JP2014027194A - イオン粒子検出器並びにイオン粒子検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、イオン粒子を高感度に検出可能で、検出部を大面積化することが可能なイオン粒子検出器、並びに該検出器を用いたイオン粒子検出方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明のイオン粒子検出器は、イオン粒子を衝突させる検出面を有し、厚みが磁場侵入長λ以下である超伝導薄膜と、前記超伝導薄膜と接合され、ジョセフソン接合を有する超伝導線状部材と、を有することを特徴とする。また、本発明のイオン粒子検出方法は、前記イオン粒子検出器を用いてイオン粒子を検出するイオン粒子検出方法であって、前記イオン粒子を前記検出面に衝突させ、前記イオン粒子の衝突により前記検出面に生ずる磁束を前記超伝導線状部材の前記ジョセフソン接合の特性変化に基づき検出することで前記イオン粒子を検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導薄膜を検出部とするイオン粒子検出器並びに該検出器を用いた粒子検出方法に関する。

現在、多くの質量分析器において、イオン化された分子を検出する検出器として、ＭＣＰ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）が用いられている。このＭＣＰは、一般に分子が物質表面に衝突したときに放出される二次電子を増倍することにより、電気信号として分子の到来を検出するものである。
しかしながら、ＭＣＰによる検出では、例えば、高分子など質量の大きいイオンを検出する場合に検出効率が下がるという問題がある。

一方、ＭＣＰに代えて超伝導検出器を用いると、質量の大きいイオンに対しても検出効率が下がらないことが知られ、質量分析のための超伝導検出器として、ＳＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＳｔｒｉｐＬｉｎｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が研究されている。
このＳＳＬＤは、メアンダー構造の超伝導材細線を検出部とし、粒子を検出部に衝突させたときの超伝導材の常伝導転移を電気パルスとして検出するものである（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、ＳＳＬＤによる検出では、極細の細線を検出部とするため、有感面積が小さいという問題がある。

N.Zen, A.Casaburi, S. Shiki, K. Suzuki, M. Ejrnaes, R. Cristiano, M. Ohkubo, Appl. Phys.Lett. 95, 172508 (2009)

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、イオン粒子を高感度に検出可能で、検出部を大面積化することが可能なイオン粒子検出器、並びに該検出器を用いたイオン粒子検出方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ イオン粒子を衝突させる検出面を有し、厚みが磁場侵入長λ以下である超伝導薄膜と、前記超伝導薄膜と接合され、ジョセフソン接合を有する超伝導線状部材と、を有することを特徴とするイオン粒子検出器。
＜２＞ 検出面の形状が楕円形及び円形のいずれかとされる前記＜１＞に記載のイオン粒子検出器。
＜３＞ 超伝導薄膜及び超伝導線状部材が同一の超伝導材で形成される前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
＜４＞ 更に、ジョセフソン接合における電気特性を測定する測定部を有する＜１＞から＜３＞のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
＜５＞ 超伝導線状部材が、超伝導薄膜に対して２箇所で接合され、これら接合間にループ状に配線されるループ状配線部を有して形成される前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
＜６＞ ループ状配線部に１つのジョセフソン接合が形成される前記＜５＞に記載のイオン粒子検出器。
＜７＞ ループ状配線部に２つのジョセフソン接合が形成される前記＜５＞に記載のイオン粒子検出器。
＜８＞ 超伝導線状部材が、超伝導薄膜上に配される細線状部材を有して形成される前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
＜９＞ 前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載のイオン粒子検出器を用いてイオン粒子を検出するイオン粒子検出方法であって、イオン粒子を検出面に衝突させ、前記イオン粒子の衝突により前記検出面に生ずる磁束を超伝導線状部材のジョセフソン接合の特性変化に基づき検出することで前記イオン粒子を検出することを特徴とするイオン粒子検出方法。

本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、イオン粒子を高感度に検出可能で、検出部を大面積化することが可能なイオン粒子検出器、並びに該検出器を用いたイオン粒子検出方法を提供することができる。

