JP2002236052A - Calorimeter and its driving method - Google Patents
Calorimeter and its driving methodInfo
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- JP2002236052A JP2002236052A JP2001032260A JP2001032260A JP2002236052A JP 2002236052 A JP2002236052 A JP 2002236052A JP 2001032260 A JP2001032260 A JP 2001032260A JP 2001032260 A JP2001032260 A JP 2001032260A JP 2002236052 A JP2002236052 A JP 2002236052A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、放射線のエネルギ
ーを熱に変換し、さらに、その温度変化を電気信号とし
て読み出すカロリメータに関し、特に、高感度、高計数
率を有し、実用性の高いカロリメータを提供するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a calorimeter for converting radiation energy into heat and reading out a change in temperature as an electric signal, and more particularly to a calorimeter having a high sensitivity, a high counting rate and a high practicality. Is provided.
【０００２】[0002]
【従来技術】図７、図８に従来技術による超伝導転移端
センサ（Transition Edge Sensor：以下TESと称す）
カロリメータの構造図を示す。図７は上面図であり、 T
ESカロリメータのみを示している。図８は、図７のa- a
’の断面図を示し、さらに、一定温度に保持されてい
る熱槽6上に設置されている。2. Description of the Related Art FIGS. 7 and 8 show a conventional superconducting transition edge sensor (hereinafter referred to as TES).
1 shows a structural diagram of a calorimeter. FIG. 7 is a top view,
Only the ES calorimeter is shown. FIG. 8 shows a-a of FIG.
'Shows a cross-sectional view, and is further set on a heat tank 6 maintained at a constant temperature.
【０００３】TESカロリメータは基板1上に作製され、放
射線を吸収し、エネルギーを熱に変換する吸収体３と、
吸収体３の温度Taを計測するための温度変換器であるTE
S4が薄膜メンブレン２上に形成されている。薄膜メンブ
レン２は、TES4と熱槽６の間に熱コンダクタンスgを有
する熱リンクとして機能する。ここで、gに比べ、吸収
体３とTES４の間の熱コンダクタンスは十分大きいと仮
定し、吸収体3の温度 TaとTES4の温度 Ttは等しいもの
としている。TES4には、電力を供給し、また、その抵抗
値を読み出すための電極5が接続されている。TES4の抵
抗値Rtは温度Ttにより変化し、その関係は図9に示す抵
抗-温度(R-T)曲線で表される。[0003] The TES calorimeter is fabricated on a substrate 1 and absorbs radiation and converts energy into heat.
TE which is a temperature converter for measuring the temperature Ta of the absorber 3
S4 is formed on the thin film membrane 2. The thin film membrane 2 functions as a thermal link having a thermal conductance g between the TES 4 and the thermal bath 6. Here, it is assumed that the thermal conductance between the absorber 3 and TES4 is sufficiently larger than g, and the temperature Ta of the absorber 3 is equal to the temperature Tt of TES4. The electrode 5 for supplying power and reading the resistance value is connected to the TES4. The resistance value Rt of TES4 changes depending on the temperature Tt, and the relationship is represented by a resistance-temperature (RT) curve shown in FIG.
【０００４】図10に、超伝導量子干渉素子(以下SQUIDと
称す )を用いた読み出し回路を示す。入力コイルを磁気
結合されたSQUID7がTES4に対して直列に接続されてい
る。バイアス電流源9とその電流値Ibを電圧に変換する
バイアス抵抗（抵抗値Rb)10により、TES４に電圧Vbを加
える。バイアス抵抗10は、直列接続されているTES4とSQ
UID7に対して、並列に接続されている。SQUID7の入力コ
イルに流れる電流ItをSQUID駆動回路８により測定す
る。そのときの電流変化は放射線のエネルギーに対応す
る。FIG. 10 shows a readout circuit using a superconducting quantum interference device (hereinafter, referred to as SQUID). SQUID7 with the input coil magnetically coupled is connected in series to TES4. A voltage Vb is applied to TES4 by a bias current source 9 and a bias resistor (resistance value Rb) 10 for converting the current value Ib to a voltage. The bias resistor 10 is connected to TES4 and SQ connected in series.
Connected in parallel to UID7. The current It flowing through the input coil of the SQUID 7 is measured by the SQUID drive circuit 8. The current change at that time corresponds to the energy of the radiation.
【０００５】次に、読み出し回路の調整法について説明
する。図１１に、バイアス電流Ibと、SQUID7によって測
定されたTES電流Itの関係を示す。熱槽の温度TbはTESの
臨界温度Tcより低く設定されている。Ib=0のとき、Tt=T
bであり、TESは超伝導状態にある。Ibをゼロから増加さ
せると、TESの臨界電流値Icまで、Ibの全てがTESに流れ
る。その結果、Itは、Ibに比例して増加する。Next, a method of adjusting the read circuit will be described. FIG. 11 shows the relationship between the bias current Ib and the TES current It measured by SQUID7. The temperature Tb of the heat tank is set lower than the critical temperature Tc of TES. When Ib = 0, Tt = T
b, TES is in a superconducting state. When Ib is increased from zero, all of Ib flows to TES up to the critical current value Ic of TES. As a result, It increases in proportion to Ib.
【０００６】次に、IbがIcを越えると、TESは抵抗状態
になる。その結果、Ibの一部がバイアス抵抗10に流れ、
Itは急激に減少する。IbがIcに到達し(点Ｂ)、その点を
越えると、動作点は点Cへ移動する。抵抗状態になったT
ES自身のジュール熱により温度Ttは上昇する。さらに、
Ibを増加させると、点 Dに向かって Itは増加する。Next, when Ib exceeds Ic, TES goes into a resistance state. As a result, part of Ib flows to the bias resistor 10,
It decreases sharply. When Ib reaches Ic (point B) and crosses that point, the operating point moves to point C. T in resistance state
The temperature Tt rises due to the Joule heat of the ES itself. further,
As Ib increases, It increases toward point D.
