JP2010044073A - マイクロ波周波数に使用可能なｘ線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波周波数におけるＸ線ビームの変調を測定することが可能なＸ線検出器を提供する。
【課題】Ｘフォトンの周期的なパケットの検出器（各パケットが、０．１ｎｓよりも短い持続時間を有している）であって、この検出器は、負性微分抵抗領域においてバイアスされているＩＩＩ−Ｖ族の半導体素子を有するセンサ２０を備えており、このセンサ２０が、パケットの繰り返し周波数の倍数に同調された共鳴キャビティ２１内に配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、１ＧＨｚから２００ＧＨｚまでのマイクロ波周波数におけるＸ線ビームの変調を測定することが可能なＸ線検出器に関連する。ここで、振幅変調については、非常に低くすること、すなわち、例えば、Ｄ．Ｃ．信号レベルより−１００ｄＢも下回る程度とすることが可能である。

最も一般的なＸ線センサは、自身の接合静電容量によって１ＧＨｚスピードに制限されたシリコンフォトダイオードを有している。また、その高周波ダイナミックレンジは、３０ｄＢから５０ｄＢを超えるものではない。周波数分解によるというよりも時間分解による測定に関しては、より速いＡｓＧａまたはダイヤモンドダイオードが使用される。しかしながら、これらのダイナミックレンジは、同様に不十分（３０ｄＢ）である一方、これらの降下時間は、０．１ｎｓ（ダイヤモンド）から１ｎｓ（ＧａＡｓ）より長い持続時間を有する遅い成分によって、劣化されている。

Yunong Qi（ユーノグ キィ）, Zhi-G. Yu（ジヒ−ジィ．ユー）及びM.E.Flatte（エム．イー．フラッテ）、「Spin-Gun Effect（スピン・ガン効果）」Phys. Rev. Letter（フィジ．レビ．レター）９６，０２６６０２（２００６）

本発明は、より具体的には、１ナノ秒の１０分の１よりも短い持続期間を有するＸフォトンのパケットを放射する周期的なパルスＸ線の発生源において、非常に高い周波数のフーリエ成分を測定することが可能である。このようなＸフォトンは、２ｋｅＶから２０ｋｅＶまでのパワーを有するものであり、パケットごとのＸフォトンの数は、１０³ 個から１０⁸ 個までの間で異なっている。これらのパケットは、使用されている発生源の技術に依存した周波数において反復する。すなわち、この周波数は、Ｘ線自由電子レーザに関しては最大でも数ＭＨｚであるが、ストレージリング型の加速器に関しては、最大で３５０ＭＨｚとなる。

本発明は、時間依存性の確定外乱にさらされたサンプルの反応における、Ｘ線の吸収、拡散または回折を用いた研究に適用されるものであり、その誤差を、数ピコ秒（例えば、およそ２ｐｓから５ｐｓまで（すなわち、周波数レンジにおける５００ＧＨｚから２００ＧＨｚまで））とすることが可能である。本発明は、時間依存性の確定外乱にさらされたサンプルの反応における、Ｘ線の吸収、拡散または回折による研究に適用されるものである。それは、望ましいマイクロ波周波数における変調か、または、数ピコ秒の持続時間を有する周期的なパルスとすることが可能であり、マイクロ波レンジの全体（１ＧＨｚから２００ＧＨｚまで）においてフーリエ成分を含む周波数スペクトルを有している。

ここで、非常に高いスペクトル放射輝度を有するＸ線源における例について考慮する。これは、例えば、グルノーブルにあるヨーロッパシンクロトロン放射光施設（ＥＳＲＦ：European Synchrotron Radiation Facility）のような、ストレージリング型の電子加速器によってもたらされる、アンジュレータ放射とすることが可能である。また、ハンブルグにおいて自由電子レーザを建設するヨーロッパプロジェクト（このレーザは、Ｘ線レンジにおいて放射され、Ｘ−ＦＥＬという頭字語によって表記される）のような、新たな第４世代のシンクロトロン放射源とすることも可能である。なお、このようなデバイスによって生成されるパルスは、一般的に、時間−周波数空間において、ガウス分布を有することに注目すべきである。

いくつかの重要な数字は、本明細書において使用されているＸ線源のタイプを特徴づけている。
ａ．単色性のアンジュレータ放射（ＥＳＲＦ）：
パケットごとのＸフォトン数 ：２．８４・１０³
照射される表面積：
焦点調節なし ：３・１０^-4ｃｍ²
焦点調節あり ：１・１０^-6ｃｍ²
パルス（パケット）の持続時間：５０ｐｓ
ＲＦ繰り返し周波数 ：３５２．２０２ＭＨｚ
ｂ．多色性のアンジュレータ放射（ＥＳＲＦ）：
パケットごとのＸフォトン数 ：１．４２・１０⁵
照射される表面積（焦点調節なし）：３・１０^-4ｃｍ²
ｃ．自由電子レーザ（Ｘ−ＦＥＬ／ハンブルグ）：
パケットごとのＸフォトン数 ：１・１０¹²
照射される表面積 ：３．８・１０^-5ｃｍ²
パルスの持続時間 ：＜２００ｆｓ
繰り返し周波数 ：＜５ＭＨｚ