第１の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。 第１の実施形態に係るイオン粒子検出器の右側半分の回路をモデルとした説明図である。 ジョセフソン接合のＩ−Ｖ特性を説明するための説明図である。 電圧パルスの電圧−時間特性を示す図である。 第２の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。 第２の実施形態に係るイオン粒子検出器の右側半分の回路をモデルとした説明図である。 電圧パルスのＩ−Ｖ特性を示す図である。 Ｉｃ−φ特性を示す図である。 第３の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。 第３の実施形態に係るイオン粒子検出器の右側半分の回路をモデルとした説明図である。 第４の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。 第５の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第１の製造方法の説明図（１）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第１の製造方法の説明図（２）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第１の製造方法の説明図（３）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第１の製造方法の説明図（４）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第１の製造方法の説明図（５）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第２の製造方法の説明図（１）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第２の製造方法の説明図（２）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第２の製造方法の説明図（３）である。 ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第２の製造方法の説明図（４）である。 形状の異なる超伝導薄膜に同じ電流を流した際にロンドン方程式から得られるシミュレーション結果を示し、電流密度の値を色の濃淡で示したもの（１）である。 形状の異なる超伝導薄膜に同じ電流を流した際にロンドン方程式から得られるシミュレーション結果を示し、電流密度の値を色の濃淡で示したもの（２）である。 形状の異なる超伝導薄膜に同じ電流を流した際にロンドン方程式から得られるシミュレーション結果を示し、電流密度の値を色の濃淡で示したもの（３）である。 電流密度のシミュレート結果を示す図である。

＜第１の実施形態＞
本発明のイオン粒子検出器の実施形態について、図面を参照しつつ、以下に説明する。
先ず、第１の実施形態に係るイオン粒子検出器について、図１を参照しつつ説明する。図１は、第１の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。
イオン粒子検出器１は、超伝導薄膜２と、ループ状配線部３ａ,３ｂ及びジョセフソン接合４ａ,４ｂを有する超伝導線状部材５とを有する。また、電源６を有し、該電源６と超伝導線状部材５を接続するとともに、超伝導線状部材５と接地を接続するように配線される電源回路とを有する。

超伝導薄膜２は、一の面がイオン粒子を検出する検出面とされる。本例で超伝導薄膜２は、方形状とされ、図示される面が検出面とされる。
超伝導薄膜２の形成材料としては、超伝導性を有する限り特に制限はなく、例えば、Ｎｂ等が挙げられる。
超伝導薄膜２としては、その検出面をＭＣＰと同程度に大面積化できることを一つの特徴とし、該検出面の大きさとしては、原理的には無限に大きくすることが可能である。

超伝導薄膜２の厚みは、磁場侵入長λ以下であり、例えば、超伝導薄膜２の形成材料がＮｂの場合、０．１μｍ程度以下が好ましい。
磁場侵入長λは、超伝導体に外部磁場が侵入する長さであり、超伝導体を構成する材料及び温度を指定することで決まる。具体的には、超伝導体の表面における外部磁場の大きさを１としたとき、該外部磁場の大きさが１／ｅに減衰する位置における、表面からの深さ距離が磁場侵入長λと定義される。

超伝導線状部材５は、超伝導薄膜２の周部に配線され、該超伝導薄膜２と２箇所で接続されるループ状配線部３ａ,３ｂを有して形成され、ループ状配線部３ａ,３ｂには、ジョセフソン接合４ａ,４ｂが形成される。
なお、このループ状配線部３ａ,３ｂのそれぞれは、ジョセフソン接合を１つ有して構成されるＲＦ−ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）に準じて構成される。
また、超伝導部材５は、抵抗Ｒの配線を介して電源６と接続されるとともに、電気配線を介して接地と接続される。
超伝導線状部材５としては、特に制限はないが、その一部又は全部が超伝導薄膜２の形成材料と同一の形成材料で形成されることが好ましい。

ジョセフソン接合４ａ,４ｂは、２つの超伝導材中に薄い絶縁膜又は超伝導性を弱くした部分（以下、この部分を「弱結合」と称することがある）を挟み、ジョセフソン効果が得られるように構成される。
前記絶縁膜の形成材料としては、例えば、酸化アルミが挙げられ、その厚みとしては、数ｎｍ程度以下である。
また、前記弱結合としては、超伝導体材の幅を他の部分より細く加工することで形成することができる。