【０００７】このとき、TtはTESの臨界温度Tcを越え、
その抵抗値は常伝導抵抗R nとなる。At this time, Tt exceeds the critical temperature Tc of TES,
The resistance value is a normal conduction resistance Rn.
【０００８】次に、Ibを小さくすると、Itは点 Eに向か
い、I bに比例して減少する。さらに、Ibを減少させる
と、点Eを境に増加し始める。その増加領域において、T
ESは転移状態にある。このとき、Ibの変化に対してジュ
ール熱が一定となる。この状態を電熱フィードバック(E
lectro Thermal Feedback: 以下ETFと称す)状態と言
う。ETF状態にあるTESの時定数はτeffは次の式で表さ
れる。Next, when Ib is reduced, It goes to the point E and decreases in proportion to Ib. Further, when Ib is decreased, it starts increasing at the point E. In the increase area, T
ES is in a metastatic state. At this time, the Joule heat becomes constant with respect to the change of Ib. This state is referred to as electrothermal feedback (E
Electro Thermal Feedback (hereinafter referred to as ETF). The time constant of TES in the ETF state is represented by the following equation.
【０００９】[0009]
【数１】 ここで、Cは吸収体の熱容量、gはカロリーメータから熱
槽への熱コンダクタンス、nは定数(=3〜5)である。τo
は固有時定数であり、C/gで表される。数式１からわか
るとおり、ETF状態にあるTESの時定数τeffは固有時定
数τoに比べ、短くなっている。しかし、Rbに比べ、Ro
が大きい場合、Rb=Roを境に、ETFの効果が失われること
がわかる。(Equation 1) Here, C is the heat capacity of the absorber, g is the thermal conductance from the calorimeter to the heat tank, and n is a constant (= 3 to 5). τo
Is an intrinsic time constant and is expressed in C / g. As can be seen from Equation 1, the time constant τeff of TES in the ETF state is shorter than the intrinsic time constant τo. However, compared to Rb, Ro
Is large, the effect of ETF is lost at the boundary of Rb = Ro.
【００１０】以上のように、TESカロリメータを読み出
し回路を用いて動作させるには、一度、臨界電流値Icを
越える大きなバイアス電流Ibを加え、Ibを減少させ、ET
F状態にして、図9の点Aにバイアスする必要がある。As described above, in order to operate the TES calorimeter using the readout circuit, a large bias current Ib exceeding the critical current value Ic is added once to reduce Ib,
In the F state, it is necessary to bias to the point A in FIG.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】カロリメータは高エネ
ルギー分解能と高計数率が要求される。高計数率を得る
ためには、入射放射線に対する応答速度を早くするた
め、その時定数を短くする必要がある。The calorimeter requires a high energy resolution and a high counting rate. In order to obtain a high counting rate, it is necessary to shorten the time constant in order to increase the response speed to incident radiation.
【００１２】TESカロリメータにおいては、ETF状態にさ
せることで、時定数の改善が可能であった。バイアス抵
抗Rbと動作抵抗Roの関係において、ETFの効果を得るた
めにはRb<<Roを満足させる必要があった。TESの常伝導
抵抗の値Rnは1Ωより遙かに小さいため、Rb<<Roを満足
させるバイアス抵抗を安定して得ることは難しい。[0012] In the TES calorimeter, it was possible to improve the time constant by setting the ETF state. In the relationship between the bias resistance Rb and the operating resistance Ro, it was necessary to satisfy Rb << Ro in order to obtain the effect of the ETF. Since the value of the normal resistance Rn of TES is much smaller than 1Ω, it is difficult to stably obtain a bias resistance satisfying Rb << Ro.
【００１３】また、カロリメータをETF状態にバイアス
するためには、臨界電流値Icを越える大きなバイアス電
流Ibを加えTESの臨界電流値Icより大きなバイアス電流
を加える必要がある。しかし、バイアス点の電流値に比
べ、臨界電流値Icは非常に大きく、超伝導状態にあるTE
Sを転移状態、および抵抗状態に移動させることは困難
であった。In order to bias the calorimeter to the ETF state, it is necessary to apply a large bias current Ib exceeding the critical current value Ic and a bias current larger than the critical current value Ic of TES. However, the critical current value Ic is much larger than the current value at the bias point,
It was difficult to move S to the transition state and the resistance state.
【００１４】また、臨界電流値Icは温度上昇によって、
減少させることが可能である。そのため、熱槽の温度を
上昇させることによって、臨界電流値を小さくする方法
も行われてきた。しかし、一度上昇させた熱槽の温度を
安定させるためには非常に時間がかかり、実用上問題が
あった。Further, the critical current value Ic is increased by the temperature rise.
It is possible to reduce it. Therefore, a method of reducing the critical current value by increasing the temperature of the heat tank has been performed. However, it takes a very long time to stabilize the temperature of the heat tank once raised, and there is a practical problem.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ために、本発明は、放射線のエネルギーを吸収し熱に変
換する吸収体と、その吸収体の温度を計測するための温
度変換器と、一定温度に保持されている熱槽との間の熱
コンダクタンスを有する熱リンクなるカロリメータにお
いて、吸収体の温度を制御するための抵抗体を備える。In order to solve the above problems, the present invention provides an absorber for absorbing radiation energy and converting it into heat, and a temperature converter for measuring the temperature of the absorber. And a heat link having a thermal conductance between the heat bath and a heat tank maintained at a constant temperature, comprising a resistor for controlling the temperature of the absorber.
