JP2012099851A

JP2012099851A - 超伝導体放射線センサー

Info

Publication number: JP2012099851A
Application number: JP2012010560A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kurakado; 雅彦倉門
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-22
Filing date: 2012-01-22
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】エネルギー高分解能でかつ放射線の撮像を可能とすると同時に高検出効率で高速の超伝導体放射線センサーを提供することである。
【解決手段】超伝導トンネル接合を用いた放射線センサーにおいて、単結晶基板上に共通の不感領域を取り囲まない７個以上の超伝導直列接合で検出素子を構成する、あるいは中心にエネルギー測定用の超伝導直列接合を設け、その外側に入射位置測定用の４つ以上の超伝導直列接合を設けて検出素子を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線やγ線などのいわゆる放射線および赤外光から紫外光のいわゆる光などの光子を撮像可能な放射線センサーシステムに関するものである。

従来、光子および放射線用の撮像センサーとしては半導体のＣＣＤが広く用いられており、２次元の位置分解能も１０００チャンネル×１０００チャンネルすなわち１００万画素を大きく上回るものも市場に出回っている。デジタルカメラなどではカラーのイメージの撮影が可能であるが、それは波長フイルターなどを利用しているためであり、個々の画素素子が光子のエネルギーあるいは波長を測定できているわけではない。Ｘ線用の半導体ＣＣＤでは従来の半導体Ｘ線検出器を上回るエネルギー分解能が得られているが、軽元素からの特性Ｘ線あるいはいわゆる光の光子のエネルギー測定は困難であり、また特性Ｘ線を利用した多元素同時測定での元素分離能も低いという問題がある。

超伝導体を用いた放射線センサーとして超伝導トンネル接合検出器（超伝導単接合検出器）が提案され（非特許文献１参照）、近年、半導体検出器をはるかに上回るエネルギー分解能が実現されている（非特許文献２参照）。しかしながら、１つの超伝導単接合検出器で光子を直接吸収させてそのエネルギーを測定する単接合検出器では、面積が数１００μｍ×数１００μｍ程度と小さいために検出効率が低く、また厚さも数百ｎｍと薄いためにエネルギーが数ｋｅＶ以上の光子に対しては吸収効率が１０％以下と低い。１つのチップ上に超伝導単接合検出器素子を複数設け、それぞれの素子からの信号を測定すれば、検出効率は素子数に比例して向上する。どの素子から信号が発生したかで放射線の入射位置も測定できる。しかしながら、全ての画素からの信号を１つの増幅器で処理できるＣＣＤと異なり、超伝導トンネル接合の場合、素子特性にばらつきがあるそれぞれの素子からの信号を別々に処理しなければならないため、１００チャンネル以上の多素子化は困難である。その上、この方法では吸収効率を向上させることはできないという問題もある。

Ｘ線や荷電粒子のエネルギーを基板で吸収させて非平衡フォノンに変換し、非平衡フォノンを基板表面上に設けた直列に接続した多数の超伝導トンネル接合からなる１つの直列接合で吸収させて信号を発生させる超伝導直列接合検出器では、高検出効率かつ高吸収効率のエネルギー超高分解能光子検出器を実現できる（特許文献１）。また、１つの超伝導直列接合検出器に複数の直列接合を用いることによって、２次元の位置分解能すなわち撮像が可能である（特許文献２）。しかしながら、撮像素子では基板上に超伝導トンネル接合のない不感領域を設け、不感領域の周りに不感領域を取り囲むように独立に作動する４つ以上の直列超伝導トンネル接合を設けたことを特徴とするものであったため、１ｃｍ^２のオーダーの大面積化と半導体ＣＣＤに相当する位置の高分解能化は困難であるという欠点があった。すなわち、不感領域の面積が大きいと非平衡フォノンが直列接合に達するのに時間がかかるのとともにその前に超伝導体中で電子を励起できない熱フォノンとなってしまう割合が多くなってしまい、高感度および高速性が困難になるという欠点があった。