本発明による検出器は、全域にわたって負性微分抵抗の作用する状況が生成されている半導体センサを備えている。マイクロ波レンジまたはミリメートル波レンジでは、前述したような状況下において動作する２つの大きな半導体デバイス群が知られている。第１の半導体デバイス群は、ガン−ヒルサム効果を使用し、第２の半導体デバイス群は、ｐｎ接合における電子なだれ（アバランシェ）によって電荷キャリアが生成されるリード−ジョンストン効果を有効に利用する（ＩＭＰＡＴＴダイオード：IMPact ionization Avalanche Transit-Time diode（衝突アバランシェ走行時間ダイオード））。簡潔にするために、本明細書においては、ガン−ヒルサム効果を使用するセンサだけについて説明することとするが、リード−ジョンストン効果のセンサを使用することも可能である。例えばＧａＡｓ、ＩｎＰまたはＣｄＴｅなどの、適切なバンド構造を有する半導体（ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族）では、所定の臨界閾値（ＧａＡｓに関しては３．５ｋＶ／ｃｍ、ＩｎＰに関しては１０．５ｋＶ／ｃｍ、ＣｄＴｅに関しては１３．５ｋＶ／ｃｍ）よりも大きい電場が印加されると、負性微分抵抗が出現する。このようなデバイスは、電荷キャリアの密度にしたがって、１ＧＨｚから３００ＧＨｚまでの範囲において、発振器（ガンダイオード）または増幅器として機能することが知られている。

前記センサは、入射Ｘ線の強度を、Ｘ線源によって強制された繰り返し周波数を有する未増幅の電気パルスに変換する。このセンサは、（送信および受信のための）アンテナ機能を有している。このアンテナは、選択された高周波成分を狭い周波数レンジ内において選択および増幅することが可能なマイクロ波共振器に、電気的に（または磁気的に）結合している。負性微分抵抗は、マイクロ波信号を増幅する。前記センサは、さらに、検出された信号における増幅された高周波と相互作用することが可能なマイクロ波信号を受信することができるパラメトリック増幅器または混合器として使用することも可能であり、これにより、高感度のヘテロダイン受信器またはスーパーヘテロダイン受信器を形成することができる。

要するに、本発明は、電子数が増幅されるような状況下において、Ｘフォトンの短いパケットを電子雲に変えるセンサの使用を提供する。Ｘフォトンにおける周期的なパケットは、センサ内に送られる。センサは、共振器内に配置されており、これにより、増幅された電子雲の周期的な反復によって生成された高周波のマイクロ波信号を、選択および増幅する。検出回路は、前記高周波を測定する。

より具体的には、本発明の一実施形態は、Ｘフォトンの周期的なパケットの検出器（各パケットが、０．１ｎｓよりも短い持続時間を有している）を提供する。この検出器は、負性微分抵抗領域においてバイアスされているＩＩＩ−Ｖ族の半導体素子を有するセンサを備えており、このセンサが、パケットの繰り返し周波数（Ｆ１）の倍数（ｋ）に同調された共鳴キャビティ内に配置されている。

本発明の一実施形態によると、半導体素子がディスク形状であり、センサをバイアスするためのバイアス電極が、半導体素子の相対する表面において互いに向かい合っており、半導体素子の抵抗率が、センサが発振器として動作することを回避するために十分に高く選択されている。

本発明の一実施形態によると、バイアス電極が、半導体素子の同一表面上に配置されている。

本発明の一実施形態によると、半導体素子は、１０⁷ Ω・ｃｍから１０⁸ Ω・ｃｍまでよりも大きい抵抗率を有している。

本発明の一実施形態によると、少なくとも、カソードとして機能するように設けられたバイアス電極が、Ｘ線に対して透過である。

本発明の一実施形態によると、センサは、アノード側に、半導体素子よりも高密度にドープされているＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料からなる層をさらに有しており、この層が、第１アノード電極および第２アノード電極によって覆われており、第２アノード電極と第１アノード電極との間の電位差が、第１アノード電極と第２アノード電極との間のガンドメインの増幅された伝播を可能とすることができるようになっている。

本発明の一実施形態によると、センサが、第２アノード電極に相対するカソード電極をさらに備えている。

本発明の一実施形態によると、第１カソード電極および第２カソード電極と、第１アノード電極および第２アノード電極とが、リング形状またはインターデジタル型である。

本発明の一実施形態によると、パケットの周波数における倍数（ｋ）の出力が増幅されて混合器に送られる一方、この混合器の他の入力部が、パケットの周波数における倍数ｋ・Ｆ１を受信するようになっており、さらに、Ｘ線のパケットが、パケットの繰り返し周波数（Ｆ１）に対して低い周波数（ｆ０）の周期的なパケットの列に集められており、混合器がこの低い周波数（ｆ０）を供給し、この周波数（ｆ０）がアナライザにおいて分析される。