【００１６】また、吸収体と温度変換器と熱リンクと抵
抗体が基板上に集積されており、熱リンクが基板の厚さ
より薄いメンブレン構造を持ち、その温度変換器が温度
により超伝導状態と常伝導状態と中間の転移状態を持つ
TESからなり、かつ、吸収体と温度変換器を熱リンク上
に形成されたTESカロリメータに対して、抵抗体を備え
る。The absorber, the temperature converter, the heat link, and the resistor are integrated on the substrate, and the heat link has a membrane structure thinner than the thickness of the substrate. Has normal transition state and intermediate transition state
A resistor is provided for the TES calorimeter which is made of TES and has an absorber and a temperature converter formed on a heat link.
【００１７】また、吸収体と温度変換器とともに、抵抗
体を熱リンク上に形成する。また、抵抗体の抵抗値が、
前記超伝導転移端センサの常伝導状態における抵抗値よ
り大きくする。A resistor is formed on the heat link together with the absorber and the temperature converter. Also, the resistance of the resistor
The resistance value of the superconducting transition edge sensor in a normal conduction state is made larger.
【００１８】また、抵抗体が超伝導状態と常伝導状態を
持ち、その臨界温度が温度変換器の臨界温度より低い超
伝導体とする。Further, the resistor has a superconducting state and a normal conducting state, and its critical temperature is lower than the critical temperature of the temperature converter.
【００１９】さらに、抵抗体の抵抗変化に対応した電
流、または、電圧を前記抵抗体に帰還させる。Further, a current or a voltage corresponding to the resistance change of the resistor is fed back to the resistor.
【００２０】さらに、抵抗体の抵抗変化を読み出すため
の外部駆動回路を備え、その外部駆動回路の出力に対応
した電流、または、電圧を前記抵抗体に帰還させる。Further, an external drive circuit for reading a resistance change of the resistor is provided, and a current or a voltage corresponding to an output of the external drive circuit is fed back to the resistor.
【００２１】[0021]
【発明の実施形態】以下に本発明の実施例について図面
を参照して説明する。 （実施の形態１）図１に本発明の第１実施例を示すカロ
リメータの構成図を示す。放射線を吸収し、エネルギー
を熱に変換する吸収体3と、吸収体の温度Taを計測する
ための温度変換器14と、一定温度に保持されている熱槽
6との間の熱コンダクタンスgを有する熱リンク12と、吸
収体の温度を制御するための抵抗体11から構成される。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 shows a configuration diagram of a calorimeter showing a first embodiment of the present invention. An absorber 3 that absorbs radiation and converts energy into heat, a temperature converter 14 for measuring the temperature Ta of the absorber, and a heat tank maintained at a constant temperature.
6 and a resistor 11 for controlling the temperature of the absorber.
【００２２】TESは読み出し回路17で抵抗変化を検出す
る。抵抗体11は外部制御回路18により、電流、または、
電圧が供給され、吸収体、および、温度変換器14の温度
Ttを制御する。TES detects a resistance change in the read circuit 17. The resistor 11 is controlled by an external control circuit 18 to supply a current or
Voltage is supplied and the temperature of the absorber and temperature converter 14
Control Tt.
【００２３】あらかじめ、外部制御回路18により抵抗体
11に、電流または、電圧が供給される。入射放射線19に
よって、温度Ttが上昇し、抵抗値Rtが変化する。読み出
し回路17によって、その抵抗変化が読みとられ、入射放
射線のエネルギーが求められる。そして、その抵抗変化
に対して、外部制御回路18から、入射放射線によって上
昇した温度を下げるように、電流または、電圧を制御す
る。In advance, the resistance is controlled by the external control circuit 18.
11 is supplied with current or voltage. The temperature Tt rises due to the incident radiation 19, and the resistance value Rt changes. The resistance change is read by the read circuit 17, and the energy of the incident radiation is obtained. Then, in response to the resistance change, the external control circuit 18 controls the current or the voltage so as to lower the temperature increased by the incident radiation.
【００２４】その結果、問題となっていた入射放射線に
対する応答速度を早くすることができ、高計数率を有す
るカロリメータを実現できる。応答速度は、外部制御回
路18および、その抵抗体11に帰還される電力で変化す
る。As a result, the response speed to incident radiation, which has been a problem, can be increased, and a calorimeter having a high counting rate can be realized. The response speed changes depending on the power fed back to the external control circuit 18 and the resistor 11 thereof.
【００２５】本実施例によるカロリメータは、素子作製
段階で抵抗体の抵抗値を任意に変化させることができ、
かつ外部制御回路18で帰還量を制御することができる。
そのため、応答速度の最適化が容易となる。 （実施の形態２）図２に本発明の第２実施例を示すカロ
リメータの構造図を示す。TESカロリメータは基板1上に
作製され、放射線を吸収し、エネルギーを熱に変換する
吸収体3と、吸収体３の温度Taを計測するための温度変
換器であるTES4が薄膜メンブレン２上に形成されてい
る。TES4には、電力を供給し、その抵抗値を読み出すた
めの電極5が接続されている。吸収体の温度を制御する
ための抵抗体11が基板1上に形成されている。薄膜メン
ブレン２は、TES4と熱槽６の間に熱コンダクタンスgを
有する熱リンクとして機能する。ここで、gに比べ、吸
収体３とTES４の間の熱コンダクタンスは十分大きいと
仮定し、吸収体3の温度 TaとTES4の温度 Ttは等しいも
のとしている。TES4には、電流、また、電圧を供給し、
また、その抵抗値を読み出すための電極5が接続されて
いる。基板上１に、TES4の温度を制御するための抵抗体
11が形成されている。TES4の抵抗値Rtは温度Ttにより変
化し、その関係は図9に示す抵抗-温度(R-T)曲線で表さ
れる。抵抗体11は、実施例１に示したカロリメータ同
様、外部制御回路18により、電流、また、電圧が供給さ
れ、TES4の温度Ttを制御する。In the calorimeter according to the present embodiment, the resistance value of the resistor can be arbitrarily changed in the element manufacturing stage.