また、超伝導トンネル接合に光を照射すれば超伝導体中で電子が励起され、励起電子がトンネル効果で信号として取り出せることが知られているが（非特許文献３参照）、１つの接合で光を直接吸収するために光センサーとしての有効面積が狭い、光を超伝導体で吸収する効率が光の波長に大きく依存し、特に赤外線に対しては反射率が大きくなってしまい、吸収効率が極めて低くなってしまうという欠点がある。

特許２７９９０３６特開Ｈ８−２６２１４４号公報

応用物理、第５３巻、１９８４年、５３３−５３７ページ日本物理学会誌、第５１巻、１９９６年、４２５−４３３ページＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２８、（１９８９）Ｌ５４９

本発明が解決しようとする課題は、いわゆる光からＸ線、γ線までの波長領域の光子及び荷電粒子などの放射線に対して個々の放射線のエネルギーを精度良く測定できるエネルギー高分解能でかつ数百チャンネル×数百チャンネルに相当する放射線の入射位置分解能すなわち撮像を可能とすると同時に高検出効率で高速の超伝導体放射線センサーを提供することである。

Ｘ線、γ線、荷電粒子などのいわゆる放射線およびいわゆる光を吸収して放射線のエネルギーを非平衡フォノンに変換する単結晶基板の表面に、共通の不感領域を取り囲まない７個以上の超伝導直列接合を設ける（図１参照）。あるいは中心にエネルギー測定用の直列接合を設け且つその外側に入射位置測定用の４つ以上の直列接合を設ける（図２参照）。それらの超伝導直列接合から信号を取り出し、それらの信号を利用して放射線の入射位置を求めると同時に信号の大きさの入射位置依存性を補正することによって、大面積かつ高位置分解能で高感度および高速の放射線センサーとする。

以上説明したように、単結晶基板表面に共通の不感領域を取り囲まない７つ以上の超伝導直列接合を設けることにより、あるいは中心にエネルギー測定用の超伝導直列接合を設けてその外側に入射位置測定用の４つ以上の超伝導直列接合を設けることにより、高感度と高速性を保ったままでセンサーとしての有効面積と入射位置の解像度を大きくすることができる。

１実施例のセンサー素子の直列接合の配置を示した平面図である。（実施例１）１実施例のセンサー素子の超伝導トンネル接合側の平面図である。（実施例２）

超伝導体薄膜で吸収させる場合、各光子は超伝導体薄膜中で多数の電子あるいは正孔を励起する。励起電子あるいは正孔は再結合して超伝導対を形成して余剰のエネルギーを非平衡フォノンとして放出する。非平衡フォノンは、超伝導体薄膜から基板へと伝搬する。半導体または絶縁体の基板で光を吸収させる場合、光子は半導体中で電子を励起する。励起電子は余剰のエネルギーをフォノンとして放出する。半導体光センサーの場合と異なり、励起電子を電場を利用して外部に信号として取り出すことはしない。そのため、エネルギーギャップの上に緩和した電子は空孔と再結合、または伝導帯から不純物レベルあるいは不純物レベルから荷電子帯へと戻り、エネルギーを非平衡フォノンとして放出して光子によって励起される以前のエネルギー状態へと戻る。上記の基板中の非平衡フォノンは基板の表面に設けたエネルギーギャップの小さい超伝導体で作製された多数の超伝導トンネル接合で吸収され、超伝導トンネル接合中で電子を励起させる。超伝導体のエネルギーギャップは１ｍｅＶ程度あるいはそれ以下と小さいために、非平衡フォノンは電子を効率良く励起することができる（非特許文献２）。そのため、上記の過程で放出された非平衡フォノンは超伝導トンネル接合中で電子を効率良く励起することが出来る。なお、いわゆる光を超伝導薄膜あるいは基板で吸収してそのエネルギーを非平衡フォノンに変換する方法では、フォノンを高効率に吸収するために超伝導トンネル接合は直列接合であることは重要であるが、必ずしも複数の超伝導直列接合を用いる必要はない。複数の直列接合を用いた場合には撮像も可能となる。

