JP2002071821A

JP2002071821A - 荷電粒子検出装置

Info

Publication number: JP2002071821A
Application number: JP2000256149A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Sato; 広海佐藤; Hirohiko Shimizu; 裕彦清水; Tokihiro Ikeda; 時浩池田; Takayuki Oku; 隆之奥; Yoshiyuki Takizawa; 慶之滝澤; Hiroshi Watanabe; 博渡辺; Kazuhiko Kawai; 和彦川井; Tomoyuki Otani; 知行大谷; Hiromasa Miyasaka; 浩正宮坂
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2002-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】放射線耐性が高く、時間応答性が早く、特に
重イオンビーム検出器として用いるのに好適な荷電粒子
検出装置を提供する。【解決手段】２枚の超伝導金属薄膜でトンネル障壁を
挟んで構成された超伝導トンネル接合素子４１に電流を
流すための電流源４５，４６と、超伝導トンネル接合素
子に発生する電圧パルスを検出する電圧検出器４３を備
える。電流源は、粒子待ちの状態では超伝導トンネル接
合素子に素子の臨界電流より小さく素子に荷電粒子が入
射したときに減少する臨界電流より大きなバイアス電流
を流しており、荷電粒子が入射したとき電圧検出器４３
の出力をトリガーとしてバイアス電流をゼロ電流を経て
初期のバイアス電流に復帰させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重イオンビーム等
の荷電粒子線を検出する荷電粒子検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、重イオン検出装置として利用され
ているものに半導体検出器がある。半導体検出器は、入
射した重イオンによって与えられたエネルギーが、半導
体中の電子を励起して電子−空孔対を発生させ、外部か
ら高電圧を印加してこれを電気信号として取り出すこと
で重イオンの入射を検出する検出器である。一対の電子
−空孔対を発生するのに必要なエネルギーが数ｅＶと小
さいことから、半導体検出器はエネルギー分解能のよい
検出器として知られている。

【０００３】また、Nucl. Instrum. Meth., A396(1997)
277; Nucl. Instrum. Meth., A417(1998) 111; IEEE T
rans. Appl. Supercond. 9(1999) 3628等に記載されて
いるように、電流応答弁別器として超伝導トンネル接合
（Superconducting Tunnel Junction：ＳＴＪ）素子を
用いることによって高速のハイブリッド超伝導検出装置
を開発する試みがなされている。しかし、超伝導トンネ
ル接合素子で重イオンの照射を直接受けて超伝導トンネ
ル接合素子を粒子検出器として動作させる試みはほとん
どなされていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記半導体検出器は放
射線に対する耐性が低く、ある量の放射線が照射される
と検出器として動作しなくなるため、高価な消耗品とし
て使用されている。また、半導体検出器の信号読み出し
のための周辺回路も、通常の半導体デバイスから構成さ
れているため、発生放射線量の多い場所（原子核反応が
起こる反応点の極近傍等）での使用は、検出器のみなら
ず周辺回路にもダメージを与えることになり、困難であ
る。本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、放
射線耐性が高く、時間応答性が早く、特に重イオンビー
ム検出器として用いるのに好適な荷電粒子検出装置を提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、これ
まで高速電子デバイスやＸ線検出器として開発が進めら
れていた超伝導トンネル接合素子を重イオンビーム等の
荷電粒子線を検出する検出器として用いることにより前
記目的を達成する。

【０００６】図１に略示するように、超伝導トンネル接
合素子１０は、薄い酸化物絶縁膜（トンネル障壁）１１
を２枚の超伝導金属薄膜１２，１３で挟み込んだジョセ
フソン素子の一種である。超伝導トンネル接合素子１０
を重イオン等の荷電粒子が通過すると、荷電粒子のエネ
ルギーの一部が超伝導トンネル接合素子に与えられ荷電
粒子の通過軌跡１５に沿う領域１６のクーパー対が瞬時
に解離するため、その領域１６の超伝導性が破壊される
（ホットスポットの発生）。このホットスポットの発生
により超伝導トンネル接合素子の超伝導体としての面積
が減少し、超伝導トンネル接合素子の臨界電流（電圧ゼ
ロの状態で素子に流すことが可能な最大電流）Ｉ_ｃがＩ
_ｃ′に減少する。この時、図２に示すように、超伝導ト
ンネル接合素子に臨界電流Ｉ_ｃより小さく、ホットスポ
ットの発生により減少した臨界電流Ｉ_ｃ′より大きなバ
イアス電流Ｉ_ｂを流しておくと、荷電粒子の通過により
超伝導トンネル接合素子の電圧は０Ｖからギャップ電圧
Ｖ_ｇにスイッチする。この超伝導トンネル接合素子に発
生する電圧Ｖ_ｇを検出することで、荷電粒子の検出が可
能となる。

【０００７】前述のように、超伝導トンネル接合素子を
高速の電流応答弁別器として用いた高速のハイブリッド
超伝導検出器は従来から研究されていたが、荷電粒子線
の直接照射によるホットスポット原理を用いて超伝導ト
ンネル接合素子を荷電粒子検出器として動作させる試み
はほとんどなされていなかった。本発明は、ホットスポ
ット原理を用いて超伝導トンネル接合素子を実用的な荷
電粒子検出器として動作させることを可能にするもので
ある。