Further, the feedback amount can be controlled by the external control circuit 18.
Therefore, optimization of the response speed becomes easy. (Embodiment 2) FIG. 2 is a structural diagram of a calorimeter showing a second embodiment of the present invention. The TES calorimeter is fabricated on a substrate 1, and an absorber 3 that absorbs radiation and converts energy to heat and a TES4 that is a temperature converter for measuring the temperature Ta of the absorber 3 are formed on the thin film membrane 2. Have been. The TES 4 is connected to an electrode 5 for supplying power and reading the resistance value. A resistor 11 for controlling the temperature of the absorber is formed on the substrate 1. The thin film membrane 2 functions as a thermal link having a thermal conductance g between the TES 4 and the thermal bath 6. Here, it is assumed that the thermal conductance between the absorber 3 and TES4 is sufficiently larger than g, and the temperature Ta of the absorber 3 is equal to the temperature Tt of TES4. Supply current and voltage to TES4,
Further, an electrode 5 for reading the resistance value is connected. A resistor for controlling the temperature of TES4 on the substrate 1
11 are formed. The resistance value Rt of TES4 changes depending on the temperature Tt, and the relationship is represented by a resistance-temperature (RT) curve shown in FIG. Similar to the calorimeter shown in the first embodiment, the resistor 11 is supplied with current and voltage by the external control circuit 18 to control the temperature Tt of TES4.
【００２６】その結果、問題となっていた入射放射線に
対する応答速度を早くすることができ、高計数率を有す
るカロリメータを実現できる。応答速度は、外部制御回
路および、その抵抗体11によって帰還される電力で変化
する。As a result, the response speed to incident radiation, which has been a problem, can be increased, and a calorimeter having a high counting rate can be realized. The response speed varies depending on the external control circuit and the power fed back by the resistor 11 thereof.
【００２７】本実施例によるカロリメータは、素子作製
段階で抵抗体の抵抗値を任意に変化させることができ、
かつ外部制御回路18で帰還量を制御することができる。
そのため、応答速度の最適化が容易となる。In the calorimeter according to the present embodiment, the resistance value of the resistor can be arbitrarily changed in the element manufacturing stage.
Further, the feedback amount can be controlled by the external control circuit 18.
Therefore, optimization of the response speed becomes easy.
【００２８】大きな温度-抵抗変換係数を有するTESカロ
リメータに、温度制御用の抵抗体を備えることにより、
高エネルギー分解能と高計数率を有するカロリメータを
実現することができる。By providing a temperature control resistor in a TES calorimeter having a large temperature-resistance conversion coefficient,
A calorimeter having a high energy resolution and a high counting rate can be realized.
【００２９】また、抵抗体11の抵抗値をTES4の常伝導状
態における抵抗値より大きくすることにより、バイアス
電流IbによるTES4自身でのジュール熱を大きくする。そ
の結果，大きな熱量を帰還することができるため、温度
の制御範囲を拡大させることができ、さらに、応答速度
の向上が期待できる。Further, by making the resistance value of the resistor 11 larger than the resistance value of the TES4 in the normal conduction state, the Joule heat of the TES4 itself due to the bias current Ib is increased. As a result, a large amount of heat can be fed back, so that the temperature control range can be expanded, and further, an improvement in response speed can be expected.
【００３０】また、抵抗体が超伝導状態と常伝導状態を
持ち、その臨界温度が温度変換器の臨界温度より低い超
伝導体とすることにより、抵抗体11を超伝導材料で作製
することができる。作製条件を変えるだけで、TES4を構
成する材料と同じもので抵抗体11を作製できる。Further, by making the resistor have a superconducting state and a normal conducting state and having a critical temperature lower than the critical temperature of the temperature converter, the resistor 11 can be made of a superconducting material. it can. By simply changing the manufacturing conditions, the resistor 11 can be manufactured using the same material as the material constituting TES4.
【００３１】また、抵抗体11に電流または電圧を加える
ことで、局所的にTES４の温度を上昇させることができ
るため、TES4を常伝導状態に転移させることが容易とな
る。Further, by applying a current or a voltage to the resistor 11, the temperature of the TES 4 can be locally increased, so that the TES 4 can be easily transferred to the normal conduction state.
【００３２】また、臨界電流値の減少も容易となる。そ
の結果、実用上の課題であった超伝導状態にあるTESを
転移状態、および抵抗状態に転移させバイアス点への移
動が容易となる。 (実施の形態３)図３は本発明の第３実施例を示すカロリ
メータの構造図である。TESカロリメータは基板1上に作
製され、放射線を吸収し、エネルギーを熱に変換する吸
収体3と、吸収体３の温度Taを計測するための温度変換
器である超伝導転移端センサ（Transition Edge Sens
or: TES）4が薄膜メンブレン２上に形成されている。Further, the critical current value can be easily reduced. As a result, the TES in the superconducting state, which has been a practical problem, is transferred to the transition state and the resistance state, and the TES is easily moved to the bias point. (Embodiment 3) FIG. 3 is a structural diagram of a calorimeter showing a third embodiment of the present invention. The TES calorimeter is fabricated on a substrate 1, absorbs radiation and converts energy to heat, and a superconducting transition edge sensor (Transition Edge sensor) which is a temperature converter for measuring the temperature Ta of the absorber 3. Sens
or: TES) 4 is formed on the thin film membrane 2.