また、各ジョセフソン接合には、該ジョセフソン接合における電気特性を測定する測定部（図示略）が配される。この測定部としては、後述するジョセフソン接合を磁束が通過する際の電気特性の変化を測定できるものであれば、特に制限はなく、例えば、ジョセフソン接合を磁束が通過する際の電圧変化を電圧パルスとして測定するものが挙げられる。

イオン粒子検出器１では、電源６側から電流Ｉを流すと、電流Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３に分流して、超伝導薄膜２、超伝導線状部材５のループ状配線部３ａ，３ｂに電流が流れる。この際、電流Ｉのうち、ほとんどが電流Ｉ_１，Ｉ_３を流れるように、ループ状配線部３ａ，３ｂにジョセフソン接合４ａ，４ｂを形成する。ただし、電流Ｉ_１，Ｉ_３としては、ジョセフソン接合４ａ，４ｂの各臨界電流Ｉ_ｃの電流値を超えないように調整する。

以上のように構成されるイオン粒子検出器１の作用について説明する。
図１に示すように、超伝導薄膜２の検出面に被検体としてのイオン粒子が衝突すると、超伝導薄膜２中にｖｏｒｔｅｘとａｎｔｉｖｏｒｔｅｘの磁束対が生じる。
このとき、超伝導薄膜２に電流を流しておくと、電流の流れる方向と垂直に働くローレンツ力に基づき、ｖｏｒｔｅｘとａｎｔｉｖｏｒｔｅｘの磁束対が、検出面の面内方向でかつ電流の流れる方向に対して直交する方向に移動する。また、ｖｏｒｔｅｘとａｎｔｉｖｏｒｔｅｘの２つの磁束は、互いに離れる方向に移動する。

次に、磁束対の移動に基づくイオン粒子の検出について図２を用いて説明する。図２は、イオン粒子検出器のイオン粒子の検出方法を簡便に説明するための説明図であり、第１の実施形態に係るイオン粒子検出器１の右側半分の回路をモデルとしている。
また、ここでは、ＲＦ−ＳＱＵＩＤの構成に準じて構成された第１の実施形態に係るイオン粒子検出器１の動作説明とする。
電源側から超伝導薄膜２’に向けて電流Ｉを流すと、電流Ｉは、Ｉ_１,Ｉ_２に分流して、超伝導薄膜２’及びループ状配線部３ａ’を流れる。この際、電流ＩのうちのほとんどがＩ_１を流れるように、ループ状配線部３ａ’にジョセフソン接合４ａ’を形成する。ただし、Ｉ_１としては、ジョセフソン接合４ａ’の臨界電流Ｉ_ｃの電流値を超えない値である必要がある。

こうした状態で、超伝導薄膜２’にイオン粒子を衝突させ、ｖｏｒｔｅｘとａｎｔｉｖｏｒｔｅｘの磁束対を生じさせると、超伝導薄膜２’中を移動する磁束対のうち、いずれかの磁束は、前記ローレンツ力の働きにより、超伝導薄膜２’の外縁に辿り着く。この外縁に辿りついた磁束は、外縁に沿ってループ状配線部３ａ’に入るように移動した後、該ループ状配線部３ａ’内を移動し、ジョセフソン接合４ａ’を通過する。
通過の際、ジョセフソン接合４ａ’の電気特性（電圧Ｖ）が変化することから、この変化を測定部（図示略）で測定することで、イオン粒子を検出する。

ここで、ジョセフソン接合の電気特性の変化に関し、ジョセフソン接合のＩ−Ｖ特性を図３を用いて説明する。図３は、ジョセフソン接合のＩ−Ｖ特性を説明するための説明図である。
一般に、超伝導体中の超伝導電子対の波動関数Ψは、下記式（１）のように記述される。