【０００８】すなわち、本発明による荷電粒子検出装置
は、基板上に形成された、２枚の超伝導金属薄膜でトン
ネル障壁を挟んで構成された超伝導トンネル接合素子
と、超伝導トンネル接合素子に電流を流すための電流源
と、超伝導トンネル接合素子に発生する電圧信号が入力
される信号処理回路とを含み、電流源は、超伝導トンネ
ル接合素子に当該素子の臨界電流より小さく当該素子に
荷電粒子が入射したときの減少した臨界電流より大きな
バイアス電流を流し、超伝導トンネル接合素子から電圧
信号が発生されたとき前記バイアス電流をゼロ電流を経
て初期のバイアス電流に復帰させることを特徴とする。
トンネル障壁は薄い酸化物絶縁膜によって形成すること
ができる。また、電流源は、関数発生器と抵抗を直列接
続して構成することができる。

【０００９】本発明による荷電粒子検出装置は、また、
基板上に上下に位置合わせして積層された、２枚の超伝
導金属薄膜でトンネル障壁を挟んで構成された第１及び
第２の超伝導トンネル接合素子と、第１の超伝導トンネ
ル接合素子に電流を流すための第１の電流源と、第２の
超伝導トンネル接合素子に電流を流すための第２の電流
源と、第１の超電導トンネル接合素子に発生した電圧信
号と第２の超電導トンネル接合素子に発生した電圧信号
との一方をスタート信号とし他方をストップ信号として
両者の間の時間間隔を表す信号を出力する時間−電圧変
換器と、時間−電圧変換器の出力スペクトルを測定する
マルチチャネルアナライザとを含み、第１の電流源は、
第１の超伝導トンネル接合素子に当該素子の臨界電流よ
り小さく当該素子に荷電粒子が入射したときの減少した
臨界電流より大きなバイアス電流を流し、第１の超電導
トンネル接合素子から電圧信号が発生したとき当該バイ
アス電流をゼロ電流を経て初期のバイアス電流に復帰さ
せ、第２の電流源は、第２の超伝導トンネル接合素子に
当該素子の臨界電流より小さく当該素子に荷電粒子が入
射したときの減少した臨界電流より大きなバイアス電流
を流し、第２の超電導トンネル接合素子から電圧信号が
発生したとき当該バイアス電流をゼロ電流を経て初期の
バイアス電流に復帰させることを特徴とする。

【００１０】時間−電圧変換器は、時間−アナログ電圧
変換器（ＴＡＣ）によって実現することができる。ただ
し、時間−電圧変換器は、超伝導デバイス回路によって
スタート信号とストップ信号の間の時間間隔を表すデジ
タル電圧を出力する超伝導時間−デジタル電圧変換器
（ＴＤＣ）を用いるのが好ましく、信号の高速な伝達を
実現するため第１及び第２の超伝導トンネル接合素子と
同じ極低温部に配置されていることが好ましい。検出さ
れる荷電粒子の経路上に位置する基板厚は薄くして、荷
電粒子通過の際のエネルギー損失をできるだけ小さくす
るのが好ましい。

【００１１】本発明による荷電粒子検出装置は、また、
表裏を貫通する開口部を有しコールドフィンガーに接続
される高熱伝導率部材と、高熱伝導率部材に開口部を塞
ぐようにマウントされた、２枚の超伝導金属薄膜でトン
ネル障壁を挟んで構成された超伝導トンネル接合素子が
複数形成された超伝導トンネル接合素子チップと、高熱
伝導率部材にマウントされた超伝導トンネル接合素子チ
ップ上の超伝導トンネル接合素子から発生された電圧信
号を処理するための超伝導回路チップと、超伝導トンネ
ル接合素子チップに形成された複数の超伝導トンネル接
合素子の各々にバイアス電流を流すための複数の電流源
とを含み、複数の電流源は、当該電流源が接続された超
伝導トンネル接合素子に当該素子の臨界電流より小さく
当該素子に荷電粒子が入射したときの減少した臨界電流
より大きなバイアス電流を流し、当該素子から電圧信号
が発生されたときバイアス電流をゼロ電流を経て初期の
バイアス電流に復帰させることを特徴とする。

【００１２】この場合、超伝導トンネル接合素子チップ
は基板上に上下に位置合わせして積層された超伝導トン
ネル接合素子対を有し、超伝導回路チップは超伝導トン
ネル接合素子対の一方の超伝導トンネル接合素子から発
生された電圧信号と他方の超伝導トンネル接合素子から
発生された電圧信号の一方をスタート信号とし他方をス
トップ信号として両者の間の時間間隔を表す信号を出力
する時間−電圧変換器を含むものとすることができる。

【００１３】また、超伝導トンネル接合素子チップはア
レイ状に配列された複数の超伝導トンネル接合素子を備
え、超伝導回路チップは複数の超伝導トンネル接合素子
からの電圧信号の発生をカウントするマルチチャネル型
超電導カウンターを備えることができる。この荷電粒子
検出装置は、ビーム形状（強度分布）のデータ取得のた
めに用いることができる。

【００１４】荷電粒子検出部である超伝導トンネル接合
素子は優れた耐放射線性能を示し、現在よく使われてい
るシリコン半導体検出器に比べておよそ千倍の放射線耐
性をもつ。そのため、放射線の強い環境下での使用に適
し、反応点近傍への設置や、ビーム形状モニター用検出
器として用いるのに適している。また、超伝導トンネル
接合素子が発生する荷電粒子線入射信号の立ち上がり時
間は数ピコ秒と非常に高速であるため、飛行時間測定等
にこの検出器を応用することで、時間分解能の高い測定
が可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。本発明による荷電粒子検出装置
は、超伝導トンネル接合素子（ジョセフソン素子）から
なる荷電粒子検出器、この素子を極低温まで冷却するた
めのクライオスタット等の冷却部、及び検出器からの荷
電粒子線入射信号を読み取る回路部によって構成され
る。