本発明の一実施形態によると、Ｘ線のパケットの周波数Ｆ１におけるｋ番目の高周波の周波数ｋＦ１に近い周波数ｋ・Ｆ１＋ＩＦのマイクロ波信号が、共鳴キャビティ内に送られ、これらのＸ線のパケットが、周波数（ｆ０）の周期的なパケットの列に集められており、さらに、周波数ＩＦ±ｆ０の信号が、共鳴キャビティから抽出され、この周波数ＩＦ±ｆ０の信号が、混合器の第１の入力部に送られ、この混合器の第２の入力部が周波数ＩＦの信号を受信するようになっている。

前述した本発明における目的、構成および利点については、特定の実施形態に関する後述する非限定的な記述において、添付図面とともに詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態によるセンサを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態によるセンサを示す断面図である。 本発明の第２の実施形態によるセンサを示す上面図である。 本発明の第２の実施形態によるセンサを示す底面図である。 図２Ａ−Ｃに示したセンサの変形例であるセンサおよびその利用モードの一例における断面図である。 図２Ａ−Ｃに示したセンサの変形例であるセンサおよびその利用モードの一例における底面図である。 他の代替的なセンサの断面図である。 本発明の他の実施形態によるセンサの断面斜視図である。 本発明の第１の利用モードによるヘテロダイン受信器アセンブリの実施形態を示す図である。 本発明の第２の利用モードによるスーパーヘテロダイン受信器アセンブリの実施形態を示す図である。

マイクロ部品を表す際の通例により、図１〜図４は、一定の縮尺では描かれていない。

同一の参照符号によって示された同一あるいは類似の部材が、複数の図面に登場する。簡潔さを図るために、これらの部材の説明については、各図面に関連しており繰り返さない。

本発明の詳細な説明においては、ガン−ヒルサム効果については周知であると仮定している。これは、ＴＥＤ（transferred electron devices：転送電子デバイス）として一般的に示されているデバイス群の全体を特徴づけている。一般的な例は、ガンダイオードである。これは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、この半導体のドーピングレベルに関連したバイアスおよびサイズの状態が適切である場合には、発振器として動作するとともに、さらに、負性微分抵抗を有するデバイスとして機能する。全てのＴＥＤは負性微分抵抗を有しているが、それらのドーピングレベルは、不安定な自己発振状態に到達するために常に十分であるわけではない。しかしながら、これらは、安定した増幅器モードで動作することが可能であり、または、１ＧＨｚから３００ＧＨｚまでの範囲において、ヘテロダイン混合器あるいはパラメトリック増幅器として動作することが可能である。本発明は、主にこれらのデバイスを、増幅器および／または混合器として使用している。

ここでは、非常に低い強度の高周波成分の検出について考慮している。また、記述されるデバイスは全て、増幅状態および／またはヘテロダイン受信器状態において動作する。

〔センサ（第１の実施形態）〕
図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサの一例を示している。このセンサは、前面電極としてのカソード電極２および背面電極としてのアノード電極３の２つの電極間に配置された、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料（例えば、ガリウム砒素またはリン化インジウム）からなるディスク状の半導体素子１を有している。背面側のアノード電極３は、電圧Ｖ３を印加されている。これは、前面側のカソード電極２に対して、強く陽性である。この半導体材料は、半絶縁型であり、高い抵抗率（例えば、１０⁷ Ω・ｃｍから１０⁸ Ω・ｃｍまでよりも大きい抵抗率）を有している。バイアスについては、静穏状態において、一様な電場がガン−ヒルサム効果の閾値電場を大きく超えるように調整されている。カソード電極２の電圧が接地電位である場合には、アノード電極３には、およそ１５ｋＶ／ｃｍから３５ｋＶ／ｃｍまでの電場をデバイスに対して印加することが可能な電圧Ｖ３が印加される。このセンサの直径は、焦点調節することが可能な入射Ｘ線ビームによって照射される表面に適応している。この半導体素子１は、２ｍｍの直径を有することが可能である。その厚さは、標準的な半導体ウエハの厚さ（数百μｍ）と同等である。

カソード電極２およびアノード電極３は、半導体材料とのオーム接触を形成している。この半導体材料とカソード電極２の厚さとは、Ｘ線に対して実質的に透過となるように選択されている。その例としては、およそ１００ｎｍの厚さを有する薄いＡｕＧｅまたはＡｕＧｅＮｉフィルムが挙げられる。このような状況においては、アノード電極３とカソード電極２との間に、特異な現象は生じない。より具体的には、半導体材料の大きな抵抗率によって、ガンダイオードにおけるような自己発振現象は生じない。

センサは、その前面側において、入射Ｘ線（ＲＸ）の流れにさらされている。これらのＸフォトンは、２ｋｅＶから２０ｋｅＶまで（例えば８．４ｋｅＶ）のパワーを有しており、ほとんど吸収されずにカソード電極２を横切って、半導体素子１の厚さである第１のマイクロメータに吸収される。これは、だんだんと間隔が開いていく平行線によって図面に示されており、最も高密度の部分が、統計的に最も多数のＸフォトンが吸収される領域に対応している。これらのＸフォトンは、吸収される間に、半導体素子１内に電子−ホール対を生成する。ここで、Ｘ線のパワーによって第１の相乗効果が生じる、すなわち、各Ｘフォトンが多数の電子−ホール対を生成するということに注目すべきである。例えば、その増倍率は、８．４ｋｅＶのフォトンに関して２０００となる。このフォトンに関するＧａＡｓにおける平均吸収長は、３・１０^-3ｃｍである。

