JP2003075544A - 超伝導放射線検出器 - Google Patents

超伝導放射線検出器

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JP2003075544A
JP2003075544A JP2001269494A JP2001269494A JP2003075544A JP 2003075544 A JP2003075544 A JP 2003075544A JP 2001269494 A JP2001269494 A JP 2001269494A JP 2001269494 A JP2001269494 A JP 2001269494A JP 2003075544 A JP2003075544 A JP 2003075544A
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radiation
superconducting
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exciting
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Hiroshi Nakagawa
博 仲川
Masataka Okubo
雅隆 大久保
Tatsuya Zama
達也 座間
Masayasu Kurahashi
正保 倉橋
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超伝導検出器は、素子寸法が小さいために、
検出効率が小さいという欠点があった。 【解決手段】 上記の課題を解決するために,本願発明
では、超伝導検出素子を搭載したチップをX線の発生源
に近接させるとともに、このチップに微小な輻射線導入
路をマイクロマシニングなどの技術で具備させることに
より、高エネルギー分解能と高検出効率を両立させた、
高性能なX線の分析システムを構築するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本願発明は、超伝導放射線検
出器に関する。
【0002】
【従来の技術】これまでに多くの種類の検出原理に基づ
く放射線検出器が開発されているが、実用的に用いられ
ているものは、波長分散型とエネルギー分散型に大別さ
れる。波長分散型は、被測定放射線を分光結晶に入射
し、その反射角度を測定することで放射線のエネルギー
を計測する方式であり、分光結晶とゴニオメータを組み
合わせた部分は分散系とよばれ、機械的に駆動する必要
があるため装置が大型化する欠点を有している。エネル
ギー分散型は、検出素子に入射した放射線による電子励
起や熱発生を直接検出してエネルギーを同定する方式
で、有感面積を大きくして感度を高くすることができ、
機械的可動部分を排除できるので装置の小型化、高速測
定ができるなど波長分散型に比べて多くの特徴を有して
いる。このため、近年はこの方式による分析装置が主流
となって種々の応用分野において開発が進められてい
る。
【0003】エネルギー分解能に関しては、波長分散型
は、機械的精度の改良と分光結晶の適切な選択により向
上し、装置の大型化と感度の低下を考えなければ実用化
されている検出器のなかでは最も高い分解能(2eV以下/
5.9keV)が達成されている。従来において、エネルギー
分散型の中で最も用いられている電子励起方式半導体検
出器におけるエネルギー分解能の限界は、半導体材料の
エネルギーギャップにより決定され、5.9keVのX線に対
して140eV程度である。これに対して、超伝導トンネル
接合を用いた検出器は、半導体に比べて1000分の1のエ
ネルギーギャップにより、数eVのエネルギー分解能が期
待され、すでに12eV/5.9KeVが達成されている。また、
超伝導を用いたマイクロカロリメータ型検出器は、超伝
導トンネル接合検出器に比べて動作速度は劣るものの、
エネルギー分解能では8eV/5.9KeVが達成され、これらの
超伝導を応用した検出器の高性能が立証されつつある。
【0004】超伝導照射線検出器には、超伝導トンネル
接合によるものと、超伝導マイクロカロリメータによる
ものがあるが、超伝導トンネル接合は、それ自身の電極
に入射したX線による、トンネル効果を利用して励起電
子を検出することができるエネルギー分散型の検出器で
あり、半導体では達成不可能なエネルギー分解能(5.9
KeVで100eV以下)が達成できることが特徴である。これ
らの検出器は、シリコンなどのウエハー上に薄膜を形成
し、これを従来の半導体集積回路の作製プロセスに用い
られている微細加工技術を応用して作製される。そのた
め、素子は基板と異なる材料で作製され、ミリメートル
規模以下の小さな寸法の素子を作製することが容易であ
る特徴を持つ。これに対して半導体検出器は半導体単結
晶を利用するので、基板そのものが検出素子となり、ま
た、X線の吸収率が小さいためセンチメートル規模の大
きな寸法の素子が用いられる。
【0005】エネルギー分散型放射線検出器の性能パラ
メータとして主なものは、検出器に入射する放射線の検
出効率とエネルギー分解能である。分析機器などに応用
されたときの実用的な検出効率は、検出器にどれだけ放
射線を集められるかが重要になる。そのため通常は、検
出面積の大きい方において収集効率が増大し、有利にな
る。したがって従来の半導体検出器は、この点で超伝導
検出器に勝っていた。
【0006】従来周知の電子ビーム励起X線分析におい
ては、試料に電子ビームを照射して、励起されたX線を
半導体検出器で検出して試料の元素分析を行っている。
通常、半導体検出器は、励起ビームと異なる場所に設置
されるため収集効率を大きくでき、直径3〜6mm、厚さ3m