ただし、前記式（１）中、ρ_ｓは、超電導電子対の振幅を示し、θは、波動関数の位相を示す。

また、ジョセフソン接合の回路方程式は、下記式（２）のように記述される。

ただし、前記式（２）中、Ｃは、ジョセフソン接合のキャパシタンスを示し、Ｒは、ジョセフソン接合の抵抗成分を示す。

また、波動関数の位相θは、下記式（３）に示されるように電圧Ｖと関係する。

即ち、位相φが２π変化すると、電圧Ｖ×時間ｔの電圧パルスΦ_０が接合両端に現れる。言い換えれば、磁束量子がジョセフソン接合を横切ると、Φ_０の電圧パルスが接合に生じることとなる。
この電圧パルスは、例えば、図４に示すような電圧−時間特性をもって測定することができ、電圧パルスの時間帯は、πτ_０（τ_０＝Φ_０／πＶｃ＝Φ_０／πＩ_ｃＲ。なお、Ｒは、接合の常伝導状態の抵抗値を示す）であり、パルス電圧のピーク値は、およそ２Ｖ_ｃ（Ｖ_ｃ＝Ｉ_ｃ×Ｒ）となる。

図１及び図２に示すＲＦ−ＳＱＵＩＤに準じた構成では、ジョセフソン接合の一端側から伝播する電圧パルス（電圧Ｖ×時間ｔの積がΦ_０となる電圧パルス）が接合をスイッチさせて他端側に伝播され、その際、接合の位相差が２π変化する。測定部では、例えば、電圧Ｖを測定することで、磁束が通過した際の電圧パルスを測定し、イオン粒子を検出する。即ち、例えば、図１に示すように、ジョセフソン接合４ａ，４ｂにおける電圧変化を電圧Ｖ_２，Ｖ_３に基づき測定することで、磁束が通過した際の電圧パルスを測定し、イオン粒子を検出する。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係るイオン粒子検出器について図５を用いて説明する。図５は、第２の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。
イオン粒子検出器１１は、超伝導薄膜１２と、ループ状配線部１３ａ,１３ｂ及びジョセフソン接合１４ａ,１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを有する超伝導線状部材１５と、電源１６を有し、該電源１６と超伝導線状部材１５を接続するとともに、超伝導線状部材１５と接地を接続させるように配線される電源回路とを有する。
この第２の実施形態に係るイオン粒子検出器１１は、第１の実施形態に係るイオン粒子検出器１と異なり、左右２つのループ状配線部１３ａ，１３ｂにそれぞれ２つのジョセフソン接合が配され、ループ状配線部１３ａに２つのジョセフソン接合１４ａ，１４ｂが隣接して配され、ループ状配線部１３ｂに２つのジョセフソン接合１４ｃ，１４ｄが隣接して配されるように構成される。また、ループ状配線部１３ａ，１３ｂの２つのジョセフソン接合間には、外部から電流Ｉ_２，Ｉ_３が供給される。こうしたループ状配線部１３ａ,１３ｂのそれぞれは、ジョセフソン接合を２つ有して構成されるＤＣ−ＳＱＵＩＤに準じて構成される。

イオン粒子検出器１１では、電源１６側から電流Ｉ_１が超伝導薄膜１２に供給され、該電流Ｉ_１は、アースに流れるように構成される。また、外部からの電流Ｉ_２，Ｉ_３のそれぞれは、ジョセフソン接合１４ａ側と１４ｂ側、ジョセフソン接合１４ｃ側と１４ｄ側に分流して、各ジョセフソン接合に供給され、その後、アースに流れるように構成される。

第２の実施形態に係るイオン粒子１１の検出動作について図６を用いて説明する。図６は、イオン粒子検出器のイオン粒子の検出方法を簡便に説明するための説明図であり、第２の実施形態に係るイオン粒子検出器１１の右側半分の回路をモデルとしている。
また、ここでは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの構成に準じて構成された第２の実施形態に係るイオン粒子検出器１１の動作説明とする。
超伝導線状部材１５’には、電流Ｉ_１及び電流Ｉ_２が供給される。電流Ｉ_１は、超伝導薄膜１２’に供給され、アースに流れる。また、電流Ｉ_２は、ジョセフソン接合１４ａ’，１４ｂ’間に供給され、ジョセフソン接合１４ａ’側とジョセフソン接合１４ｂ’側に分流してアースに流れる。

超伝導薄膜１２’の検出面にイオン粒子を衝突させると、第１の実施形態において説明した原理に基づき、ｖｏｒｔｅｘ−ａｎｔｉｖｏｒｔｅｘの磁束対が生じ、これら磁束対がローレンツ力の働きにより超伝導薄膜１２’内を移動して、いずれかの磁束がループ状配線部１３ａ’に移動して、ジョセフソン接合１４ａ’及び１４ｂ’を通過する。