ＥＳＲＦのアンジュレータによってもたらされるＸフォトンの流れの場合であって、有効な光イオン化体積（photo-ionization volume）が９・１０^-7ｃｍ³ である場合、焦点調整されていない単色性のＸ線ビームは、体積中に６．３・１０¹²ｃｍ^-3より多くの電子−ホール密度を生成することができない。１０¹⁴ｃｍ^-3のオーダーのキャリア密度については、焦点調整された単色性のＸ線ビーム（２．１・１０¹⁴ｃｍ^-3）、または、多色性のアンジュレータ放射（３．１・１０¹⁴ｃｍ^-3）を使用することによって得ることが可能である。ハンブルグ自由電子レーザ（Ｘ−ＦＥＬ）を用いる場合、電荷キャリア密度の上限値（すなわち、１０¹⁷ｃｍ^-3）を超えないように、入射Ｘ線（ＲＸ）ビームを、例えば２５μｍの金からなる金属フィルタによって減衰する必要がある。

デバイスのバイアス電圧Ｖ３は、受感体積の全域においてガン−ヒルサム効果の臨界電場よりも大きい電場を常に有するように選択される。電荷キャリアの密度が、自己発振状態に到達するには不十分である場合であっても、想定領域内には負の誘電緩和時間を生じさせる負性微分抵抗が存在する。これにより、光イオン化によって生成される過度の電子密度の増幅が引き起こされる。なお、これは広域増幅であるということに注目すべきである。

生成されたホールは、カソード電極２側に向けて流される。一方、電子は、アノード電極３に引きつけられる。増幅効果に敏感であるのは、これらだけである。しかしながら、従前の条件では、アノード電極３に到達することはない。実際には、３００μｍ（半導体素子１における最小の厚さ）を越えるための電子の輸送時間は、数十ナノ秒であり、これは、光イオン化によって生成される電子プラズマの寿命（約０．４ナノ秒から１ナノ秒まで）に対して長すぎる。

したがって、図１に関連して説明したセンサ内における、Ｘフォトンのパケットの吸収は、４００ｐｓから１０００ｐｓまでの寿命を有する自己増幅電気パルスを生成する。Ｘフォトンのパケットが周波数Ｆ１で反復すると考えると、電波周波数帯域内にある繰り返し周波数Ｆ１で、Ｘフォトンのパケットが増幅された電気パルスに変換されることになる。

センサが非常に短いＸ線パルス（５０ｐｓ）によって励起されるために、その周波数応答も、マイクロ波レンジ（あるいは、さらに、ミリメートル波レンジ）における高位のＮからなる高周波Ｎ×Ｆ１を有する。

〔センサ（第２の実施形態）〕
図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃは、それぞれ、本発明における第２の実施形態によるセンサの断面図、上面図および底面図である。半導体素子１の背面には、例えばエピタキシーによって、この半導体素子１と同じ半導体材料からなる薄層４が形成されている。薄層４は、約２μｍから約５μｍまでの範囲の厚さ（例えば３μｍ）を有している。薄層４では、電荷キャリアの密度は、およそ３〜５・１０¹⁶ｃｍ^-3であり、半導体素子１（１０⁷ Ω・ｃｍよりも大きな抵抗率に関して、ほんの約１０⁸ ｃｍ^-3である）よりも、はるかに大きくなっている。薄層４の抵抗率は、例えば、およそ０．１Ω・ｃｍである。図２Ｂの上面図によって図示されているように、前面においては、カソード電極２は、ディスク状の半導体素子１の表面全体を完全には覆っていない。カソード電極２とは正反対となる背面では、第１アノード電極５が薄層４上に堆積されている。図２Ｃの底面図に示すように、薄層４上には、第１アノード電極５と同心の周囲電極としての第２アノード電極６も形成されている。

第１アノード電極５から第２アノード電極６までの間隔については、想定される用途の必要性にしたがって、１５μｍから１５０μｍまでの間において変えることが可能である。第１アノード電極５には、図１に関連して言及した電圧Ｖ３とほぼ同様に選択された電圧Ｖ５が印加されることになっている。第２アノード電極６には、Ｖ５よりも高い電圧Ｖ６が印加されることになっている。Ｖ６とＶ５との電圧差は、第１アノード電極５と第２アノード電極６との間の電場が、ガン−ヒルサム効果の臨界電場よりもほんのわずかに小さくなるように調整される。第２アノード電極６およびカソード電極（ＡｕＧｅ）２は、半導体素子１に対してオーム接触を形成している。第１アノード電極５は、薄層４に対するショットキー型の接触を形成している。第２アノード電極６とは反対側の前面には、別のカソード電極として機能する他の電極（ＡｕＧｅ）７を形成することが可能である。この電極７には、カソード電極２の電圧に対して負となる電圧Ｖ７（例えば、Ｖ７＝Ｖ５−Ｖ６）が印加される。電極７の機能は、半導体素子１内において光イオン化によって生成された電子を、第２アノード電極６に向けてではなく、第１アノード電極５に向けて強制的に流すことにある。

