JP2020009841A - 超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法 - Google Patents

超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 粒子の検出効率の向上を図れる超伝導ストリップを提供すること。【解決手段】 実施形態の超伝導ストリップ１は、粒子を検出するための画素として用いられるものである。超伝導ストリップ１は、第１方向に延在し、第１超伝導材料からなる超伝導部位１０と、超伝導部位１０の一端に接続される第１導電部１１と、超伝導部位１０の他端に接続される第２導電部１２とを含む。粒子が第１導電部１１を介して第１方向Ｄ１に沿って超伝導部位１０に照射されると上記超伝導部位の超伝導領域が分断される状態が生じる。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法に関する。
超伝導材料で作成された細いストリップ（超伝導ストリップ）を用いたＸ線光子検出装置が知られている。Ｘ線光子を検出するときには、超伝導ストリップにバイアス電流を流しておく。超伝導ストリップにＸ線光子が衝突すると衝突箇所近傍が一時的に常伝導に転移し、パルス状の電気信号が発生する。この電気信号を検出してＸ線光子の数をカウントする。
特許第５０２７９６５号公報 特開２０１７−９３７２号公報
Soft X-Ray Single-Photon Detection with Superconducting Tantalum Nitride and Niobium nanowires", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 23, 2200505 (2013)
本発明の目的は、粒子の検出効率の向上を図れる超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法を提供することにある。
一実施形態の超伝導ストリップは、粒子を検出するための画素として用いられるものである。前記超伝導ストリップは、第１方向に延在し、第１超伝導材料からなる超伝導部位と、前記超伝導部位の一端に接続される第１導電部と、前記超伝導部位の他端に接続される第２導電部とを含む。前記粒子は前記第１導電部を介して前記第１方向に沿って前記超伝導部位に照射されると前記超伝導部位の超伝導領域が分断される状態が生じる。
一実施形態の粒子検出装置は、上記超伝導ストリップと、この超伝導ストリップにバイアス電流を供給する電流源とを含む。
一実施形態の粒子検出方法は、上記粒子検出装置を用いる。前記粒子検出方法は、前記超伝導ストリップを超伝導状態にする工程と、前記第１導電部から前記超伝導部位にバイアス電流を供給する工程と、試料を透過した粒子を前記第１導電部を介して前記第１方向に沿って前記超伝導部位に照射させ、前記超伝導部位の超伝導領域を分断状態にする工程と、前記分断状態から前記粒子を検出する工程とを含む。
図１は第１の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。 図２は超伝導ストリップの寸法を説明するための図である。 図３は粒子検出装置の超伝導ストリップに接続される電流源、増幅器および計測器を模式的に示す図である。 図４は超伝導ストリップの超伝導領域の分断を示す図である。 図５は実施形態の超伝導ストリップの変形例を説明するための図である。 図６は超伝導ストリップを作成した基板とカウント回路を作成した基板との位置関係を示す図である。 図７は第２の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。図面において、同一符号は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。また、簡略化のために、同一または相当部分があっても符号を付さない場合もある。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。本実施形態では、粒子の一例であるＸ線光子を検出する粒子検出装置について説明する。