ジョセフソン接合１４ｂ’を通過する際のＩ−Ｖ特性を測定すると、図７及び図８のような波形が測定される。図７は、Ｉ−Ｖ特性を示す図であり、Ｉ_ｃは、ＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ特性を測定した際の電圧が生じる点での電流であり、臨界電流値である。図８は、Ｉ_ｃの接合の位相差依存性（Ｉ_ｃ−φ特性）を示す図である。ＤＣ ＳＱＵＩＤのＩ_ｃは、接合の両端の超伝導体の波動関数の位相の差φに対して周期的に変化し、変化の周期は、φ_０である。接合を磁束量子が一つ通過する場合は、位相差は、φ_０変化する。
即ち、ジョセフソン接合１４ｂ’のＩ−Ｖを常に測定している状態で、磁束が接合を通過すると、図７中、点Ｂを含む曲線で測定されていたＩ−Ｖ特性が、通過の際、点Ｂから点Ａを含む曲線に変化して測定され、通過後、点Ａから点Ｂの曲線上に戻るように測定される。また、この時の接合の臨界電流の位相差は、図８に示すようにΦ_０分だけシフトして測定される。即ち、図８に関し、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ中の磁場の通り抜けは、仮想粒子の運動と等価であり、ＤＣ−ＳＱＵＩＤのポテンシャルエネルギーを縦軸にとると、最初、仮想粒子は、１の位置におり、超伝導薄膜で発生したｖｏｒｔｅｘがＤＣ−ＳＱＵＩＤループに入ると、該ループ中の磁場がΦ_０分増加し、仮想粒子が２の位置に移動する。仮想粒子は、ポテンシャルが傾いているため、このままの位置にとどまらず、１の位置に戻るが、その際に、ＳＱＵＩＤループに電圧が発生し、これを検出することにより、磁束量子の到達を検出することができる。
こうした事象に基づく電気特性の変化を測定することで、被検体としてのイオン粒子を検出することができる。即ち、例えば、図５に示すように、ジョセフソン接合１４ｂ，１４ｄにおける電圧変化を電圧Ｖ_２，Ｖ_３に基づき測定することで（更にジョセフソン接合１４ａ、１４ｃにおける電圧変化を測定してもよい）、磁束が通過した際の電圧パルスを測定し、イオン粒子を検出する。
なお、第２の実施形態について、以上に説明した事項以外は、第１の実施形態についての説明に準ずる。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係るイオン粒子検出器について、図９を参照しつつ説明する。図９は、第３の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。
イオン粒子検出器２１は、超伝導薄膜２２と、超伝導線状部材としての細線状部材２３ａ，２３ｂと、電源２６を有し、該電源２６と超伝導薄膜２２を接続するとともに、超伝導薄膜２２と接地を接続させるように配線される電源回路とを有する。また、細線状部材２３ａ，２３ｂのそれぞれは、一端側から電流が供給され、他端側が接地されるように構成される（図示略）。

細線状部材２３ａ，２３ｂは、略角柱状の部材からなり、それぞれ超伝導材により形成され、超伝導薄膜２２上に配される。細線状部材２３ａ，２３ｂを配する超伝導薄膜２２の面は、検出面であってもよいし、検出面と反対側の面であってもよい。
細線状部材２３ａ，２３ｂの幅Ｗは、狭くする必要があり、０．１μｍ程度が好ましい。
この細線状部材２３ａ，２３ｂの超伝導薄膜２２と接する面には、例えば、ＳｉＯ_２が配され、細線状部材２３ａ，２３ｂと超伝導薄膜２２とが絶縁状態とされる。ただし、両者間の距離は、近い方が望ましい（例えば、数ｎｍ）。

イオン粒子検出器２１では、電源２６側から電流Ｉが超伝導薄膜２２に供給され、該電流Ｉは、アースに流れるように構成される。また、細線状部材２３ａ，２３ｂには、外部からの電流がそれぞれに流れるように構成される。