図２Ａに示したセンサのカソード電極２が、Ｘ線流によって横切られた場合、図１のセンサに関連して詳細に示したものと同じメカニズムが、半導体素子１内において、カソード電極２と第１アノード電極５との間で発現する。さらに、電子−ホールプラズマが作られる有効体積内での電場減少が、この体積外での電場の増加によって相殺される。これにより、電場、特に第１アノード電極５の下に位置する劣化した領域内の電場が増加する。この電場変動は、薄層４内における電荷キャリアの密度が非常に高いために非常に高速で増幅する、第１アノード電極５から第２アノード電極６に向かって流れるガンドメインの薄層４内での核生成を開始する。

したがって、Ｘフォトンのパケットを吸収することによって生じる光イオン化プロセスは、結果的に、同期的に引き起こされる２つの電気パルスを生成し、これらのパルスは、直交する方向に流れてゆく。さらに、これらの寿命も異なる。３０ピコ秒のタイムスケールで、過度の電場を高速で緩和するプロセスが存在するはずである。すなわち、電場が下がってガン−ヒルサム効果の臨界電場よりも低い値に戻った場合には、これが新しいガンドメインの核生成における全ての可能性を停止するだけでなく、誘電緩和時間も再び正となる。そして、これが、今度はパルスの高速な減衰を引き起こす（ただし、従前の３０ピコ秒の間に増幅されている）。カソード電極２と第１アノード電極５との間に生成される第１のパルスが、第１アノード電極５に到達する可能性をもたない場合にも同様に、第１アノード電極５と第２アノード電極６との間に生成される第２のパルスも、第２アノード電極６に到達するより多くの可能性をほとんどもたない。一方、この高速のパルスプロセスは、高次の高周波において、周波数応答の増加を促進することが可能であり、これは望ましい目的の１つである。

図２Ａ−Ｃに示したセンサについては、Ｘ線に対して透過となるように選択された背面における第１アノード電極５上に垂直に入射するＸ線の流れにさらすことが可能である。

図３Ａは、図２Ａに示したセンサの変形例であるセンサ、およびその利用モードの一例における断面図であり、図３Ｂはその底面図であり、図３Ｃは、このセンサにおける他の変形例の断面図である。これらの例は、より具体的には、下面から照射されるように構成されている。

図３Ａ、および、図３Ａに対応する底面図である図３Ｂに示すように、センサは、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料から形成された半導体素子１を有している。背面側には、図２の薄層４と同様の薄層４が堆積されている。間隔をおいて設けられている第３アノード電極１０と第４アノード電極１１とは、薄層４領域上において、互いに向かい合うように配置されている。前面側のカソード電極２は、第３アノード電極１０と第４アノード電極１１との間の間隔に少なくとも相対するように配置されており、カソードとして機能する。背面側の第３アノード電極１０および第４アノード電極１１は、アノードとして機能して、それぞれの電圧は、Ｖ１０およびＶ１１となっている。これらの電圧の一方、例えばＶ１１は、他方よりも大きくなっている。これにより、Ｘ線がない場合に、これら２つの電極１０，１１の間に、ガン−ヒルサム効果の臨界磁場よりもわずかに小さい平面電場が生成される。

第３アノード電極１０および第４アノード電極１１は、カソード電極２と共に、垂直の主成分を有する電場を生成する。この観点においては、２つの電極１０，１１は共に、前述した実施形態における第１アノード電極５の役割を担っている。

Ｘ線は、第３アノード電極１０と第４アノード電極１１との間に含まれる領域において、背面に到達する。Ｘ線の減衰長はおよそ３０μｍであり、電子−ホール対の大部分は半導体素子１内において生成されることになる（ただし、薄層４の近傍に生成される）。電子は、横方向の電場成分によって、カソード電極２から、最も高い電圧を有する第４アノード電極１１に向けて加速される。この横方向の加速に起因して、ここで光イオン化によって生成される電気パルスも、広帯域の対流型増幅からの恩恵を受ける。これは、図１に示した実施形態または図２Ａに示した実施形態にしたがって形成されたセンサの場合と全く同様である。この対流型増幅は、電荷キャリアの高い密度が増幅を増進する薄層４を電子が貫通するとすぐに、より高速かつより効率的になる。

平面的な電場成分（第４アノード電極１１から第３アノード電極１０に向かう成分）も、薄層４の近傍に存在している。光イオン化によって生成された電子雲の外側では、電場（特に、第４アノード電極１１に向かう電場）が増加し、ガン−ヒルサム効果の臨界電場よりもわずかに大きくなる可能性がある。第４アノード電極１１に向かって流れるガンドメインについては、光電子プラズマの寿命に起因して、高いドーピングレベルの薄層４内においても生成することが可能である。２つのガンドメインは、同時に成長することは不可能であるため、最終的には、２つの増幅プロセスは自己制御型である必要があり、これによって最後には、２次元空間内において流れている電気パルス内に、Ｘフォトンにおけるより大きな対流型の増幅が生じる。