【００３３】TES4には、電流、または、電圧を供給し、
その抵抗値を読み出すための電極5が接続されている。
吸収体の温度を制御するための抵抗体11がメンブレン2
上に、吸収体3とTES4とともに形成されている。薄膜メ
ンブレン２は、TES4と熱槽６の間に熱コンダクタンスg
を有する熱リンクとして機能する。ここで、gに比べ、
吸収体３とTES４との間の熱コンダクタンスは十分大き
いと仮定し、吸収体3の温度 TaとTES4の温度 Ttは等し
いものとしている。TES4には、電流、または、電圧を供
給し、また、その抵抗値を読み出すための電極5が接続
されている。TES4の抵抗値Rtは温度Ttにより変化し、そ
の関係は図9に示す抵抗-温度(R-T)曲線で表される。抵
抗体11は、実施例１に示したカロリメータ同様、外部制
御回路18により、電力が供給され、TES4の温度Ttを制御
する。A current or voltage is supplied to TES4,
The electrode 5 for reading the resistance value is connected.
The resistor 11 for controlling the temperature of the absorber is a membrane 2
Above is formed with absorber 3 and TES4. The thin film membrane 2 has a thermal conductance g between the TES 4 and the heat tank 6.
Function as a thermal link having Here, compared to g,
Assuming that the thermal conductance between the absorber 3 and the TES 4 is sufficiently large, the temperature Ta of the absorber 3 is equal to the temperature Tt of the TES 4. The electrode 5 for supplying a current or a voltage and reading the resistance value is connected to the TES4. The resistance value Rt of TES4 changes depending on the temperature Tt, and the relationship is represented by a resistance-temperature (RT) curve shown in FIG. Similar to the calorimeter shown in the first embodiment, the resistor 11 is supplied with electric power by the external control circuit 18 and controls the temperature Tt of the TES4.
【００３４】抵抗体11をメンブレン２上に形成すること
により、抵抗体11による温度制御を効率よく、TES4に伝
えることができる。その結果、応答速度のさらなる向上
が期待できる。また、実用上の課題であった超伝導状態
にあるTESを転移状態、および抵抗状態に転移させバイ
アス点への移動が容易となる。By forming the resistor 11 on the membrane 2, the temperature control by the resistor 11 can be efficiently transmitted to the TES4. As a result, a further improvement in response speed can be expected. In addition, the TES in the superconducting state, which has been a practical problem, is transferred to the transition state and the resistance state, and the movement to the bias point becomes easy.
【００３５】(実施の形態4)図4に、本発明の第４実施例
を示す超伝導量子干渉素子(SQUID )を用いた読み出し回
路を示す。本実施例において、実施例２、および実施例
３のカロリーメータを駆動する。そして、図４には、カ
ロリメータの構成要素のうち、TES4と抵抗体11のみが記
載されている。入力コイルを磁気結合されたSQUID7がTE
S4に対して直列に接続されている。バイアス電流源9
と、その電流値Ibを電圧に変換するバイアス抵抗（抵抗
値Rb)10により、TE S４に電圧Vbを加える。バイアス抵
抗10は、直列接続されているTES4とSQUID7に対して、並
列に接続されている。SQUID7の出力端子を抵抗体11に接
続し、SQUID7の出力VsをTES4に熱として帰還する。(Embodiment 4) FIG. 4 shows a readout circuit using a superconducting quantum interference device (SQUID) according to a fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the calorimeters of the second and third embodiments are driven. FIG. 4 shows only the TES4 and the resistor 11 among the components of the calorimeter. SQUID7 with magnetically coupled input coil is TE
Connected in series to S4. Bias current source 9
Then, the voltage Vb is applied to the TES 4 by the bias resistor (resistance value Rb) 10 which converts the current value Ib into a voltage. The bias resistor 10 is connected in parallel to the TES4 and SQUID7 connected in series. The output terminal of SQUID7 is connected to the resistor 11, and the output Vs of SQUID7 is fed back to TES4 as heat.
【００３６】SQUID7の入力コイルに流れる電流ItをSQUI
D駆動回路８により測定する、そのときの電流変化は放
射線のエネルギーに対応する。The current It flowing through the input coil of SQUID7 is SQUI
The current change at that time measured by the D drive circuit 8 corresponds to the energy of the radiation.
【００３７】SQUID7の入力電流Itに対する出力電圧Vsの
関係を図５に示す。SQUID駆動回路８により、SQUIDリン
グ内の磁束を制御し、定常状態におけるTES電流It1のと
きの動作点を点Fの位置になるようにする。TES4の温度
上昇によってTES電流Itは減少するため、 Itの減少とと
もに、抵抗体11に流す帰還電流Ifも減少するように帰還
をかける。その結果、TESを早く定常状態に戻すことが
できる。FIG. 5 shows the relationship between the input current It of the SQUID 7 and the output voltage Vs. The magnetic flux in the SQUID ring is controlled by the SQUID drive circuit 8 so that the operating point at the time of the TES current It1 in the steady state becomes the position of the point F. Since the TES current It decreases due to the rise in the temperature of TES4, feedback is applied so that the feedback current If flowing through the resistor 11 also decreases with the decrease in It. As a result, TES can be quickly returned to a steady state.