この第３の実施形態に係るイオン粒子検出器２１の動作について図１０を用いて説明する。図１０は、イオン粒子検出器のイオン粒子の検出方法を簡便に説明するための説明図であり、第３の実施形態に係るイオン粒子検出器２１の右側半分の回路をモデルとしている。
超伝導薄膜２２’には、電流Ｉ_１が流され、細線状部材２３ａ’には、電流Ｉ_２が流されている。
超伝導薄膜２２’に、被検体としてのイオン粒子が衝突すると、ｖｏｒｔｅｘ−ａｎｔｉｖｏｒｔｅｘの磁束対が生じ、これら磁束対がローレンツ力の働きにより、超伝導薄膜２２’内を移動する。この際、いずれかの磁束が細線状部材２３ａ’を横切るように移動する。
磁束が細線状部材２３ａ’を横切る際、細線状部材２３ａ’の電圧Ｖは、図３及び図４を用いて説明したジョセフソン接合と同様の応答をし、電圧パルスが測定可能とされる。
以上のように、細線状部材２３ａ’の電圧Ｖを測定しておき、磁束が細線状部材２３ａ’を横切る際に現れる電圧パルスの測定に基づき、イオン粒子を検出する。
なお、第３の実施形態について、以上に説明した事項以外は、第１の実施形態についての説明に準ずる。

＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態に係るイオン粒子検出器を図１１を用いて説明する。図１１は、第４の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。
イオン粒子検出器３１は、超伝導薄膜３２と、ループ状配線部３３ａ,３３ｂ及びジョセフソン接合３４ａ,３４ｂを有する超伝導線状部材３５と、電源を有し、該電源と超伝導線状部材３５を接続するとともに、超伝導線状部材３５と接地を接続させるように配線される電源回路（図示略）とを有する。

この第４の実施形態に係るイオン粒子検出器３１は、第１の実施形態に係るイオン粒子検出器１の一変形例に係り、超伝導薄膜２の形状を円形に変更したものに係る。また、他の変形例においては、超伝導薄膜の形状を楕円形にしてもよい。
なお、第４の実施形態について、以上に説明した事項以外は、第１の実施形態についての説明に準ずる。

＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態に係るイオン粒子検出器を図１２を用いて説明する。図１２は、第５の実施形態に係るイオン粒子検出器の概略を示す説明図である。
イオン粒子検出器４１は、超伝導薄膜４２と、超伝導線状部材としての細線状部材４３ａ，４３ｂと、電源を有し、該電源と超伝導薄膜４２を接続するとともに、超伝導薄膜４２と接地を接続させるように配線される電源回路とを有する。また、細線状部材４３ａ，４３ｂのそれぞれは、一端側から電流が供給され、他端側が接地されるように構成される（図示略）。

この第５の実施形態に係るイオン粒子検出器４１は、第３の実施形態に係るイオン粒子検出器２１の一変形例に係り、超伝導薄膜２２の形状を円形に変更したものに係る。また、他の変形例においては、超伝導薄膜の形状を楕円形にしてもよい。
なお、第５の実施形態について、以上に説明した事項以外は、第３の実施形態についての説明に準ずる。

＜製造方法＞
本発明のイオン粒子検出器の製造方法としては、特に制限はなく、公知の製造方法により製造することができ、例えば、以下の方法により製造することができる。

ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第１の製造方法について図１３（ａ）〜（ｅ）を参照しつつ説明する。
先ず、基板５１上に、超伝導材としてＮｂ膜５２をスパッタ法などにより製膜する（図１３（ａ）参照）。
次いで、Ｎｂ膜５２上にフォトレジスト層５３を塗工した後、オーブンで加熱して、ある程度固化させる（図１３（ｂ）参照）。
次いで、フォトレジスト層５３に対し、マスクを用いた露光を行い、現像液により現像して、レジストパターン５３ａを形成する（図１３（ｃ）参照）。なお、フォトレジストとしては、露光された部分を除去するポジ型、露光されなかった部分を除去するネガ型のいずれでもよい。
次いで、レジストパターン５３ａをマスクとして、Ｎｂ膜をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などによりエッチングし、超伝導薄膜及びループ状配線部を有する超伝導線状部材のパターン５２ａを形成する（図１３（ｄ）参照）。
次いで、液状のリムーバーを使用し、レジストパターン５３ａを除去する（図１３（ｅ）参照）。
次いで、パターン５２ａのうち、ループ状配線部となる個所の外側を、例えばＦＩＢ加工装置などで微細加工して、部分的に細い構造部分とし、該構造部分の超伝導性を弱め、弱結合型のジョセフソン接合を形成する。
最後に、この超伝導材のパターン５２ａに対し、電源等の必要な回路部材を配線接続し、イオン粒子検出器を製造する。