図３Ｃは、図３Ａのアセンブリにおける変形例を示す断面図であり、第３アノード電極１０および第４アノード電極１１の両方が、絶縁フィルム１２によって覆われている。この絶縁フィルム１２は、例えばポリイミド（カプトン：２５μｍの厚さ）からなり、その外部表面は、伝導層１３によって覆われている。伝導層１３は、例えばアルミニウムからなり、第３アノード電極１０と同じ電圧を印加されている（Ｖ１３＝Ｖ１０）。

図４は、図２Ａに示した実施形態に相当するセンサにおける、平面的なバージョンを示している。このセンサは、幅の狭いプレート１５（８０ｍｍ×４ｍｍ）上に形成されており、このプレート１５は、適切な基板を形成している標準的な厚さ（３４０μｍ）の半導体のウエハから切り取られたものである。半導体素子１および薄層４は、同一の半導体材料からなり、かつ、実質的に非常に近い厚さを有していて、プレート１５上に形成されている。半導体素子１は、半絶縁性であり、１０⁷ Ω・ｃｍよりも大きな抵抗率を有している。薄層４は、図２Ａに示したセンサの薄層４と同様に、およそ３〜５・１０¹⁶ｃｍ^-3の電荷キャリア密度を生じさせるような、非常に高いドーピングレベルに対応している。３つの電極、すなわち、接地されているカソード電極２、薄層４に対するショットキー型の接触を形成しており電圧Ｖ５を印加されている第１アノード電極５、および、電圧Ｖ６を印加されている第２アノード電極６が、表面において堆積されている。適切に焦点調整されたＸ線ビーム（ＲＸ）は、かすめ入射の状態（４°〜６°）で、カソード電極２と第１アノード電極５との間の半導体素子１を照射することになる。Ｘ線は、半導体素子１内において完全に吸収され、かつ、電子−ホールプラズマの形成においてよりよいコントラストを確保することが可能となるように、非常に低い入射率で到達する。

〔キャビティ〕
上述したセンサは、Ｘフォトンのパケットにおける繰り返し周波数の高周波ｋ・Ｆ１に同調されたマイクロ波共鳴キャビティ内に配置される。

ＥＳＲＦの特徴を有する発生源の場合、それは、例えば、周波数Ｆ１の高周波を検出するように選択されることになる。センサ内に形成されて、電荷の変位方向に沿って方向づけられ、さらに周波数ｋ・Ｆ１で発振している電気双極子が、キャビティの共鳴モードにおける最大の電場と一致する場合には、センサは、マイクロ波送信アンテナのように機能することになる。このセンサについては、最小の誘電損失を有するサファイアのロッド上に取り付けることも可能である。Ｘ線に対して完全に透過ではあるが、キャビティの金属壁における電気的導通を確保している５０μｍの厚さのベリリウム窓を介して、Ｘ線を導入することも可能である。

なお、キャビティは、周波数フィルタとしての機能を有するだけではないということに注目すべきである。キャビティの品質係数に依存する時間（例えば、Ｑ＝１０００の場合には３０ｎｓ）だけ続く遷移位相の後、静的バイアス電圧に重畳されるマイクロ波周波数（ｋ・Ｆ１）で発振する電圧は、センサのアクティブエリアに落ち着く。このマイクロ波信号は、それ自身、ガン−ヒルサム効果に付随する負性微分抵抗のために、増幅される。このとき、共鳴増幅状態が発現する。なお、この増幅は非常に狭い周波数帯域を有しているということに注目すべきである。

図１に示したタイプのセンサに関しては、マイクロ波共鳴キャビティを、モードＴＥ₁₀₂ の共鳴標準方形導波管部（resonant standard rectangular waveguide section）に基づく、Ｘバンドキャビティとすることも可能である。キャビティの共鳴周波数については、携帯型のショートサーキットによって、細かく調節することも可能である。さらに、最適化されたサイズの虹彩絞りによって、キャビティを検出回路に結合することも可能である。

図２Ａまたは図３Ａに関連して説明したタイプのセンサを用いる場合、対応するアンテナは、もはや、方形のガイド共鳴キャビティの電場に結合することができない。図２Ｂおよび図２Ｃに示された放射対称性を有するセンサの場合、ＴＥ₀₁₁ またはＥ₀₁₂ の共鳴モードを有する円筒形の共鳴キャビティを使用することが望ましく、この共鳴モードも、放射対称性を有する電場分布を与える。この考察は、インターデジタル型の電極の場合にも有用である。

図４に示したタイプのセンサに関しては、カソード電極２と第１アノード電極５との間、または、第１アノード電極５と第２アノード電極６との間において生成された電気パルスが、同じ軸に沿って同じ方向に流れる。したがって、このようなセンサは、方形部を備えたＴＥ_１０１共鳴モードを有する標準的なキャビティに電気的に結合することが可能である。