【００１６】図３は超伝導トンネル接合素子を用いた荷
電粒子検出器の例を示す図であり、図３（ａ）は平面
図、図３（ｂ）は１個の超伝導トンネル接合素子の概略
断面図である。この超伝導トンネル接合素子は次のよう
にして製造した。厚さ４００μｍのシリコン基板２１の
表面をスパッタリングにより清浄にし、その上に膜厚５
０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３絶縁層２２を形成した。その上にＤ
Ｃマクネトロンスパッタリングによって膜厚１５０ｎｍ
のＮｂ層を形成し、ｇ線ステッパによるパターン露光の
後、圧力２０ＰａでＣＦ_４プラズマを用いた反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）によってパターニングして底部
Ｎｂ電極２３を形成した。次に、真空を破ることなく、
Ｎｂ（５０ｎｍ）／Ａｌ（１０ｎｍ）−ＡｌＯ_ｘ／Ｎｂ
（１５０ｎｍ）の多層構造を積層した。ＮｂとＡｌの堆
積速度は各々９０ｎｍ／分、１００ｎｍ／分であり、バ
ックグラウンド圧力は１×１０^−５Ｐａである。Ａｌ層
２４の上に形成されたＡｌＯ_ｘからなるトンネル障壁２
５は、１３３０Ｐａの酸素雰囲気中に１時間置いて熱酸
化によって形成した。次に、上部のＮｂ層をＲＩＥによ
ってエッチングして上部Ｎｂ電極２６を形成した。次
に、薄いＡｌ層と底部のＮｂ層をＲＩＥによって底部Ｎ
ｂ電極２３と同じ形に成形した。さらに、ＲＦマグネト
ロンスパッタリングによってＳｉＯ_２絶縁層２７を堆積
し、ＲＩＥによってコンタクトホールを形成し、Ｎｂワ
イヤ層２８を形成しパターニングした。

【００１７】製造された超伝導トンネル接合素子は、上
部Ｎｂ電極２６の寸法２０×２０μｍ^２、下部Ｎｂ電極
２３の寸法４０×４０μｍ^２の正方形である。この超伝
導トンネル接合素子を液体Ｈｅ中に浸漬し静的特性を測
定したところ、臨界電流密度は３８０Ａ／ｃｍ^２、トン
ネル障壁による電気抵抗（normal resistance）は１．
５Ω、ギャップ電圧（gap sum voltage）は２．９ｍ
Ｖ、２ｍＶにおける抵抗値と臨界電流の積（quality pa
rameter）は７５ｍＶであった。

【００１８】図４は、本発明による荷電粒子検出器を用
いた荷電粒子検出装置の全体構成を示す概略図である。
図５は検出装置の測定系のブロック図、図６は測定のタ
イムシーケンスを示す図である。ここでは飛行時間検出
装置を例にとって説明する。図４に示すように、超伝導
トンネル接合素子（４１）が形成されたチップ３１を先
端に取り付けたロッド３２を液体Ｈｅクライオスタット
３３中に直接浸漬し、超伝導トンネル接合素子を４．２
Ｋに冷却した。クライオスタット３３は液体Ｈｅ容器の
壁及び外側の真空シュラウドの壁に荷電粒子線を通す膜
厚０．２５ｍｍのＡｌ窓３４を有する。ビーム強度モニ
タ用として、厚さ３ｍｍのプラスチックシンチレーショ
ン検出器３５をクライオスタット３３の前方に配置し
た。リングサイクロトロンで発生されビームダクトを通
して導かれた^４０Ａｒビーム３６を検出した。

【００１９】飛行時間（time of flight：ＴＯＦ）測定
は、粒子がある距離を通過するのにかかった時間を測定
することで、粒子の速度すなわちエネルギーを決定する
ものである。いまの場合、プラスチックシンチレータ３
５を粒子が通過した際に発生した信号とチップ３１の超
伝導トンネル接合素子を粒子が通過した際に発生した信
号の時間間隔を測定して飛行時間を求める。

【００２０】図５に示すように、超伝導トンネル接合素
子４１からの信号は増幅器４２で増幅され、波高弁別器
４３を通って時間−アナログ電圧変換器（Time to Anal
ogConverter：ＴＡＣ）４４のスタート信号入力端子に
入力される。波高弁別器４３は、設定された閾値電圧を
超えた電圧が入力された場合にのみパルス電圧を出力す
るもので、超伝導トンネル接合素子４１からの信号に乗
っているノイズを除去するためのものである。また、プ
ラスチックシンチレータ３５から発生された光信号はプ
ラスチックシンチレータ３５の両側にある光電子増倍管
４７で検出され、その検出信号は波高弁別器４８でノイ
ズ除去された後、同時計測器（コインシデンスレジス
タ：coincidence register）４９で両側の光電子増倍管
４７から同時に発生した信号のみが選別され、遅延回路
５０で２００ｎｓ遅延されてＴＡＣ４４のストップ信号
入力端子に入力される。ＴＡＣ４４は、スタート信号入
力端子に信号が入力した時間とストップ信号入力端子に
信号が入力した時間の時間間隔を測定し、時間間隔に応
じた電圧を出力する。

【００２１】ＴＡＣ４４からの出力信号はマルチチャネ
ルアナライザ（ＭＣＡ）５１に入力される。マルチチャ
ネルアナライザ５１は入力された電圧のスペクトルを測
定する装置であり、横軸を電圧とし、縦軸をその電圧が
入力された回数とするグラフ（スペクトル）を得る。い
まの場合、入力電圧がＴＡＣ４４からの出力電圧である
ため、マルチチャネルアナライザ５１からは、荷電粒子
（^４０Ａｒ）がプラスチックシンチレータ３５と超伝導
トンネル接合素子４１の間の距離Ｌを通過するのに要し
た時間に対応した位置にピークが現れるようなタイムス
ペクトルが得られる。