m程度の寸法をもつSi(Li)単結晶が用いられている。電
子ビームにより試料で励起されたX線を効率良く収集し
て検出するためには、大きな面積をもつ検出器が必要と
なることがわかる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】これに対して超伝導ト
ンネル接合は、素子の接合面積を大きくすると、接合の
電気容量が大きくなり、S/N比が劣化する。そのため、
一般に接合の大きさは、数百ミクロンメートル程度で制
限され、検出効率を大きくすることが困難であった。ま
た、マイクロカロリメータ検出器においては、検出部に
置かれる超伝導温度計の感度が素子寸法が大きくなるに
つれて実効的に検出効率が低下するため、素子寸法を大
きくすると同様にS/N比が劣化する。素子の寸法は1mm
程度が上限となっている。従来のX線分析器にこの超伝
導検出器を適用するのに多くの接合を配列してアレイを
作る方法が提案されているが、半導体検出器と同等な有
感面積を得るには数万個が必要となり、コストの面で引
きあわないものであった。特に超伝導検出器の小さな素
子寸法によって、検出効率が小さいという欠点があっ
た。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに,本願発明においては、放射線検出器において、超
伝導検出素子を搭載したチップを放射線(X線)の発生
源に近接させるとともに、このチップに微小な励起用放
射線導入路をマイクロマシニングなどの技術で具備させ
ることにより、高エネルギー分解能と高検出効率を両立
させたものである。
【0009】
【実施例1】図1は、本願発明に係る平板状の測定チッ
プに対して垂直な、励起用放射線を導入する貫通孔(以
下「励起用放射線導入路」という。)をもつ超伝導放射
線検出器の概念図である。励起用放射線としては、赤外
線、可視光線、X線、高エネルギー放射線および粒子線
が可能である。超伝導放射線検出素子(超伝導トンネル
接合など)を集積技術で搭載した検出チップの裏面より
微小な励起用放射線導入路が形成されている。このチッ
プを被測定物にミクロンメートルオーダーで近接させ、
上記導入路を通して上記励起用放射線を該被測定物に照
射することにより、励起された放射線(電磁波(光、X
線、γ線など)や粒子線(α線など))を効率良く超伝
導検出素子により検出することができる。超伝導検出器
は、入射する電磁波や粒子線を一つ一つ個別に計測でき
るので、検出感度が非常に高いことが特徴である。その
ため、本発明の適用により従来に比べて励起用放射線強
度を弱くすることが可能となる。
【0010】超伝導検出素子の形状を、図2-1のよう
に、その中央部分に励起用放射線導入路を設けることで
励起された放射線(電磁波や粒子線)の収集効率を上げ
ることができる。この図においては、上記素子の外形は
四角形であるが円形やその他の形状であってもよい。ま
た、具体的な寸法として、励起用放射線導入路の直径を
数ミクロン、超伝導検出器の寸法を数百ミクロンとし
て、検出チップと被測定物質との距離を数十ミクロンに
することで励起された放射線(電磁波や粒子線)を高い
効率で検出することが可能になる。
【0011】また、超伝導検出素子を、図2-2のよう
に、アレイ状にして励起用放射線導入路の周囲に配置す
ることでも検出をすることができる。この場合には、全
体の計数率は、各検出素子の出力の和となり、実効的に
不感時間を短くすることが可能になり、高速測定ができ
る。また、励起用放射線の照射により励起された放射線
(電磁波や粒子線)の励起角度に関する分布情報も得る
ことができる。このときにも各素子の形状および配置方
法は、任意に決定できる。
【0012】図3は、本願発明に係る平板状の測定チッ
プに対して傾斜した励起用放射線導入路をもつ超伝導放
射線検出器の概念図である。被測定物により、一定の角
度をもって励起用放射線を照射させることにより、励起
用放射線の反射の影響を避けることができるものであ
る。励起用放射線の種類等は上記図1に関するものと同
様である。
【0013】図4は、本願発明に係る超伝導トンネル接
合素子を用いた極低温放射線検出器の断面模式図を示
す。超伝導トンネル接合は、シリコン、サファイア、石
英などの基板上に下部超伝導薄膜/極薄絶縁層/上部超
伝導薄膜からなる3層構造を集積回路技術により作製し
た素子である。超伝導薄膜は、厚みが数百nmオーダーの
ニオブ(Nb)やタンタル(Ta)等であり、絶縁層は、数nmの
厚みのアルミナやタンタル酸化物などである。同図にお
いては、電極端子1と電極端子2がトンネル接合における
上下の電極の取出端子として描かれている。この素子に
電磁波や粒子線が入射すると超伝導電極内の超伝導電子
が励起され、該電子を該電極端子で検出することにより
入射した電磁波や粒子線のエネルギーと個数を同時に測
定できるものである。
【0014】図5は、本願発明に係る超伝導マイクロカ
ロリメータを用いた極低温放射線検出器の断面模式図を
示す。上記マイクロカロリメータ型検出器は、入射した
電磁波や粒子線を吸収するビスマス(Bi)などによるアブ
ソーバの下に超伝導転移点検出(TES:Transition Edge
Sensor)による精密温度計を用いて、入射した電磁波や
粒子線によるアブソーバの温度上昇を計測してエネルギ
ー値を測定するものである。アブソーバからの熱損失を
低減するため、この素子は、窒化シリコン(Si3N4)など
のメンブレン膜上に形成される。同図では素子直下の基
板に穴を形成してメンブレン膜のみを残す構造になって
いる。このアブソーバは、入射する電磁波や粒子線のエ
ネルギーが大きくなるにつれて膜厚を増加させたり、よ
り吸収係数の大きな材料を用いることにより検出器の原
理的な効率を増加させることができる。