【００３８】本実施例により、外部から意図的に制御す
ることなく、帰還がかかり、容易に応答速度の高速化が
実現できる。According to this embodiment, feedback is performed without intentional control from the outside, and the response speed can be easily increased.
【００３９】(実施の形態5)図６に、本発明の第５実施
例を示す超伝導量子干渉素子(SQUID )を用いた読み出し
回路を示す。本実施例において、実施例２、および実施
例３のカロリーメータを駆動する。そして、図４には、
カロリメータの構成要素のうち、TES4と抵抗体11のみが
記載されている。入力コイルを磁気結合されたSQUID7が
TES4に対して直列に接続されている。バイアス電流源9
と、その電流値Ibを電圧に変換するバイアス抵抗（抵抗
値Rb)10により、TES４に電圧Vbを加える。バイアス抵抗
10は、直列接続されているTES4とSQUID7に対して、並列
に接続されている。SQUID駆動回路８の出力電圧Voutに
対応した電流を帰還回路12を介して抵抗体11に帰還す
る。SQUID7の入力コイルに流れる電流ItをS QUID駆動回
路８により測定するSQUID7の入力コイルに流れる電流It
をSQUID駆動回路８により測定し、その値からTES4の抵
抗値Rtを求める。そのときの電流変化は放射線のエネル
ギーに対応する。(Embodiment 5) FIG. 6 shows a readout circuit using a superconducting quantum interference device (SQUID) according to a fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the calorimeters of the second and third embodiments are driven. And in FIG.
Of the components of the calorimeter, only TES4 and resistor 11 are described. SQUID7 magnetically coupled to input coil
Connected in series to TES4. Bias current source 9
Then, a voltage Vb is applied to TES4 by a bias resistor (resistance value Rb) 10 that converts the current value Ib to a voltage. Bias resistance
10 is connected in parallel to TES4 and SQUID7 connected in series. A current corresponding to the output voltage Vout of the SQUID drive circuit 8 is fed back to the resistor 11 via the feedback circuit 12. The current It flowing through the input coil of SQUID7 is measured by the SQUID drive circuit 8 by the current It flowing through the input coil of SQUID7.
Is measured by the SQUID drive circuit 8, and the resistance value Rt of TES4 is obtained from the measured value. The current change at that time corresponds to the energy of the radiation.
【００４０】SQUID駆動回路8により、周期的に変化する
SQUID出力を線形化でき、さらにダイナミックレンジを
大きくする機能を加えることができる。その線形化さ
れ、ダイナミックレンジの大きな出力電圧Voutを使っ
て、抵抗体11に帰還することにより、安定した帰還が可
能になる。It changes periodically by the SQUID drive circuit 8
The SQUID output can be linearized, and a function to increase the dynamic range can be added. By using the linearized output voltage Vout having a large dynamic range and feeding back to the resistor 11, stable feedback is possible.
【００４１】本実施例によるカロリメータの時定数τef
f2は次の式で表される。Time constant τef of the calorimeter according to this embodiment
f2 is represented by the following equation.
【００４２】[0042]
【数２】 ここで、Cは吸収体の熱容量、gはカロリーメータから熱
槽への熱コンダクタンス、nは定数(=3〜5)である。τo
は固有時定数であり、C/gで表される。cは帰還率であ
り、帰還回路12によって決定される。If=c I tである。
従来技術によるカロリメータの時定数τeff（数式1）と
比較して、帰還率cと帰還抵抗Rfを調整することによ
り、応答速度が向上する。(Equation 2) Here, C is the heat capacity of the absorber, g is the thermal conductance from the calorimeter to the heat tank, and n is a constant (= 3 to 5). τo
Is an intrinsic time constant and is expressed in C / g. c is a feedback rate, which is determined by the feedback circuit 12. A If = c I t.
By adjusting the feedback rate c and the feedback resistance Rf as compared with the time constant τeff (Formula 1) of the calorimeter according to the prior art, the response speed is improved.
【００４３】また、従来のTESカロリメータの課題であ
ったRbに対してRoが大きい状態(Rb>Ro)で、ETFの効果が
失われること点に対しては、帰還率cと帰還抵抗Rfを調
整することにより、ETF効果の低下を抑制することがで
きる。In order to reduce the effect of the ETF in a state where Ro is larger than Rb (Rb> Ro), which is a problem of the conventional TES calorimeter, the feedback ratio c and the feedback resistance Rf must be changed. By adjusting, it is possible to suppress a decrease in the ETF effect.
【００４４】[0044]
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載される効果を有する。The present invention is embodied in the form described above and has the following effects.
【００４５】放射線のエネルギーを吸収し熱に変換する
吸収体と、その吸収体の温度を計測するための温度変換
器と、一定温度に保持されている熱槽との間の熱コンダ
クタンスを有する熱リンクなるカロリメータにおいて、
吸収体の温度を制御するための抵抗体を備えることによ
り、入射放射線に対する応答速度を早くすることがで
き、高計数率を有するカロリメータを実現できる。さら
に、素子作製段階で抵抗体の抵抗値を任意に変化させる
ことができ、かつ外部制御回路で帰還量を制御すること
ができるため、応答速度の最適化が容易となる効果を有
する。Heat having a thermal conductance between an absorber that absorbs radiation energy and converts it into heat, a temperature converter for measuring the temperature of the absorber, and a heat tank maintained at a constant temperature. In the link calorimeter,
By providing a resistor for controlling the temperature of the absorber, the response speed to incident radiation can be increased, and a calorimeter having a high counting rate can be realized. Furthermore, the resistance value of the resistor can be arbitrarily changed at the element manufacturing stage, and the feedback amount can be controlled by an external control circuit, so that the response speed can be easily optimized.