本実施形態の粒子検出装置は、Ｘ線光子が入射される複数の超伝導ストリップ１を備えている。各超伝導ストリップ１は、超伝導材料からなり、第１方向Ｄ１に延在する超伝導部位１０と、超伝導部位１０の一端（上端）に接続され、超伝導材料からなる第１導電部１１と、超伝導部位１０の他端（下端）に接続され、超伝導材料からなる第２導電部１２とを含む。
Ｘ線光子は第１導電部１１を介して第１方向Ｄ１に沿って超伝導部位１０に入射される。このＸ線光子は超伝導部位１０内を第１方向Ｄ１に沿って移動し、そして、Ｘ線光子は超伝導部位１０内で吸収されて消滅する。
図中、２は基板（不図示）の表面（基板表面）を示しており、基板表面２は検出面に相当する。超伝導部位１０は基板表面２に対して垂直であり、第１方向Ｄ１に延在する。第１導電部１１および第２導電部１２の形状は、図１に示すように、第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２に延在する直方体である。複数の超伝導ストリップ１は、互いに接触せずに、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に垂直な第３方向Ｄ３に、任意のピッチＰ１で配置されている。
本実施形態では、超伝導部位１０の超伝導材料、第１導電部１１の超伝導材料および第２導電部１２の超伝導材料は同じであり、超伝導ストリップ１の製造は容易である。
なお、本願明細書において、超伝導ストリップ１とは、Ｘ線光子の検出に主として利用される超伝導部位１０が超伝導材料であれば、他の部位が非超伝導材料を含んでいても超伝導ストリップと定義する。
ここで、超伝導部位１０の断面積は超伝導領域の分断が発生する程度に小さく、第１導電部１１および第２導電部１２の断面積は超伝導領域の分断が発生しない程度に大きい。特許文献２に記載されているように超伝導ナノストリップの断面積が大きいと超伝導領域の分断が発生しないことが分かっており、その結果、超伝導部位１０以外ではＸ線を検出しないことが可能になる。以下、図２を参照しながら超伝導部位１０、第１導電部１１および第２導電部１２の寸法についてさらに説明する。
図２において、参照符号Ｌ１、Ｌ２およびＬ３は、それぞれ、第１導電部１１の第１方向Ｄ１の寸法、第２方向Ｄ２の寸法および第３方向Ｄ３の寸法を示している。
また、参照符号Ｌ４、Ｌ５およびＬ６は、それぞれ、超伝導部位１０の第１方向Ｄ１の寸法、第２方向Ｄ２の寸法および第３方向Ｄ３の寸法を示している。
また、参照符号Ｌ７、Ｌ８およびＬ９は、それぞれ、第２導電部１２の第１方向Ｄ１の寸法、第２方向Ｄ２の寸法および第３方向Ｄ３の寸法を示している。
本実施形態では、第１導電部１１の寸法Ｌ１、Ｌ２およびＬ３は、それぞれ、第２導電部１２の寸法Ｌ７、Ｌ８およびＬ９と同じである。また、本実施形態では、第１導電部１１の寸法Ｌ３、超伝導部位１０の寸法Ｌ６および第２導電部１２の寸法Ｌ９は同じである。また、第１導電部１１の寸法Ｌ１は、超伝導部位１０の寸法Ｌ５よりも大きい。第２導電部１１の寸法Ｌ７は、超伝導部位１０の寸法Ｌ５よりも大きい。
超伝導部位１０の寸法Ｌ５は２００ｎｍ以下であり、超伝導部位１０の寸法Ｌ６は２００ｎｍ以下である。その理由は、超伝導部位１０の断面積（Ｌ５×Ｌ６）を超伝導領域の分断が発生する程度に小さくするためである。
第１導電部１１の寸法Ｌ１は２００ｎｍより大きい。その理由は、第１導電部１１の断面積（Ｌ１×Ｌ３）を超伝導領域の分断が発生しない程度に大きくするためである。同様の理由で、第２導電部１２の寸法Ｌ７は２００ｎｍより大きい。
超伝導部位１０に超伝導領域の分断が発生し、第１導電部１１および第２導電部１２にて超伝導領域の分断が発生しない範囲で、寸法Ｌ１〜寸法Ｌ９は適宜変更可能である。
なお、図１には５個の超伝導ストリップ１が示されているが、２個、３個、４個または６個以上の超伝導ストリップ１を用いても構わない。
超伝導部位１０の材料は公知のものから適宜選択することが可能であるが、タンタルを含む材料のようにＸ線の吸収率が高いものほどＸ線光子の検出効率は高くなる。
基板表面２より内部側では複数の超伝導ストリップ１の間は二酸化ケイ素のような絶縁体（不図示）で埋められている。
