet wird. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet ein Metall zur Kühlung des Josephson-Übergangs, Bezugsziffer 6 flüssiges Helium als Kühlmittel. Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Konstantstromquelle zur Erzeugung eines konstanten Stromes durch den Josephson-Übergang 10. Mit der Bezugsziffer 8 sind schließlich Vorrichtungen zur Erfassung einer Spannungsänderung bezeichnet.

Das Metall 1, auf das die Strahlung einfällt, ist hierbei dicker als die Reichweite der Strahlung, so daß sie ihre gesamte Energie darin verliert.

Die Vorrichtung wird wie folgt betrieben:

Durch Einfall von Strahlung auf das Metall 1 werden Elektronen in dem Metall angeregt, deren Energie schließlich auf Phononen übertragen wird. Diese Phononen fallen auf den aus den Schichten Supraleiter 2 - Isolator 3 - Supraleiter 4 gebildeten Josephson-Übergang 10 und zerstörten dort Cooperpaare.

Fig. 2 zeigt die Strom/Spannungs-Charakteristik des Josephson-Überganges vor und nach Zerstörung der Cooperpaare. Daraus wird deutlich, daß der Anstieg der Dichte der quasi-Partikelanzahl entsprechend der Zerstörung der Cooperpaare ein Ansteigen des quasi-Partikelstromes und ein Abfallen in der Lücke des unteren Lückenbereiches verursacht. Wenn dieser Wechsel gemessen wird, erhält man ein den einfallenden Phononen entsprechendes Signal. Bei dieser Ausführungsform wird durch die Konstantstromquelle 7 ein konstanter Strom im flachen Bereich der Kurve der Fig. 2 eingeprägt, so daß, da der flache Bereich der Kurve eine große Spannungsänderung bei geringer Stromdifferenz hervorruft, ein Detektionsausgang mit hoher Phononenempfindlichkeit durch die Detektionsvorrichtung 8 für Spannungsänderungen erreicht wird.

Die zur Zerstörung eines Cooperpaares erforderliche Energie liegt zwischen einigen meV und einigen 10 s meV, das Energieauflösevermögen aufgrund statistischer Fehler ergibt sich aus der Formel (1) zu etwa 100 eV. Entsprechend kann im Vergleich zu einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik das Energieauflösevermögen um zwei Stellen verbessert werden. Da außerdem bei dieser Messung letztendlich nur die Phononen erfaßt werden, tritt kein Detektionsfehler auf und der der Schwankung der Strahlungsenergie entsprechende Fehler, der andere Effekte als die Erzeugung von Elektronen-Lochpaaren wie bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik verursacht, tritt nicht auf. Weiterhin wird die Detektion unter Verwendung eines Josephson-Überganges bei tiefen Temperaturen ausgeführt, bei denen thermisches Rauschen kein Problem verursacht. Das Rauschen dieser Ausführungsform, das thermischem Rauschen und Schwankungen der dem Detektionssystem anhaftenden Charakteristik entspricht, und auch beim Stand der Technik vorhanden ist, ist gering.

Außerdem ist bei dieser Ausführungsform das kühlende Metall 5 so angebracht, daß es nur von der Seite des Josephson-Überganges einwirkt, so daß die erzeugten Phononen in ihrer Gesamtheit erfaßt werden können.

Da weiterhin der Analysator dieser Ausführungsform einen Übergang aufweist, bei dem es unwahrscheinlich ist, daß er in Abhängigkeit von der Temperatur reagiert, können Gasevakuierung durch Hitze und Wartung bei normaler Temperatur durchgeführt werden.

Folglich kann der erfindungsgemäße Analysator in einem Gerät mit extrem hohem Vakuum verwendet werden, bei dem das Metallteil 1, der Supraleiter 2, der Isolator 3 und der Supraleiter 4 innerhalb eines solchen Vakuums von etwa 10^-10 Torr liegen. Die die durch den Einfall von Strahlung auf das Metallteil 1 erzeugte Hitze nur von der in Kontakt mit dem Supraleiter 2 stehenden Oberfläche abgeführt wird, erfolgt eine vollständige und effiziente Erfassung der gesamten einfallenden Strahlung.

Im folgenden sollen als Beispiel Material und Dicke des in der Ausführungsform verwendeten Metalls 1 beschrieben werden. Die Dicke des Metalls ist vorzugsweise doppelt so groß wie die Reichweite der Strahlung. Wenn zum Beispiel Au als Material verwendet wird, ergibt sich bei einer einfallenden Strahlungsenergie von 2000 KeV eine Eindringtiefe von 15 µm (siehe H. H. Anderson und J. F. Ziegler. "The Stopping Power and Ranges of Ions in Matter", ed. J. F. Ziegler (Pergamon. New York 1977). Durch Verwendung eines Metalls dieser Dicke wird die einfallende Strahlungsenergie in ihrer Gesamtheit in Hitze (Phononen) umgewandelt, wodurch die Detektionsgenauigkeit vergrößert wird.

Bei dieser Ausführungsform wird als Kühlungsmittel Helium verwendet. Finden Hochtemperatur-Supraleiter Anwendung, so kann zur Kühlung auch flüssiger Stickstoff eingesetzt werden.

Claims

1. Strahlungsanalysator mit Josephson-Übergang, gekennzeichnet durch:

- einen Tunnelübergang aus einer Dreifachschicht aus Supraleiter (2) - Isolator (3) - Supraleiter (4); und
- eine Metallschicht (1) auf die Strahlung einfällt, und die mit einem Supraleiter des Tunnelüberganges verbunden ist.

2. Strahlungsanalysator mit Josephson-Übergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelübergang von der Seite des anderen Supraleiters gekühlt wird.

3. Strahlungsanalysator mit Josephson-Übergang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelübergang und die Metallschicht zur Verwendung in einem Hochvakuum bestimmt sind.