【００４６】また、吸収体と温度変換器と熱リンクと抵
抗体が基板上に集積されており、熱リンクが基板の厚さ
より薄いメンブレン構造を持ち、その温度変換器が温度
により超伝導状態と常伝導状態と中間の転移状態を持つ
超伝導転移端センサ（Transition Edge Sensor: TE
S）からなり、かつ、吸収体と温度変換器を熱リンク上
に形成された、温度変化に対して大きな抵抗変化を有す
るTESカロリメータに対して、温度制御用の抵抗体を備
えることにより、高エネルギー分解能と高計数率を有す
るカロリメータを実現することができる。The absorber, the temperature converter, the heat link, and the resistor are integrated on the substrate, and the heat link has a membrane structure thinner than the thickness of the substrate. Transition Edge Sensor (TE) with transition state between normal state and intermediate state
S), and a temperature control resistor is provided for the TES calorimeter, which has a large resistance change against temperature change, formed on the heat link with the absorber and the temperature converter. A calorimeter having an energy resolution and a high counting rate can be realized.
【００４７】さらに、抵抗体の抵抗値をTESの常伝導状
態における抵抗値より大きくすることにより、バイアス
電流IbによるTES自身でのジュール熱を大きくすること
ができる。その結果，大きな熱量を帰還することができ
るため、温度の制御範囲を拡大させることができ、さら
なる応答速度の向上が期待できる。Further, by making the resistance value of the resistor larger than the resistance value of the TES in the normal conduction state, the Joule heat by the TES itself due to the bias current Ib can be increased. As a result, since a large amount of heat can be fed back, the temperature control range can be expanded, and further improvement in response speed can be expected.
【００４８】また、抵抗体が超伝導状態と常伝導状態を
持ち、その臨界温度が温度変換器の臨界温度より低い超
伝導体とすることにより、抵抗体を作製するために、新
たな材料を用いる必要をなくす効果が得られる。In addition, by using a superconductor in which the resistor has a superconducting state and a normal conducting state and whose critical temperature is lower than the critical temperature of the temperature converter, a new material is used for manufacturing the resistor. The effect of eliminating the need for use is obtained.
【００４９】また、抵抗体に電流または電圧を加えるこ
とで、局所的にTESの温度を上昇させることができるた
め、実用上の課題であった超伝導状態にあるTESを転移
状態、および抵抗状態に転移させバイアス点への移動が
容易となる。Further, by applying a current or a voltage to the resistor, the temperature of the TES can be locally increased, so that the TES in the superconducting state, which has been a practical problem, is changed to the transition state and the resistance state. And it is easy to move to the bias point.
【００５０】また、吸収体と温度変換器とともに、抵抗
体を熱リンク上に形成することにより、抵抗体による温
度制御を効率よく、TESに伝えることができ、応答速度
のさらなる向上が期待できる。また、TESの常伝導への
転移がさらに容易となる。Further, by forming the resistor together with the absorber and the temperature converter on the heat link, the temperature control by the resistor can be efficiently transmitted to the TES, and a further improvement in the response speed can be expected. In addition, the transition of TES to normal conduction is further facilitated.
【００５１】また、抵抗体の抵抗変化に対応した電流、
または、電圧を前記抵抗体に帰還させることにより、外
部から意図的に制御することなく、帰還がかかり、容易
に応答速度の高速化が実現できる効果がある。Further, a current corresponding to the resistance change of the resistor,
Alternatively, by feeding back the voltage to the resistor, feedback is applied without intentional control from the outside, and there is an effect that the response speed can be easily increased.
【００５２】また、抵抗体の抵抗変化を読み出すための
外部駆動回路を備え、その外部駆動回路の出力に対応し
た電流、または、電圧を抵抗体に帰還させることによ
り、外部駆動回路による帰還率と帰還抵抗Rfを調整が可
能となり、応答速度をさらに向上させる効果をもたら
す。Further, an external drive circuit for reading the resistance change of the resistor is provided, and a current or a voltage corresponding to the output of the external drive circuit is fed back to the resistor, so that the feedback ratio of the external drive circuit is reduced. The feedback resistance Rf can be adjusted, which has the effect of further improving the response speed.
【００５３】さらに、従来のTESカロリメータの課題で
あったRbに対してRoが大きい状態(Rb>Ro)で、ETFの効果
が失われること点に対しては、帰還率cと帰還抵抗Rfを
調整することにより、ETF効果の低下を抑制することが
できる。Furthermore, in a state where Ro is large relative to Rb (Rb> Ro), which is a problem of the conventional TES calorimeter, the point that the effect of the ETF is lost is reduced by the feedback ratio c and the feedback resistance Rf. By adjusting, it is possible to suppress a decrease in the ETF effect.
【図１】本発明の第１実施例を示すカロリメータの構成
図。FIG. 1 is a configuration diagram of a calorimeter showing a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２実施例を示すカロリメータの構造
図。FIG. 2 is a structural diagram of a calorimeter showing a second embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第３実施例を示すカロリメータの構造
図。FIG. 3 is a structural diagram of a calorimeter showing a third embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第４実施例を示す超伝導量子干渉素子
(SQUID )を用いた読み出し回路の構成図。FIG. 4 shows a superconducting quantum interference device showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a readout circuit using (SQUID).
【図５】SQUIDの入力電流Itに対する出力電圧Vsの関
係。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the input current It of the SQUID and the output voltage Vs.
【図６】本発明の第５実施例を示す超伝導量子干渉素子
(SQUID )を用いた読み出し回路の構成図。FIG. 6 shows a superconducting quantum interference device showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a readout circuit using (SQUID).