超伝導直列接合は大面積であって非平衡フォノンの吸収効率が高い、すなわち半導体中の励起電子から放出されたフォノンが熱化される前にそれらを素早く吸収し、そのエネルギーを超伝導体中の励起電子に変換することが出来る。そのため、本発明の光センサーでは光子１個当たり信号電荷が１個のみ得られるのではなく、個々の光子のエネルギーに比例した信号電荷を得ることが出来、光吸収用の超伝導薄膜あるいは光吸収用の基板として用いる半導体のエネルギーギャップあるいは不純物準位よりエネルギーの大きい光子に対してその波長・エネルギーにかかわらず高検出効率の光センサーとなる。しかも、効率は光の波長に殆ど依存しないという利点をもつ。光量をセンサーの温度変化で測定するボロメーターと異なり、熱フォノンではなく非平衡フォノンを利用するため、光への応答速度は1/10000秒程度以下と高速である。なお、本願発明は、光子に対してだけでなく、荷電粒子に対しても有効であることは当然である。

基板上に共通の不感領域を取り囲まない多数の超伝導直列接合を設けておき、発生した非平衡フォノンを近くの複数の直列接合で吸収させ、それらの複数の直列接合からの信号の大きさあるいは信号発生の時間を比較することによって光子の入射位置を測定することができる。光子の入射位置を求めることができるために、それらの複数の直列接合からの信号の大きさの和の入射位置依存性を補正することが可能となり、直列接合を配置した基板全体がセンサーとして有効となり大面積化と位置高分解能とエネルギー高分解能が可能となる。なお、請求項１と２において超伝導直列接合の数を７個以上としたのは、本願発明では大面積化と位置分解能の向上のために少なくとも図１の上半分の７個の直列接合からなる放射線センサー素子であることが必要であると考えられるためである。

素子中心に放射線エネルギー測定用の超伝導直列接合を設け、その外側の周りに放射線の入射位置測定用の４つ以上の超伝導直列接合を設ける。素子中心に接合を置かない不感領域を設けずにエネルギー測定用の超伝導直列接合を設けた場合、信号の大きさは放射線の入射位置に依存して大きく変動するが、周りの入射位置測定用の超伝導直列接合からの信号を用いてエネルギー用直列接合からの信号の大きさの位置依存性を補正することが出来る。また、中心に不感領域がないため放射線によって基板で発生したフォノンを直列接合で高速に検出することが出来る。

以下、本発明の実施例を示すことにより、本発明をより詳細に説明する。

第１の実施例の放射線センサー素子の平面図を図１に示す。放射線センサー素子はヘリウム３クライオスタットで０．３５Ｋに冷却された。１センチメートル角のサファイア基板１上に直径０．１ｍｍの円形の超伝導トンネル接合（Ｎｂ／Ａｌ／酸化Ａｌ／Ａｌ／Ｎｂ）を１６０個直列に接続して構成した直列接合５２を１２個形成し、それぞれの直列接合から別々に信号取り出せるようにした。基板の直列接合を設けた面の反対側の面にＸ線を照射した。それぞれの直列接合からの信号の大きさはＸ線の入射位置に大きく依存したが、Ｘ線の入射毎に１２個の直列接合それぞれから発生する信号の大きさを測定し、その内の大きい方から４つの信号の大きさＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４とその４つの信号がそれぞれどの直列接合から発生したかという情報もデーターとした。また、Ｘ線の入射毎に大きい方から８個の信号の大きさの和Ｓ_Ｔ＝Ｓ_１＋Ｓ_２＋・・・・＋Ｓ_８も求めた。放射線の入射位置を決定するには、８０μｍ角の穴が１００μｍ間隔で２次元に配置された厚さが５０μｍの銅製のメッシュを通して約６ｋｅＶのＸ線を照射し、入射した１個毎のＸ線による４つの信号の大きさＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４とそれらの信号を発生した直列接合がどれかという情報をメッシュの穴の位置と対応させることによって、Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４とそれらを発生させた直列接合が分かれば実際の入射位置を決定できる。メッシュの穴のあいていない部分はＸ線が透過しないので、その部分の位置はデータを内挿して求めた。これにより、この検出器で約５０μｍの位置分解能が得られた。なお、この例では位置の情報としては、簡単のために大きい方から４つの信号のみを利用したが、それ以上の数の信号を用いても良いことは当然である。