【0015】超伝導トンネル接合を用いた検出器におい
ては、電極材料の膜厚および吸収係数の大きな材料の使
用に加えてマイクロカロリメータと同様にトンネル素子
上にアブソーバを形成することも行われる。いずれの素
子も寸法を数百ミクロン以下の寸法にすることができ、
また素子が基板チップ上に作製できることから、本願発
明の構造を適用することで局所放射線分光計測に適用で
きる。
【0016】本願発明では半導体検出器に比べて一桁以
上寸法の小さな超伝導検出素子が集積された検出チップ
に微小な励起用放射線導入路を形成することにより、励
起用放射線のエネルギーを低減して省エネルギー、安全
性に優れたX線をはじめとする各種の放射線検出器を提
供するものである。
【0017】
【発明の効果】本願発明によれば、超伝導トンネル接合
及び超伝導マイクロカロリメータを用いることにより、
半導体検出器おいては達成不可能なエネルギー分解能と
高検出効率を両立させた放射線検出システムが実現で
き、励起用放射線のパワーを極力小さくすることができ
るため、システムの小型化、安全性と省エネルギーに優
れる高性能放射線検出器を開発することができる。ま
た、微小領域から発生する電磁波や粒子線を検出できる
ことから、測定対象を移動することでイメージ分析器の
実現も可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本願発明に係る垂直入射励起用放射線導入路
を備えた近接放射線検出法の概念図
【図2】 本願発明に係る超伝導検出素子配置の概念図
【図3】 本願発明に係る斜め入射励起用放射線導入路
構造を備えた近接放射線検出法の概念図
【図4】 本願発明に係る超伝導トンネル接合素子を用
いた極低温放射線検出器の断面模式図
【図5】 本願発明に係るマイクロカロリメータを用い
た極低温放射線検出器の断面模式図
【符号の説明】
1 光、X線、電子及びイオン等の励起用放射線源 2 励起用放射線導入路 3 超伝導検出チップ 4 超伝導検出素子 5 励起された放射線 6 被測定物質
───────────────────────────────────────────────────── 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 39/22 H01L 27/14 K (72)発明者 倉橋 正保 茨城県つくば市東1−1−1 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 Fターム(参考) 2G001 AA01 AA02 AA03 AA05 AA07 BA04 BA05 BA06 CA01 CA02 CA05 CA07 DA01 DA09 DA10 GA01 GA06 HA13 KA01 2G088 EE29 EE30 FF03 FF15 GG22 GG25 JJ01 JJ05 JJ08 JJ09 JJ37 4M113 AA04 AA14 AA25 AC24 AC25 AC29 AC30 AD36 CA11 CA13 4M118 AA01 AA10 AB04 BA05 BA30 CB20 GA03 GA09 GA10

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 放射線検出方法において、励起用放射線
    の進入を許容する励起用放射線導入路及び超伝導放射線
    検出素子を具備する超伝導放射線検出チップを被測定対
    象物に近接させ、該導入路を通して該被測定対象物に該
    励起用放射線を照射し、これにより励起された放射線を
    該放射線検出素子により検出することを特徴とする放射
    線検出方法。
  2. 【請求項2】 放射線検出方法において、励起用放射線
    の進入を許容する励起用放射線導入路及び超伝導放射線
    検出素子を具備する超伝導放射線検出チップを被測定対
    象物に近接させ、該導入路を通して該被測定対象物に該
    励起用放射線を照射し、これにより励起された放射線を
    該放射線検出素子により検出することを特徴とする放射
    線検出装置。
  3. 【請求項3】 上記超伝導放射線検出素子が超伝導トン
    ネル接合であることを特徴とする請求項2記載の放射線
    検出装置。
  4. 【請求項4】 上記超伝導放射線検出素子が超伝導マイ
    クロカロリメータであることを特徴とする請求項2記載
    の放射線検出装置。
  5. 【請求項5】 上記素子は、平板状の上記チップ上に形
    成れていることを特徴とする請求項2記載の放射線検出
    装置。
  6. 【請求項6】 上記導入路は、上記チップの平面に対し
    て垂直であることを特徴とする請求項5記載の放射線検
    出装置。
  7. 【請求項7】 上記導入路は、上記チップの平面に対し
    て傾斜していることを特徴とする請求項5記載の放射線
    検出装置。
  8. 【請求項8】 上記導入路は、一つの上記素子の中央部
    に形成されていることを特徴とする請求項5記載の放射
    線検出装置。
  9. 【請求項9】 上記導入路は、複数の上記素子により囲
    まれるように形成されていることを特徴とする請求項5
    記載の放射線検出装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011039053A (ja) * 2009-08-10 2011-02-24 Fei Co X線分光法用の微量熱量測定
JPWO2013084904A1 (ja) * 2011-12-09 2015-04-27 株式会社堀場製作所 X線分析装置

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