図１に戻ると、粒子検出装置は、さらに、超伝導ストリップ１の上方（第１方向Ｄ１と逆の方向）に配置され、Ｘ線２２を発生するＸ線発生装置２３を備えている。なお、Ｘ線発生装置２３は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別にＸ線発生装置２３を用意する。
粒子検出装置は、さらに、図３に示すように、超伝導ストリップ１の一端１ａに接続された電流源３１を備えている。電流源３１は、第１導電部１１を介して超伝導部位１０にバイアス電流Ｉｂを供給する。バイアス電流Ｉｂは、超伝導部位１０の超伝導材料の臨界電流よりも小さい。超伝導ストリップ１の他端１ｂは接地されている。なお、電流源３１は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別に電流源３１を用意する。
粒子検出装置は、さらに、超伝導ストリップ１の一端１ａに接続された増幅器３２を備えている。増幅器３２は、超伝導部位１０で発生した電気信号を増幅する。なお、増幅器３２は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別に増幅器３２を用意する。
粒子検出装置は、さらに、増幅器３２に接続され、電気信号をモニタするための計測器３３を備えている。より詳細には以下の通りである。
転移温度以下に冷却された超伝導状態の超伝導部位１０にＸ線光子が吸収されると、超伝導部位１０の超伝導領域は分断する。そのため、超伝導領域が分断した状態（分断状態）を検出することは、Ｘ線光子を検出することに対応する。ここで、分断状態が発生すると、超伝導部位１０は電気信号（例えばパルス状の電気信号）を発生する。したがって、計測器３３により電気信号を検出することで、Ｘ線光子を検出することができる。
なお、計測器３３は粒子検出装置の一部に含めなくても構わない。この場合、Ｘ線光子を検出するときには、粒子検出装置とは別に計測器３３を用意する。
超伝導ストリップ１は超伝導状態を維持するため任意の冷凍機（不図示）によって転移温度以下に冷却される。冷凍機は、電流源３１や増幅器３２などと同様に粒子検出装置に含まれていなくても構わない。
次に、本実施形態の粒子検出装置を用いたＸ線光子の検出方法について説明する。
図１に示すように、Ｘ線発生装置２３と超伝導ストリップ１との間に試料２４（例えば、半導体デバイス）を配置する（ステップＳ１）。次に、超伝導ストリップ１を冷凍機により冷却して超伝導状態にする（ステップＳ２）。次に、第１導電部１１から超伝導部位１０にバイアス電流Ｉｂを供給し（ステップＳ３）、この状態でＸ線発生装置２３から発生したＸ線２２を試料２４に照射し（ステップＳ４）、試料２４を通過したＸ線２２のＸ線光子を第１導電部１１を介して第１方向Ｄ１に沿って超伝導部位１０に入射させる（ステップＳ５）。基板表面２は、通常、Ｘ線発生装置２３から発生した主たるＸ線の入射方向に垂直である。バイアス電流Ｉｂは超伝導部位１０の超伝導状態を維持する臨界電流をわずかに下回る程度とする。
超伝導部位１０の寸法Ｌ５および寸法Ｌ６は２００ｎｍ以下であるので、超伝導部位１０の断面積（Ｌ５×Ｌ６）は小さい。そのため、Ｘ線光子が超伝導部位１０にて吸収されると、図４に示すように、超伝導部位１０の超伝導領域４０内にホットスポットと呼ばれる常伝導に転移する領域（ホットスポット領域）４１が生成される。なお、図１にもホットスポット領域４１は示してある。ホットスポット領域４１の電気抵抗は増加するので、図４に示すように、バイアス電流Ｉｂはホットスポット領域４１を迂回して別の領域（迂回領域）４２内に流れる。迂回領域４２に臨界電流以上の電流が流れると、迂回領域４２が常伝導に転移して超伝導領域４０は分断される。すなわち、上述した超伝導部位１０の超伝導領域が分断した状態（分断状態）が発生する。
この後、常伝導に転移したホットスポット領域４１および迂回領域４２は冷却により速やかに消滅するため、超伝導領域４０の分断により発生する一時的な電気抵抗によってパルス状の電気信号が発生する。このパルス状の電気信号は増幅器３２で増幅され、この増幅されたパルス状の電気信号を計測器３３でカウントすることによってＸ線光子の数（以下、Ｘ線光子数という）を検出する（ステップＳ６）。したがって、超伝導ストリップ１はＸ線光子数を検出するための画素として用いることができる。