【００２２】プラスチックシンチレータ３５からの信号
を遅延回路５０で遅延させてＴＡＣ４４にストップ信号
として入力した理由は次の通りである。上記のように、
ＴＡＣ４４にはスタート・ストップ信号を入力するわけ
で、図４の配置ではプラスチックシンチレータ３５を上
流側に、超伝導トンネル接合素子４１を下流側に設置し
ているため、本来であればプラスチックシンチレータ３
５からの信号をＴＡＣ４４のスタート端子に、超伝導ト
ンネル接合素子４１からの信号をＴＡＣ４４のストップ
端子に入力すれば、プラスチックシンチレータと超伝導
トンネル接合素子が置かれた距離Ｌを荷電粒子線が飛行
した時間がＴＡＣ４４によって測定される。

【００２３】ところが、荷電粒子線を検出する有感領域
がプラスチックシンチレータ３５の方が超伝導トンネル
接合素子４１に比べてはるかに大きいため、プラスチッ
クシンチレータ３５を通過して超伝導トンネル接合素子
４１は通過しない荷電粒子が圧倒的な数になる。従って
超伝導トンネル接合素子４１を通過した信号をスタート
端子に入力し、遅延したプラスチックシンチレータから
の信号をストップ端子に入力することで、確実に「プラ
スチックシンチレータを通過して更に超伝導トンネル接
合素子も通過した粒子」の飛行時間を測定することが可
能になる。ＴＡＣ４４によって測定された時間は、この
遅延時間を加味したものであるため、それを補正して真
の飛行時間を求める。

【００２４】スケーラー５２，５３は、設定した時間内
に入力されたパルス電圧の回数を計数する装置である。
プラスチックシンチレータ３５からの信号の数、及びプ
ラスチックシンチレータ３５と超伝導トンネル接合素子
４１の両方がほぼ同時に信号を発生した数を計数するこ
とで、荷電粒子線の強度（１秒間当たりの荷電粒子数）
と超伝導トンネル接合素子に入射した荷電粒子線の強度
（同じく１秒間当たりの荷電粒子数）を測定する。

【００２５】超伝導トンネル接合素子４１への電流バイ
アスＩ_ｂは、関数発生器４５から可変抵抗器４６を通し
て供給した。電流バイアスＩ_ｂは、臨界電流Ｉ_ｃに対し
て−０．９５Ｉ_ｃ＜Ｉ_ｂ＜−Ｉ_ｃに設定した。超伝導ト
ンネル接合素子４１からの出力信号Ｖ_ｏｕｔは増幅器４
２によって増幅され、波高弁別器４３から論理パルスが
発生される。論理パルスは３つの信号路に分割され、第
１の信号はＴＡＣ４４のスタート信号として用いられ、
第２の信号はプラスチックシンチレーション検出器から
の信号とのコインシデンスを見るために用いられ、第３
の信号は超伝導トンネル接合素子４１の電圧状態へのス
イッチングの後、Ｖ_ｏｕｔを０Ｖにリセットするために
電流バイアスＩ_ｂを掃引するためのトリガー信号として
用いられる（図２参照）。

【００２６】超伝導トンネル接合素子の電圧状態への転
移は非可逆であるため、一度電圧を発生するとその電圧
状態に留まる。超伝導トンネル接合素子が次の荷電粒子
線入射に対して反応し電圧を発生するためには、荷電粒
子線入射の前に電圧状態を超伝導状態（０Ｖ）に戻す必
要がある。これを実現するために、トンネル接合素子か
らの荷電粒子入射信号自身をトリガーとして利用し、印
加している電流バイアスを掃引することで、トンネル接
合素子の状態をリセットする。このリセットのための回
路として関数発生器４５を用いた。関数発生器４５は、
通常状態（検出器が荷電粒子線を待ちかまえている状
態）ではある一定の直流電圧を連続して出力し、荷電粒
子線が入射した際の検出器からの信号をトリガーとし
て、予めプログラムしておいた初期電圧→ゼロ電圧→初
期電圧という電圧をたどる三角波電圧を一回出力する。

【００２７】図６は、本発明の荷電粒子検出装置による
測定のタイムシーケンスを示す図である。横軸は時間で
あり、超伝導トンネル接合素子の制御を時間の経過とと
もに表している。図６（ａ）は荷電粒子線の超伝導トン
ネル接合素子への入射を表す図であり、波形６１，６２
の立ち上がりが荷電粒子の入射時間を表している。図６
（ｂ）は超伝導トンネル接合素子から出力される電圧波
形６３，６４を表す図、図６（ｃ）は関数発生器４５に
入力されるトリガー信号６５，６６の波形図、図６
（ｄ）は超伝導トンネル接合素子に入力されているバイ
アス電流波形６７を表す図である。

【００２８】図６（ｄ）に示すように、荷電粒子が超伝
導トンネル接合素子に入射する前、すなわち検出器が荷
電粒子の到着を待ちかまえている状態では、関数発生器
４５から一定の直流電圧を出力する。これは図６（ｄ）
の時刻ｔ_０からｔ_１までに相当する。この電圧を可変抵
抗器４６を通して電流値として制御し、超伝導トンネル
接合素子の臨界電流よりも僅かに小さくなるような値Ｉ
_ｂにセットする。