【図７】従来例を示すTESカロリメータの構造図（上面
図）。FIG. 7 is a structural view (top view) of a TES calorimeter showing a conventional example.
【図８】従来例を示すTESカロリメータの構造図（断面
図）。FIG. 8 is a structural view (cross-sectional view) of a TES calorimeter showing a conventional example.
【図９】TESカロリメータの抵抗-温度（ R-T ）曲線。FIG. 9: Resistance-temperature (RT) curve of TES calorimeter.
【図１０】超伝導量子干渉素子(SQUID )を用いた読み出
し回路。FIG. 10 is a readout circuit using a superconducting quantum interference device (SQUID).
【図１１】バイアス電流IbとSQUID7によって測定された
TES電流Itの関係。FIG. 11: Measured by bias current Ib and SQUID7
Relationship of TES current It.
１・・・基板 ２・・・メンブレン ３・・・吸収体 ４・・・超伝導転移端センサ(TES) ５・・・電極 ６・・・熱槽 ７・・・超伝導量子干渉素子(SQUID) ８・・・SQUID駆動回路 ９・・・バイアス電流源 １０・・・バイアス抵抗 １１・・・抵抗体 １２・・・帰還回路 １３・・・熱リンク １４・・・温度変換器 １７・・・読み出し回路 １８・・・外部制御回路 １９・・・入射放射線 Ib・・・バイアス電流 It・・・TES電流 If・・・帰還電流 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... Membrane 3 ... Absorber 4 ... Superconducting transition edge sensor (TES) 5 ... Electrode 6 ... Heat tank 7 ... Superconducting quantum interference device (SQUID) 8) SQUID drive circuit 9 ... Bias current source 10 ... Bias resistor 11 ... Resistor 12 ... Feedback circuit 13 ... Thermal link 14 ... Temperature converter 17 ... Readout circuit 18 ... External control circuit 19 ... Incident radiation Ib ... Bias current It ... TES current If ... Feedback current
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 達次 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内 (72)発明者 新荻 正隆 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内 Ｆターム(参考） 2G065 AA04 BA31 BC12 CA15 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tatsuji Ishikawa 1-8-1, Nakase, Mihama-ku, Chiba-shi Chiba Prefecture Inside the SII RRD Center Co., Ltd. (72) Inventor Masataka Shinogi Mihama-ku, Chiba-shi, Chiba 1-8-8 Nakase FSI Term in SII RLD Center Co., Ltd. (Reference) 2G065 AA04 BA31 BC12 CA15
Claims (7)
る吸収体と、その吸収体の温度を計測するための温度変
換器と、一定温度に保持されている熱槽との間の熱コン
ダクタンスを有する熱リンクなるカロリメータにおい
て、 吸収体の温度を制御するための抵抗体を有することを特
徴とするカロリメータ。1. A thermal conductance between an absorber that absorbs radiation energy and converts it into heat, a temperature converter for measuring the temperature of the absorber, and a heat tank that is maintained at a constant temperature. A calorimeter having a heat link, comprising a resistor for controlling the temperature of the absorber.
前記吸収体と前記温度変換器と前記熱リンクと前記抵抗
体が基板上に集積されており、前記熱リンクが基板の厚
さより薄いメンブレン構造を持ち、その温度変換器が温
度により超伝導状態と常伝導状態と中間の転移状態を持
つ超伝導転移端センサ（TransitionEdge Sensor: TE
S）であり、かつ、吸収体と温度変換器が熱リンク上に
形成されていることを特徴とするカロリメータ。2. The calorimeter according to claim 1, wherein
The absorber, the temperature converter, the heat link, and the resistor are integrated on a substrate, the heat link has a membrane structure thinner than the thickness of the substrate, and the temperature converter is in a superconducting state depending on temperature. Superconducting transition edge sensor (TE) with normal and intermediate transition states
S) and wherein the absorber and the temperature converter are formed on a heat link.
前記抵抗体が熱リンク上に形成されていることを特徴と
するカロリーメータ。3. The calorimeter according to claim 2, wherein
A calorie meter, wherein the resistor is formed on a heat link.
ータにおいて、前記抵抗体の抵抗値が、前記超伝導転移
端センサの常伝導状態における抵抗値より大きいことを
特徴とするカロリメータ。4. The calorimeter according to claim 2, wherein a resistance value of the resistor is larger than a resistance value of the superconducting transition end sensor in a normal conduction state.
メータにおいて、前記抵抗体が超伝導状態と常伝導状態
を持ち、その臨界温度が前記温度変換器の臨界温度より
低い超伝導体であることを特徴とするカロリメータ。5. The calorimeter according to claim 2, wherein said resistor has a superconducting state and a normal conducting state, and has a critical temperature lower than a critical temperature of said temperature converter. A calorimeter characterized by that:
メータを用いた駆動方法において、 前記抵抗体の抵抗変化に対応した電流、または、電圧を
前記抵抗体に帰還させることを特徴とする駆動方法。6. A driving method using the calorimeter according to claim 2, wherein a current or a voltage corresponding to a resistance change of the resistor is fed back to the resistor. Method.
動方法において、 前記抵抗体の抵抗変化を読み出すための外部駆動回路を
備え、その外部駆動回路の出力に対応した電流、また
は、電圧を前記抵抗体に帰還させることを特徴とする駆
動方法。7. The driving method using a calorimeter according to claim 6, further comprising: an external driving circuit for reading a resistance change of the resistor, wherein the current or the voltage corresponding to the output of the external driving circuit is supplied to the external driving circuit. A driving method characterized by feeding back to a resistor.
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