ここで、Ｘ線光子は、超伝導部位１０内を第１方向Ｄ１に沿って移動するので、超伝導部位１０のＸ線光子の吸収確率は、超伝導部位１０の寸法Ｌ４により制御できる。したがって、本実施形態の粒子検出装置は、寸法Ｌ４を一定値以上に設定することにより、Ｘ線光子の検出効率の向上を図れる。なお、検出効率の向上を図るとともに、超伝導部位１０を精度よく形成するためには、寸法Ｌ３は例えば３μｍ以下が適当である。
本実施形態の粒子検出装置は、複数の超伝導ストリップ１が任意のピッチＰ１に第３方向Ｄ３に並べられた構造を備えているので、Ｘ線光子数の１次元プロファイルを取得できる。この１次元プロファイルに基づいて試料２４を評価することができる。また、ピッチＰ１を小さくすれば、例えば、ピッチＰ１の値を１００ｎｍした場合、画素サイズを１００ｎｍという小さい値にできる。
かくして本実施形態によれば、画素サイズの縮小を実現しつつ検出効率の向上を図れる超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法を実現することが可能になる。
なお、本実施形態では、第１導電部１１、第２導電部１２および超伝導部位１０を構成する超伝導材料は同じであるが、第１導電部１１および第２導電部１２を構成する超伝導材料は超伝導部位１０を構成する超伝導材料とは異なっていても構わない。例えば、第１導電部１１および第２導電部１２の材料は、超伝導部位１０の超伝導材料よりも転移温度が高い超伝導材料でも構わない。この場合、第１導電部１１および第２導電部１１の断面積を小さくできる。
また、第１導電部１１および第２導電部１２の材料は、超伝導部位１０が超伝導状態となる冷却温度において常伝導状態であるが十分に導電性の高い材料（例えば金）でも構わない。この場合、第１導電部１１の断面積および第２導電部１１の断面積の制約はない。
入射するＸ線光子６０の方向が図５に示すように放射状の場合、超伝導部位１０の第１方向Ｄ１の辺を入射するＸ線光子に沿う方向にすると、検出効率をさらに向上させることが可能である。なお、参照符号６１はＸ線等の電磁波を発生する電磁波発生装置を示している。
パルス状の電気信号をカウントする回路（例えば、図３の増幅器３２、測定器３３を含む回路）は超伝導ストリップ１を作成する基板上に作成しても良いし、または、図６に示すように、超伝導ストリップ１を作成する基板５１とは別の基板５２にカウント回路を作成しても構わない。この場合、基板５１および基板５２はワイヤボンディングなどの接続部材５３を用いて電気的に接続する。
ここで、Ｘ線による基板５２（カウント回路）の影響を小さくするためには、図６に示すように、基板５１にはＸ線２２が照射されるが、基板５２にＸ線２２が照射されないように、基板５１および基板５２を配置する。図６では、基板５２は基板５１の外側に配置している。
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る粒子検出装置の概略構成を示す斜視図である。なお、図７では、簡略化のため、試料およびＸ線光源は省略してある。
本実施形態の粒子検出装置では、複数の超伝導ストリップ１は互いに接触せずに、第２方向Ｄ２および第３方向Ｄ３に２次元的に配置されている。したがって、本実施形態の粒子検出装置は、Ｘ線光子数の２次元プロファイルを取得できる。
本実施形態では、第１導電部１１および第２導電部１２は絶縁体（不図示）によって複数の超伝導部位１０とは電気的に絶縁されるように配置されている。そのため、本実施形態の第１導電部１１の幅（図２のＬ３に相当）および第２導電部１２の幅（図２のＬ９に相当）は、第１の実施形態のそれらよりも小さい。したがって、本実施形態では、第１導電部１１および第２導電部１２の材料として、超伝導部位１０の超伝導材料よりも転移温度が高い超伝導材料、または、超伝導部位１０が超伝導状態となる冷却温度において常伝導状態であるが十分に導電性の高い材料（例えば金）を用いる。