Ｘ線が円偏光している場合、センサ内において生成される電子の一部分は、スピン偏極を有することになる。非特許文献１に示唆されているように、このスピン偏極は、ガン効果によって増幅されるはずである。本発明、より具体的には、図３に示した実施形態は、この理論の正確さを検証することが可能なはずである。その大部分が特権的なスピン偏極を有している電子が存在しているということは、振動磁気双極子が存在していることを表している。この振動磁気双極子は、この振動磁気双極子に対して磁気的に結合しているマイクロ波キャビティ内の磁気共鳴によって、検出することが可能なものである。

〔検出回路〕
上述したようなマイクロ波アンテナによって放射されるパワーは非常に低く、数ナノワットをかろうじて超える程度にとどまっている。さらに、ガン−ヒルサム効果の増幅器におけるノイズ温度（すなわち電子ノイズの増幅率）は、大きくも小さくもない。高感度測定回路を使用することが必要であるものの、電子ノイズのバンド幅もまた、小さくしなければならない。

図５および図６は、本発明のセンサの使用に適用したヘテロダイン検出における２つの実施形態を示している。これらの図面において、上述したようなまたはそれに類似するセンサ（ＴＥＤ）は、参照符号２０によって示されており、Ｘフォトンのパケットにおける繰り返し周波数Ｆ１の高周波ｋ・Ｆ１に同調された共鳴キャビティ２１内に挿入されている。Ｘ線パケットからなる列は、周波数Ｆ１に比べて低いとともに、ｋ・Ｆ１と比べれば完全に低くなる周波数ｆ０での振幅変調を示すと考えられる。例えば、ＥＳＲＦシンクロトロン放射源の場合、Ｘ線パケットの列は、周波数ｆ０＝Ｆ１／９９２＝３５５ｋＨｚでの振幅変調を示す。この周波数は、ストレージリング内の電子における周期的な繰り返し周波数である。加速器の周波数Ｆ１における前記の完全に同期された変調は、シンクロトロン放射光を生成する電子からなる９９２個のパケットが、意図的に不完全に充填されていることに起因する。この周波数ｆ０での振幅変調の結果、周波数空間内に、周波数ｋ・Ｆ１±ｆ０に対応する２つのサテライトが出現する。

図５に示されている例では、共鳴キャビティ２１の出力（ｋ・Ｆ１±ｆ０）は、電子ノイズが非常に低いマイクロ波増幅器２３（ＬＮＡ：低ノイズ増幅器）を介して、マイクロ波混合器２２における第１の入力部に送られる。マイクロ波混合器２２における第２の入力部は、周波数ｋ・Ｆ１の基準信号を受信する。マイクロ波混合器２２は、その出力が、周波数ｋ・Ｆ１±ｆ０の変調サテライトの振幅に比例した振幅を有する周波数ｆ０の信号となるように準備される。この信号は、広いダイナミックレンジ（例えば、１５０ｄＢｃより広いレンジ）を有する、ベクトル・スペクトラムのアナライザ２４によって測定される。このアナライザ２４は、また、同期的トリガー信号２５（例えばｆ０／２）を受信するとともに、周波数Ｆ１のｋ番目の高周波における振幅の特性を示す信号２６を出力する。

図６に示されているアプローチは、ガン−ヒルサム効果における全ての機能性を十分に引き出す。より具体的には、ここでは、混合器−増幅器として、あるいはパラメトリック増幅器として、マイクロ波またはミリメートル波のレンジにおいて使用される。

図６では、センサ２０を備えた共鳴キャビティ２１は、周波数ｋ・Ｆ１±ＩＦのマイクロ波生成器３１によって励起される。周波数シフトＩＦは、１ＭＨｚから１０ＭＨｚまでの範囲において、任意に選択されることになる（例えば２ＭＨｚ）。マイクロ波混合器３２は、マイクロ波生成器３１の出力、および、周波数ｋ・Ｆ１の基準信号を受信し、中間周波数ＩＦの基準信号を出力する。さらに、共鳴キャビティ２１内では、センサ２０のマイクロ波混合器機能によって、中間ビート周波数ＩＦ±ｆ０の信号が出現する。この低周波数の信号は、センサ２０の電極上で直接的に検知することが可能なものであり、アナログのＩＦ混合器３４における第１の入力部に注入される前に、非常に低ノイズの適切な増幅器３３に入力される。なお、ＩＦ混合器３４における他の入力部は、基準信号ＩＦを受信する。したがって、このデバイスは、スーパーヘテロダイン復調器として機能する。周波数ｆ０の出力信号の分析については、図５の場合のように、ベクトル・スペクトラムのアナライザ２４において、再度実行することも可能である。

図６に示されている検出は、多くの利点を有している。第１の利点は、負性微分抵抗の効果によるビート信号ＩＦ±ｆ０のセンサ２０の内部での増幅が、非常に効果的であることである。第２の利点は、ビート信号が、外部の生成器におけるマイクロ波信号の強度（例えば数十ミリワット）に比例することである。これにより、非常に低いノイズにおける大幅な増幅率（ゲイン）が導入される。第３の利点は、この検出モードを、ミリメートル波（３００ＧＨｚ）の分野に対して、容易に拡張することが可能であることである。ただし、大きなゲインおよび非常に低いノイズを有するマイクロ波増幅器２３（図５を参照）を使用できることは、非常に高い周波数では問題となる（これは、増幅器３３の場合にはあてはまらない）。