【００２９】ここで、超伝導トンネル接合素子に粒子が
入射すると（図６（ａ）の最初の立ち上がり６１）、超
伝導トンネル接合素子は電圧状態に移行し、図６（ｂ）
の波形６３に示すように電圧Ｖｇを発生する。この信号
６３が波高弁別器４３に入力されると、波高弁別器４３
から電圧パルス６５が発生される（図６（ｃ））。この
電圧パルスを幾つかに分け、そのうちの一つを関数発生
器４５のトリガー入力端子に入力する。関数発生器４５
には、トリガーが入ると電圧ゼロ（ｔ_２）を通ってまた
初期の電圧に戻る（ｔ_３）ような三角波が出力されるよ
うに予めプログラムしておき、荷電粒子入射によって発
生したトリガーを検知して出力電圧をそのように掃引す
る（図６（ｄ））。関数発生器４５の電圧、すなわちバ
イアス電流をゼロを通るように掃引すると、図２の超伝
導トンネル接合素子の電流−電圧特性曲線にリセットと
して示した道筋を通って超伝導トンネル接合素子の状態
が初期状態、つまり出力電圧ゼロの状態に戻る。荷電粒
子が超伝導トンネル接合素子に入射するたびに、以上の
動作が自動的に反復される。

【００３０】図７は、図４，５にて説明した装置を用い
て、ＴＡＣからの出力電圧をＭＣＡに入力して得られた
「プラスチックシンチレータを通過し、更に超伝導トン
ネル接合素子を通過」した荷電粒子の飛行時間の測定結
果を示す図である。横軸が飛行時間、縦軸がその時間で
飛行してきた荷電粒子の個数を表す。加速器で加速した
荷電粒子線は、運動エネルギーすなわち速度が揃ってい
るのである一定の時刻の位置にピークが現れる。ただ
し、ここでは荷電粒子線の飛行時間の測定ではなく、測
定される時間の測定精度を知ることを目的としたため、
図ではピークの位置を０としてある。プラスチックシン
チレータ、超伝導トンネル接合素子、その他の回路を含
めた測定系の測定精度（時間決定精度）は、得られたピ
ークの半値全幅（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨ
Ｍ）から求められ、ピークの幅が狭ければ狭いほど時間
の測定精度が良いことになる。この実験では、ＦＷＨＭ
として１．７±０．２ｎｓが得られた。

【００３１】図８は、本発明による荷電粒子検出器の他
の例を示す断面模式図である。荷電粒子検出器を飛行時
間測定（ＴＯＦ）で使用するＴＯＦカウンターとして用
いるためには、粒子が通過する厚さを極力薄くする必要
がある。そこで、シリコン基板７１上に超伝導トンネル
接合素子７２を作成した後に、基板７１の裏面をエッチ
ングして削り、検出部の厚みを薄くした。この手法によ
り荷電粒子線が通過する部分の厚さは２μｍ程度とする
ことが可能となる。重イオン検出器は、検出器を通過す
る重イオンから与えられるエネルギーを利用して動作す
るため、原理的に重イオンのエネルギー損失は避けられ
ない。しかしながら、検出器の厚さを極力薄くすること
で、通過の際のエネルギー損失を小さくすることが可能
になる。これは特に、重イオンのエネルギー測定におい
ては、入射エネルギーを損なわないという点で重要であ
り、本発明の超伝導トンネル接合素子と基板のエッチン
グにより、厚さの薄い検出器を実現する。

【００３２】図９は、本発明による飛行時間測定に用い
られる荷電粒子検出器の他の例の断面模式図である。図
１０は、検出回路の例を示すブロック図である。飛行時
間測定では、荷電粒子線の軌道上に２個の検出器を置
き、それぞれの検出器からの信号をスタート信号、スト
ップ信号としてその時間間隔を測定する。本例の飛行時
間検出用の荷電粒子検出器８０は、図９に示すように、
１枚の基板８１上に重ねて作製した２個の超伝導トンネ
ル接合素子８２，８３によって２個の検出器を構成す
る。荷電粒子検出器８０の製造に当たっては、最初、図
３によって説明したのと同様の方法によって基板８１上
に第１の超伝導トンネル接合素子８２を形成する。その
上にＳｉＯ_２等の絶縁膜８４を形成し、絶縁膜８４の表
面をイオンポリッシュによって平坦化する。その後、絶
縁膜８４の上に第１の超伝導トンネル接合素子８２と同
様の方法で第２の超伝導トンネル接合素子８３を形成す
る。ただし、第２の超伝導トンネル接合素子８３の製造
に当たっては、最下層の絶縁層の形成を省略することが
できる。こうして、２個の検出器間の距離Ｌが１００μ
ｍ程度である飛行時間検出用の荷電粒子検出器８０を製
造することができる。その後、基板８１の裏面をエッチ
ングして削り、検出部の厚みを薄くする。入射した重イ
オンが検出器内に停止せずに通過できることから、通過
した重イオンを他の物理量の測定（例えば、重イオンの
寿命測定等）に利用可能となる。

【００３３】超伝導トンネル接合素子のサイズは単体で
は数μｍ×数μｍと小さいため、別々の基板上に作製し
た２つの超伝導トンネル接合素子を同一線上に精度良く
並べて配置するのは困難である。図９に示すように２個
の超伝導トンネル接合素子を１つのチップ上に重ねて作
製することで、別々のチップ上に作製した超伝導トンネ
ル接合素子の両方を通過するようにチップを整列させる
困難さが解消される。

【００３４】図９に示した荷電粒子検出器８０を用いた
飛行時間測定の動作原理は、図４〜図６を用いて説明し
た測定方法において、プラスチックシンチレータの代わ
りに、チップ内に形成した超伝導トンネル接合素子を用
いること以外、同じである。例えば、荷電粒子がチップ
内の上層の第２の超伝導トンネル接合素子８３を通過し
た時に発生する信号をスタート信号とし、下層の第１の
超伝導トンネル接合素子８２を通過した時に発生する信
号をストップ信号としてその時間差を測定する。