Ｘ線のエネルギーは一定でも各Ｘ線に対するＳ_Ｔは入射位置に依存するため、Ｓ_Ｔから光子のエネルギーを直接精度良く決定することはできない。そのため、検出器の位置のデーター領域を２００×２００の小領域に分割し、メッシュなしでＸ線を照射してそれぞれの小領域でＳ_Ｔの波高スペクトルを求め、それぞれの波高スペクトルからそれぞれの小領域（Ｘ、Ｙ）におけるＸ線のエネルギーに相当するＳ_Ｔの平均的値Ｓ_Ｔ（Ｘ、Ｙ）を求め、Ｓ_Ｔ（Ｘ、Ｙ）から小領域（Ｘ、Ｙ）毎の信号波高値の補正値Ｒ（Ｘ、Ｙ）＝［Ｓ_Ｔ（Ｘ、Ｙ）］／［Ｓ_Ｔ（Ｘ、Ｙ）の最大値］を求めた、それ以後の測定ではＸ線の入射毎に位置情報（Ｘ、Ｙ）とＳ_Ｔを同様に測定し、Ｓ_ＴをＲ（Ｘ、Ｙ）で割った値をエネルギー値とすることによって、入射位置によって信号波高が異なるために制限されていた超伝導直列接合検出器のエネルギー分解能を１０倍以上向上させることで出来た。また、位置分解能に関しては、基板上に超伝導トンネル接合のない不感領域を設けて不感領域のさらに周りには不感領域を取り囲むように独立に作動する４つの直列超伝導トンネル接合を設けたことを特徴とする従来の放射線センサーに比べると、分解能はどちらも約５０μｍで同等であったが、本実施例の素子では位置を基板全面にわたって測定することができ、従来の素子に比べると面積が約４倍となり、撮像能力は画素数２００×２００に相当する。

素子中心の２．２５ｍｍ×２．２５ｍｍの領域に下部電極面積が１２０μｍ角の超伝導トンネル接合を作製した。等間隔で配置された各下部電極の上にはそれぞれ２個の超伝導トンネル接合が設けられている。接合の接続は１０８直列×６並列であり、合計の接合数は６４８個である。その中心直列接合の周りに同じ接合構造の位置計測用の超伝導直列接合を４個配置した。接合の接続は各３６直列×２並列である。素子構造概要は図２に示す。裏面の約１ｍｍ角の領域に約６ｋｅＶのＸ線を照射した。中心接合からの信号は１マイクロ秒程度と高速であった。信号の位置依存性は大きかったが、周りの４個の位置測定用直列接合で位置情報を約８０μｍの精度で測定でき、位置依存性を補正して約１００ｅＶのエネルギー分解能が得られた。

本願発明は光やＸ線あるいは荷電粒子を利用した様々な分析装置等に利用できる。

１単結晶基板
２超伝導直列接合
５１単結晶基板
５２超伝導直列接合

Claims

超伝導トンネル接合を用いた放射線センサーシステムにおいて、絶縁体あるいは半導体の１つの単結晶基板とその上に設けた共通の不感領域を取り囲まない７個以上の超伝導直列接合で検出素子を構成したことを特徴とする超伝導体放射線センサー。
超伝導トンネル接合を用いた放射線センサーシステムにおいて、共通の不感領域を取り囲まない７個以上の超伝導直列接合から構成される超伝導直列接合放射線センサーと光子の入射毎に少なくとも４つの直列接合からの信号の大きさまたは信号の時間差を用いて光子の入射位置を決定すると同時に少なくとも４つの直列接合からの信号の大きさの和も求めることによって信号の大きさの和の入射位置依存性を測定して入射位置毎に信号の大きさの和の補正係数を作成するための信号処理装置、および光子の入射毎に入射位置と信号の大きさの和を求めるとともに信号の大きさの和を入射位置に応じて補正係数を用いて補正して光子のエネルギーを測定するための信号処理装置を備えていることを特徴とする超伝導体放射線センサーシステム。
超伝導トンネル接合を用いた放射線センサーシステムにおいて、絶縁体あるいは半導体の単結晶基板の表面に超伝導直列接合を設けた放射線センサーであり、中心にエネルギー測定用の超伝導直列接合を設け、その外側に入射位置測定用の４つ以上の超伝導直列接合を設けたことを特徴とする超伝導体放射線センサー。