一般的に、このセンサにおける他の代替実施形態、すなわち、マイクロ波共振器および電子検出回路の実施形態は、望ましい用途に関する特定の実施形態に関連して本明細書に説明したような本発明を背景として、当業者によって想定されるはずである。

本明細書においては、Ｘフォトンの列における繰り返し周波数の高周波を分析することができる検出器について説明してきた。サンプルを用いたＸ線の吸収、拡散または回折現象におけるより完全な研究に関しては、分析される信号におけるフーリエ変換の複数のポイントを得て、より正確に時間信号をたどるために、基本となるパケットの繰り返し周波数における異なる高周波に同調された複数の検出器を使用することが可能である。

さらに、グルノーブルのＥＳＲＦにおけるシンクロトロン放射光に適応した本発明の応用例についても、より詳細に説明している。この場合には、例えばマイクロ波レンジにある３５２．２０２ＭＨｚの繰り返し周波数が考慮される。例えば、およそ５ＭＨｚの繰り返し周波数を有するＸ−ＦＥＬ型の自由電子レーザが発生源であるケースを考慮した場合、１０ＧＨｚよりも高い周波数に到達するために、非常に高い高周波、例えば、２０００よりも大きい高周波を選択することが望ましいはずである。

当然ながら、特定の実施形態に関連して本明細書に説明したような本発明を背景として、共振器および電子検出回路における多くの代替実施形態が、当業者によって想定されるはずである。

そのような変形、修正および改善については、本開示の一部となることを意図したものであるとともに、本発明の趣旨および範囲内に入ることを意図されたものである。したがって、上述の説明は、単なる例示にすぎず、限定することを意図したものではない。本発明は、後述の特許請求の範囲、および、その等価物における規定によってのみ、限定される。

１ 半導体素子
２ カソード電極（第１カソード電極）
３ アノード電極
４ 薄層
５ 第１アノード電極
６ 第２アノード電極
７ 電極（第２カソード電極）
２０ センサ
２１ 共鳴キャビティ
２２ マイクロ波混合器
２４ アナライザ
３４ ＩＦ混合器

Claims (10)

1. Ｘフォトンの周期的なパケットのＸ線検出器であって、
   各パケットが、０．１ｎｓよりも短い持続時間を有しており、
   負性微分抵抗領域においてバイアスされているＩＩＩ−Ｖ族の半導体素子を有するセンサを備えており、
   前記センサが、パケットの繰り返し周波数（Ｆ１）の倍数（ｋ）に同調された共鳴キャビティ内に配置されていることを特徴とするＸ線検出器。
2. 前記半導体素子はディスク形状であり、前記センサをバイアスするためのバイアス電極が、前記半導体素子の相対する表面において互いに向かい合っており、前記半導体素子の抵抗率が、前記センサが発振器として動作することを回避すべく選択されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
3. 前記バイアス電極が、前記半導体素子の同一表面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
4. 前記半導体素子は、１０⁷ Ω・ｃｍから１０⁸ Ω・ｃｍまでよりも大きい抵抗率を有していることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
5. 少なくともカソードとして機能する前記バイアス電極が、Ｘ線に対して透過であることを特徴とする請求項２に記載のＸ線検出器。
6. 前記センサは、アノード側に、前記半導体素子よりも高濃度にドープされているＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料からなる層をさらに有しており、該層が、第１アノード電極および第２アノード電極によって覆われており、前記第２アノード電極と前記第１アノード電極との間の電位差が、前記第１アノード電極と前記第２アノード電極との間におけるガンドメインの増幅された伝播を可能とすることができるように構成してあることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
7. 前記センサは、前記第２アノード電極に相対するカソード電極をさらに有していることを特徴とする請求項６に記載のＸ線検出器。
8. 第１カソード電極および第２カソード電極と、前記第１アノード電極および前記第２アノード電極とが、リング形状またはインターデジタル型であることを特徴とする請求項６に記載のＸ線検出器。
9. 前記パケットの周波数における前記倍数（ｋ）の出力が増幅されて混合器に送られる一方、該混合器の他の入力部が、前記パケットの周波数における倍数ｋ・Ｆ１を受信するようになっており、
   さらに、Ｘ線のパケットが、パケットの繰り返し周波数（Ｆ１）に対して低い周波数（ｆ０）の周期的なパケットの列に集められており、前記混合器が前記低い周波数（ｆ０）を供給し、該周波数（ｆ０）がアナライザにおいて分析されるように構成してあることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
10. Ｘ線のパケットの周波数Ｆ１におけるｋ番目の高周波の周波数ｋＦ１に近い周波数ｋ・Ｆ１＋ＩＦのマイクロ波信号が、前記共鳴キャビティ内に送られ、これらのＸ線のパケットが、周波数（ｆ０）の周期的なパケットの列に集められており、さらに、周波数ＩＦ±ｆ０の信号が、前記共鳴キャビティから抽出され、前記周波数ＩＦ±ｆ０の信号が、混合器の第１の入力部に送られ、前記混合器の第２の入力部が周波数ＩＦの信号を受信するように構成してあることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。

Images