【００３５】図１０は、図９の荷電粒子検出器８０を用
いた飛行時間測定回路の例を示す図である。上流側の超
伝導トンネル接合素子８３及び下流側の超伝導トンネル
接合素子８２からの信号は、超伝導時間−デジタル電圧
変換器（Time to Digital Converter：ＴＤＣ）９１に
スタート信号及びストップ信号として入力される。超伝
導ＴＤＣの出力はマルチチャネルアナライザ（ＭＣＡ）
９２に入力される。マルチチャネルアナライザ９２から
は、入射した荷電粒子が２個の超伝導トンネル接合素子
８３，８２の間の距離Ｌを通過するのに要した時間に対
応した位置にピークが現れるようなタイムスペクトルが
出力される。

【００３６】超伝導ＴＤＣ９１は、ＴＡＣと同様、スタ
ート・ストップの時間間隔に応じた電圧を出力する装置
であり、ＴＡＣの機能を超伝導デバイス回路を用いて実
現するものである。ＴＡＣからはアナログ電圧が出力さ
れるのに対して、ＴＤＣではデジタル電圧が出力され
る。超伝導トンネル接合素子からの信号をそのままクラ
イオスタット（極低温部）から通常の測定回路（室温
部）にもってくると、その伝送経路で信号がなまってし
まい、良好な時間特性が失われてしまう。超伝導トンネ
ル接合素子が本来有する優れた高速な時間応答特性を引
き出すためには、図１２に示すように、超伝導トンネル
接合素子８２，８３と同じ極低温部に超伝導ＴＤＣ９１
を設置し、時間情報はそこで処理してしまうのが有利で
ある。また、超伝導トンネル接合素子はプラスチックシ
ンチレータよりも動作速度が速いので、２個の超伝導ト
ンネル接合素子を重ねた検出器を用いることで、プラス
チックシンチレータを用いた場合よりも時間精度の高い
測定が可能になる。

【００３７】超伝導トンネル接合素子８２，８３の出力
は、また、増幅器９３ａ，９３ｂで増幅された後、波高
弁別器９４ａ，９４ｂに入力される。波高弁別器９４
ａ，９４ｂの出力は関数発生器９５ａ，９５ｂにトリガ
ー信号として入力される。関数発生器９５ａ，９５ｂ
は、トリガー信号が入力されると図６（ｄ）にて説明し
たように、電圧ゼロを通ってまた初期の電圧に戻るよう
な三角波を出力する。この三角波電圧を可変抵抗器９６
ａ，９６ｂを通して電流値として制御して超伝導トンネ
ル接合素子８２，８３に流すことによって、前述のよう
に超伝導トンネル接合素子８２，８３の状態を出力電圧
ゼロの初期状態に戻す。この関数発生器９５ａ，９５ｂ
を含むリセット回路は室温部に配置されている。また、
同時計測器９７にほぼ同時に波高弁別器９４ａ，９４ｂ
からの出力パルスが入力された場合にのみ、同時計測器
９７から出力があるように設定を行い、その出力をスケ
ーラー９８で計測することで、超伝導トンネル接合素子
８２，８３を通過した重イオンの数を数える。

【００３８】飛行時間検出用の荷電粒子検出器８０は、
上下一組で検出器として機能するが、この荷電粒子検出
器８０を同一チップ上に多数並べて配置し、それぞれに
ついてこれまで説明したようなバイアス回路、リセット
回路、ＴＤＣ等の周辺回路を用意することで、検出器の
有効面積を実効的に大きくすることができる。これによ
り、測定対象となる重イオンが非常に少ない場合に、よ
り取りこぼし無く測定することが可能になる。

【００３９】超伝導トンネル接合素子による荷電粒子線
通過の信号はピコ秒の速さで発生する。この速度を活か
すためには、検出部である超伝導トンネル接合素子のご
く近傍に信号処理回路があることが望ましく、なおかつ
信号処理回路はトンネル接合素子が置かれる極低温の環
境で動作する必要がある。このための回路として超伝導
ＴＤＣを採用する。超伝導ＴＤＣは検出部と同様にトン
ネル接合素子の組み合わせで構成されているため、この
回路自身も強い耐放射線性を併せ持っている。従って検
出部であるトンネル接合素子の近傍へ設置することが可
能である。

【００４０】また、チップとプリント基板の配線にフリ
ップチップボンディング技術を用いた配線を行う。フリ
ップチップボンディングは、チップ上の配線とパッドと
プリント基板の配線パッドに鉛やスズでバンプを作り、
チップの配線部とプリント基板の配線部を向かい合わせ
にして張り合わせ、加熱することで両方のバンプを融合
して配線する方法である。この結果、クライオスタット
からの信号は時間に応じた電圧信号という形で出力され
るため、それ以降の回路はそれほど高速である必要がな
くなり、簡便な回路が利用可能となる。

【００４１】図１２は、超伝導トンネル接合素子チップ
と超伝導ＴＤＣチップを実装したプリント基板の概略図
である。図１２（ａ）は全体の斜視図、図１２（ｂ）は
図１２（ａ）のＡ方向から見た図、図１２（ｃ）は図１
２（ａ）のＢ方向から見た側面図である。