次に、ループ状配線部を有するイオン粒子検出器の第２の製造方法について図１４（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ説明する。
先ず、基板６１上に、フォトレジスト層６３を塗工した後、オーブンで加熱して、ある程度固化させる（図１４（ａ）参照）。
次いで、フォトレジスト層６３に対し、マスクを用いた露光を行い、現像液により現像して、レジストパターン６３ａ，６３ｂを形成する（図１４（ｂ）参照）。
次いで、レジストパターン６３ａ，６３ｂが形成された基板６１上に、超伝導材としてのＮｂ膜をスパッタ法などにより一様に製膜し、基板６１上のパターン６２ｃ、レジストパターン上の６３ａ，６３ｂ上にパターン６２ａ，６２ｂが形成されるようにする（図１４（ｃ）参照）
次いで、液状のリムーバーを使用し、パターン６２ａ，６２ｂごとレジストパターン６３ａ，６３ｂを除去するリフトオフを行う（図１４（ｄ）参照）。これにより、超伝導薄膜及びループ状配線部を有する超伝導線状部材のパターン６２ｃが基板６１上に形成される。
最後に、ジョセフソン接合の形成及び電源等の必要な回路部材を配線接続を、前記第１の製造方法と同様に行い、イオン粒子検出器を製造する。

次に、細線状部材を有するイオン粒子検出器の製造方法について説明する。
この方法では、先ず前記第１の製造方法と同様の方法により、超伝導薄膜を形成する。
次いで、超伝導薄膜上の細線状部材が形成される部分に、例えば、ＳｉＯ_２などの絶縁膜を形成する。絶縁膜の形成は、前記第１，２の製造方法に準じて行うことができる。
次いで、絶縁膜の上部に細線状部材を形成する。細線状部材の形成は、例えば、前記２の製造方法に係るリフトオフ法に準じ、細線状部材を配する部分にのみフォトレジストがない状態にした後、基板全体にＮｂ膜を製膜し、その後、リムーバーでフォトレジストを除去することにより、Ｎｂの細線状部材を絶縁膜上に形成する。
最後に、ジョセフソン接合の形成及び電源等の必要な回路部材を配線接続を、前記第１の製造方法と同様に行い、イオン粒子検出器を製造する。

＜シミュレーション結果＞
本発明のイオン粒子検出器の実施上、より有用となる構成をシミュレーション結果とともに説明する。

＜＜超伝導薄膜の形状＞＞
図１５〜図１７は、形状の異なる超伝導薄膜に同じ電流を流した際にロンドン方程式から得られるシミュレーション結果を示し、各図は、電流密度の値を色の濃淡で示したものであり、色が濃い方が電流密度が高く、色の薄い方が電流密度が低い状態を示している。
ここで、超伝導薄膜のｘ軸方向の幅：特性長であるＰｅａｒｌ ｌｅｎｇｔｈ（超伝導薄膜の磁場侵入長）の比を１０：１として構成される。
また、図１５に示す超伝導薄膜は、直径が１０μｍの円形とされ、図１６に示す超伝導薄膜は、一辺が１０μｍの正方形とされ、図１７に示す超伝導薄膜は、縦方向直径（図中上下方向の直径）が１０μｍの楕円形とされる。

図１６に示すように、正方形の超伝導薄膜においては、四隅に電流密度の低い領域が生じ（ただし、０ではない）、超伝導薄膜の大きさによっては、磁束を移動させづらいことも想定され、大面積にするほどデバイス中での応答の不均一性が生じる可能性がある。
これに対し、角がない円形及び楕円形の超伝導薄膜においては、このようなことがなく、応答がより均一となる（図１５，１７参照）。
したがって、超伝導薄膜の形状としては、円形及び楕円形が好ましい。