【００４２】超伝導トンネル接合素子チップ及び超伝導
ＴＤＣチップ１１５は、表面すなわち超伝導トンネル接
合素子がある面をプリント基板１１６側に向けて、プリ
ント基板１１６にフリップチップボンディング１１７に
よって実装されている。プリント基板１１６は、クライ
オスタットコールドフィンガーに接続される銅製治具１
１８に固定されている。図１２（ｂ）（ｃ）に示すよう
に、超伝導トンネル接合素子チップ１１１の感応領域に
直接荷電粒子１１９が入射するように銅製治具１１８に
は荷電粒子線を通すための開口１２０が設けられてい
る。超伝導ＴＤＣ１１５は銅製治具１１８によって荷電
粒子線から遮蔽されているので、ＴＤＣ１１５に荷電粒
子線が入射することによって超伝導ＴＤＣ１１５が誤動
作を起こすことはない。

【００４３】次に、図１１を用いて、超伝導トンネル接
合素子をマルチピクセル化したビーム形状モニター用の
荷電粒子検出装置の例について説明する。図１１は、超
伝導トンネル接合素子を基板上に多数個並ベマルチピク
セル化した検出器の概略図である。この例のマルチピク
セル検出器は、サイズ５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ
のチップ１１１に１個の大きさが２０μｍ×２０μｍの
超伝導トンネル接合素子１１２を７５×７５個アレイ状
に配列したものである。超伝導トンネル接合素子の配置
された検知領域の寸法は３ｍｍ×３ｍｍである。素子一
つ一つが荷電粒子線入射の信号を独立に発生するため、
はじめからデジタル位置情報をもったデータの取得が可
能となる。

【００４４】各々の超伝導トンネル接合素子１１２から
の出力信号は、前述した超伝導ＴＤＣチップの実装と同
様、図１２に示すごとく、チップ１１１に隣接して実装
されたマルチチャネル型超伝導カウンター１１５に入力
され、各超伝導トンネル接合素子１１２への重イオン入
射による信号の発生を素子毎に計数する。この情報を読
み出すことで、ｘ座標、ｙ座標、座標（ｘ，ｙ）におけ
る計数という３次元のデータ、すなわちビーム形状（強
度分布）のデータが取得可能となる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によると、時間分解能が高く放射
線耐性が高い荷電粒子検出装置を得ることができる。ま
た、ビーム形状をモニタすることのできるビーム形状モ
ニター用荷電粒子検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】荷電粒子線通過によって超伝導トンネル接合素
子に発生するホットスポットの説明図。