＜＜超伝導薄膜の検出面の面積＞＞
超伝導薄膜の厚みｄを磁場侵入長λ以下とした場合に、厚み方向の電流密度は、ほぼ一様となる。
幅がｗで長さＬが無限に長い超伝導ストリップラインとして超伝導薄膜を想定した場合（ｄ＜Ｗ＜Ｌ）の電流密度のシミュレート結果は、図１８のように示され、図１５〜１７のデバイスの場合の、電流分布も同様になる。
例えば、超伝導材としてＮｂを用い、厚み１０ｎｍで形成した超伝導薄膜の場合、温度Ｔ＝４．２Ｋの条件下で、Ｐｅａｒｌ ｌｅｎｇｔｈΛ＝０．７μｍ、ｗ＝１ｃｍとすると、ｗ／Λ＝１０，０００／０．７＝１４．２８５で、ｗ／Λ→∞にかなり近くなるが、その場合でもデバイス中央部の電流密度は、０とならないので、超伝導薄膜の中央部にも電流が流れ、磁束が超伝導薄膜の外縁に流れる。

図１８中の縦軸Ｋｙ（ｘ）ｗ／Ｉは、ｗ／Λ→０とした場合の電流値を１としたときの電流値であり、横軸は、０から１までの幅（ｗ）のデバイスが存在する場合のｘ方向（幅方向）の位置である。
超伝導体は、マイスナー効果のため、端に電流が流れやすい性質をもつが、デバイス中央部であるｘ／ｗ＝０．５の位置での電流密度は、デバイスが小さく均一に電流が流れている場合の０．６倍の電流が流れることが分かる。
よって、超伝導薄膜を大面積化した場合、中央に電流が流れにくくなるが、ｗ／Λ→∞の条件であっても、電流密度は、一様に流れる場合の電流値のおよそ０．６倍程度までしか下がらないことが想定される。

以上のように、本発明のイオン粒子検出器、及び該検出器を用いたイオン粒子検出方法は、イオン粒子を高感度に検出でき、検出部を大面積化することが可能とすることができることから、質量分析器などに搭載されるほか、種々の測定機器に応用することができる。

１，１１，２１，３１，４１ イオン粒子検出器
２，２’，１２，１２’，２２，２２’，３２，４２ 超伝導薄膜
３ａ，３ｂ，３ａ’，１３ａ，１３ｂ，１３ａ’，３３ａ，３３ｂ ループ状配線部
４ａ，４ｂ，４ａ’，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ａ’，１４ｂ’，３４ａ，３４ｂ ジョセフソン接合
５，５’，１５，１５’，３５ 超伝導線状部
２３ａ，２３ｂ，２３ａ’，４３ａ，４３ｂ 細線状部材
６，１６，２６ 電源
５１，６１ 基板
５２ Ｎｂ膜
５３，６３ フォトレジスト層
５２ａ，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ パターン
５３ａ，６３ａ，６３ｂ レジストパターン

Claims (9)

1. イオン粒子を衝突させる検出面を有し、厚みが磁場侵入長λ以下である超伝導薄膜と、
   前記超伝導薄膜と接合され、ジョセフソン接合を有する超伝導線状部材と、
   を有することを特徴とするイオン粒子検出器。
2. 検出面の形状が楕円形及び円形のいずれかとされる請求項１に記載のイオン粒子検出器。
3. 超伝導薄膜及び超伝導線状部材が同一の超伝導材で形成される請求項１から２のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
4. 更に、ジョセフソン接合における電気特性を測定する測定部を有する請求項１から３のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
5. 超伝導線状部材が、超伝導薄膜に対して２箇所で接合され、これら接合間にループ状に配線されるループ状配線部を有して形成される請求項１から４のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
6. ループ状配線部に１つのジョセフソン接合が形成される請求項５に記載のイオン粒子検出器。
7. ループ状配線部に２つのジョセフソン接合が形成される請求項５に記載のイオン粒子検出器。
8. 超伝導線状部材が、超伝導薄膜上に配される細線状部材を有して形成される請求項１から４のいずれかに記載のイオン粒子検出器。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のイオン粒子検出器を用いてイオン粒子を検出するイオン粒子検出方法であって、
   イオン粒子を検出面に衝突させ、前記イオン粒子の衝突により前記検出面に生ずる磁束を超伝導線状部材のジョセフソン接合の特性変化に基づき検出することで前記イオン粒子を検出することを特徴とするイオン粒子検出方法。