【図２】超伝導トンネル接合素子の電流−電圧特性曲線
を示す図。

【図３】超伝導トンネル接合素子を用いた荷電粒子検出
部の例を示す図。

【図４】本発明による荷電粒子検出器を用いた荷電粒子
検出装置（飛行時間検出装置）の全体構成を示す概略
図。

【図５】検出装置の測定系のブロック図。

【図６】測定のタイムシーケンスを示す図。

【図７】荷電粒子線の飛行時間の測定結果を示す図。

【図８】本発明による荷電粒子検出器の他の例の断面模
式図。

【図９】飛行時間測定に用いられる本発明による荷電粒
子検出器の他の例の断面模式図。

【図１０】検出回路の例を示すブロック図。

【図１１】マルチピクセル検出器の例を示す図。

【図１２】超伝導トンネル接合素子チップと超伝導回路
チップを実装したプリント基板の概略図。

【符号の説明】

１０…超伝導トンネル接合素子、１１…薄い酸化物絶縁
膜（トンネル障壁）、１２，１３…超伝導金属薄膜、１
５…荷電粒子の通過軌跡、２１…基板、２２…絶縁層、
２３…底部Ｎｂ電極、２４…Ａｌ層、２５…トンネル障
壁、２６…上部Ｎｂ電極、２７…絶縁層、２８…Ｎｂワ
イヤ層、３１…チップ、３２…ロッド、３３…クライオ
スタット、３４…Ａｌ窓、３５…プラスチックシンチレ
ーション検出器、３６…^４０Ａｒビーム、４１…超伝導
トンネル接合素子、４２…増幅器、４３…波高弁別器、
４４…時間−アナログ電圧変換器（ＴＡＣ）、４５…関
数発生器、４６…可変抵抗器、４７…光電子増倍管、４
８…波高弁別器、４９…同時計測器、５０…遅延回路、
５１…マルチチャネルアナライザ（ＭＣＡ）、５２，５
３…スケーラー、７１…基板、７２…超伝導トンネル接
合素子、８０…荷電粒子検出器、８１…基板、８２，８
３…超伝導トンネル接合素子、８４…絶縁膜、９１…超
伝導時間−デジタル電圧変換器（ＴＤＣ）、９２…マル
チチャネルアナライザ、９３ａ，９３ｂ…増幅器、９４
ａ，９４ｂ…波高弁別器、９５ａ，９５ｂ…関数発生
器、９６ａ，９６ｂ…可変抵抗器、９７…同時計測器、
９８…スケーラー、１１１…チップ、１１２…超伝導ト
ンネル接合素子、１１５…超伝導ＴＤＣや超伝導カウン
タ等の超伝導回路チップ、１１６…プリント基板、１１
７…フリップチップボンディング、１１８…銅製治具、
１１９…荷電粒子、１２０…開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 39/02 ＺＡＡＨ０１Ｌ 39/02 ＺＡＡＡ 39/04 ＺＡＡ 39/04 ＺＡＡ 39/22 ＺＡＡ 39/22 ＺＡＡＤＺＡＡＫ (72)発明者池田時浩埼玉県和光市丸山台２−７−18 ロシュホール402 (72)発明者奥隆之埼玉県和光市大字新倉2857−１ファインコーポラスＢ202 (72)発明者滝澤慶之東京都板橋区舟渡１−21−１亀山ビル 301 (72)発明者渡辺博東京都板橋区赤坂新町３−19−９ルーミ赤坂103 (72)発明者川井和彦埼玉県和光市丸山台２−４−12 シェルブール308 (72)発明者大谷知行埼玉県和光市新倉2884 コンフォート201 (72)発明者宮坂浩正埼玉県志木市柏町２−16−３メゾン中野 102 Ｆターム(参考） 2G088 FF12 FF13 FF15 GG22 GG23 GG25 JJ05 JJ09 JJ37 KK11 KK15 KK24 KK29 KK32 LL05 4M113 AA04 AA14 AA25 AC24 AD01 AD36 BA05 BB08 BC04 BC16 CA13 4M114 AA21 AA28 AA29 BB03 CC08 CC16 CC18 DA02 DA07 DA45 DA51 DA60 5C038 FF04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された、２枚の超伝導金属
薄膜でトンネル障壁を挟んで構成された超伝導トンネル
接合素子と、前記超伝導トンネル接合素子に電流を流す
ための電流源と、前記超伝導トンネル接合素子に発生す
る電圧信号が入力される信号処理回路とを含み、前記電流源は、前記超伝導トンネル接合素子に当該素子
の臨界電流より小さく当該素子に荷電粒子が入射したと
きの減少した臨界電流より大きなバイアス電流を流し、
前記超伝導トンネル接合素子から電圧信号が発生された
とき前記バイアス電流をゼロ電流を経て初期のバイアス
電流に復帰させることを特徴とする荷電粒子検出装置。
【請求項２】基板上に上下に位置合わせして積層され
た、２枚の超伝導金属薄膜でトンネル障壁を挟んで構成
された第１及び第２の超伝導トンネル接合素子と、前記
第１の超伝導トンネル接合素子に電流を流すための第１
の電流源と、前記第２の超伝導トンネル接合素子に電流
を流すための第２の電流源と、前記第１の超電導トンネ
ル接合素子に発生した電圧信号と第２の超電導トンネル
接合素子に発生した電圧信号との一方をスタート信号と
し他方をストップ信号として両者の間の時間間隔を表す
信号を出力する時間−電圧変換器と、前記時間−電圧変
換器の出力スペクトルを測定するマルチチャネルアナラ
イザとを含み、前記第１の電流源は、前記第１の超伝導トンネル接合素
子に当該素子の臨界電流より小さく当該素子に荷電粒子
が入射したときの減少した臨界電流より大きなバイアス
電流を流し、前記第１の超電導トンネル接合素子から電
圧信号が発生したとき当該バイアス電流をゼロ電流を経
て初期のバイアス電流に復帰させ、前記第２の電流源
は、前記第２の超伝導トンネル接合素子に当該素子の臨
界電流より小さく当該素子に荷電粒子が入射したときの
減少した臨界電流より大きなバイアス電流を流し、前記
第２の超電導トンネル接合素子から電圧信号が発生した
とき当該バイアス電流をゼロ電流を経て初期のバイアス
電流に復帰させることを特徴とする荷電粒子検出装置。
【請求項３】請求項２記載の荷電粒子検出装置におい
て、前記時間−電圧変換器は、超伝導デバイス回路によ
って前記スタート信号とストップ信号の間の時間間隔を
表すデジタル電圧を出力する超伝導時間−デジタル電圧
変換器からなり、前記第１及び第２の超伝導トンネル接
合素子と同じ極低温部に配置されていることを特徴とす
る荷電粒子検出装置。
【請求項４】請求項１，２又は３記載の荷電粒子検出
装置において、検出される荷電粒子の経路上に位置する
基板厚を薄くしたことを特徴とする荷電粒子検出装置。
【請求項５】表裏を貫通する開口部を有しコールドフ
ィンガーに接続される高熱伝導率部材と、前記高熱伝導率部材に前記開口部を塞ぐようにマウント
された、２枚の超伝導金属薄膜でトンネル障壁を挟んで
構成された超伝導トンネル接合素子が複数形成された超
伝導トンネル接合素子チップと、前記高熱伝導率部材にマウントされた前記超伝導トンネ
ル接合素子チップ上の超伝導トンネル接合素子から発生
された電圧信号を処理するための超伝導回路チップと、前記超伝導トンネル接合素子チップに形成された複数の
超伝導トンネル接合素子の各々にバイアス電流を流すた
めの複数の電流源とを含み、前記複数の電流源は、当該電流源が接続された超伝導ト
ンネル接合素子に当該素子の臨界電流より小さく当該素
子に荷電粒子が入射したときの減少した臨界電流より大
きなバイアス電流を流し、当該素子から電圧信号が発生
されたとき前記バイアス電流をゼロ電流を経て初期のバ
イアス電流に復帰させることを特徴とする荷電粒子検出
装置。
【請求項６】請求項５記載の荷電粒子検出装置におい
て、前記超伝導トンネル接合素子チップは基板上に上下
に位置合わせして積層された超伝導トンネル接合素子対
を有し、前記超伝導回路チップは前記超伝導トンネル接
合素子対の一方の超伝導トンネル接合素子から発生され
た電圧信号と他方の超伝導トンネル接合素子から発生さ
れた電圧信号の一方をスタート信号とし他方をストップ
信号として両者の間の時間間隔を表す信号を出力する時
間−電圧変換器を含むことを特徴とする荷電粒子検出装
置。
【請求項７】請求項５記載の荷電粒子検出装置におい
て、前記超伝導トンネル接合素子チップはアレイ状に配
列された複数の超伝導トンネル接合素子を備え、前記超
伝導回路チップは前記複数の超伝導トンネル接合素子か
らの電圧信号の発生をカウントするマルチチャネル型超
電導カウンターを備えることを特徴とする荷電粒子検出
装置。