また、上述した実施形態の粒子検出装置はＸ線光子数の１次元プロファイルを取得するために複数の超伝導ストリップを用いているが、粒子検出装置の用途によっては超伝導ストリップの数は一つの場合もある。
上述した実施形態ではＸ線光子を検出するための超伝導ストリップ、粒子検出装置および粒子検出方法について説明したが、上述した実施形態は他の粒子を検出することにも適用できる。例えば、極端紫外線（ＥＵＶ）光子、紫外線光子、赤外線光子、可視光線光子、電子、中性子、イオンなどの粒子を検出することにも適用可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、Ｄ３…第３方向、Ｉｂ…バイアス電流、Ｐ１…ピッチ、１…超伝導ストリップ、２…基板表面、１０…超伝導部位、１１…第１導電部、１２…第２導電部、２２…Ｘ線、２３…Ｘ線発生装置、２４…試料、３１…電流源、３２…増幅器、３３…計測器、４０…超伝導領域、４１…ホットスポット領域、４２…迂回領域、５１，５２…基板、５３…接続部材、６０…Ｘ線光子、６１…電磁波発生装置。

Claims (17)

  1. 粒子を検出するための画素として用いられる超伝導ストリップであって、
    第１方向に延在し、第１超伝導材料からなる超伝導部位と、
    前記超伝導部位の一端に接続される第１導電部と、
    前記超伝導部位の他端に接続される第２導電部とを具備し、
    前記粒子が前記第１導電部を介して前記第１方向に沿って前記超伝導部位に照射されると前記超伝導部位の超伝導領域が分断される状態が生じる超伝導ストリップ。
  2. 前記超伝導ストリップは複数である請求項１に記載の超伝導ストリップ。
  3. 前記第１導電部と前記第２導電部は前記第１超伝導材料からなり、
    前記第１導電部の前記第１方向の寸法および前記第２導電部の前記第１方向の寸法は、前記超伝導部位の前記第１方向に垂直な第２方向の寸法よりも大きい請求項１または２に記載の超伝導ストリップ。
  4. 前記超伝導部位の前記第１方向に垂直な第２方向の寸法は２００ｎｍ以下であり、
    前記超伝導部位の前記第１方向および前記第２方向に垂直な第３方向の寸法は２００ｎｍ以下である請求項３に記載の超伝導ストリップ。
  5. 前記第１導電部の前記第１方向の寸法および前記第２導電部の前記第１方向の寸法は、２００ｎｍより大きい請求項４に記載の超伝導ストリップ。
  6. 前記第１導電部は、前記第１超伝導材料とは異なる第２超伝導材料からなる請求項１に記載の超伝導ストリップ。
  7. 前記第２超伝導材料は前記第１超伝導材料よりも転移温度が高い請求項６に記載の超伝導ストリップ。
  8. 前記複数の超伝導ストリップは互いに接触せずに、前記第３方向に配置されている請求項４に記載の超伝導ストリップ。
  9. 前記複数の超伝導ストリップは互いに接触せずに、前記第２方向および前記第３方向に２次元的に配置されている請求項４に記載の超伝導ストリップ。
  10. 前記粒子はＸ線光子である請求項１ないし９の何れかに記載の超伝導ストリップ。
  11. 前記粒子は、極端紫外線光子、紫外線光子、赤外線光子、可視光線光子、電子、中性子、イオンからなる群より選ばれたものである請求項１ないし９の何れかに記載の超伝導ストリップ。
  12. 請求項１ないし９のいずれかに記載の超伝導ストリップと、この超伝導ストリップにバイアス電流を供給する電流源とを具備する粒子検出装置。
  13. 前記バイアス電流は、超伝導ストリップの超伝導部位の第１超伝導材料の臨界電流よりも小さい請求項１２に記載の粒子検出装置。
  14. 前記超伝導ストリップの超伝導部位の超伝導領域が分断する状態から粒子を検出する計測器をさらに具備する請求項１３に記載の粒子検出装置。
  15. 前記超伝導ストリップを冷却して超伝導状態を維持する冷凍機をさらに具備する請求項１４に記載の粒子検出装置。
  16. 第１方向に延在し、第１超伝導材料からなる超伝導部位と、前記超伝導部位の一端に接続される第１導電部と、前記超伝導部位の他端に接続される第２導電部とを具備する超伝導ストリップを画素として用いた粒子検出方法であって、
    前記超伝導ストリップを超伝導状態にする工程と、
    前記第１導電部から前記超伝導部位にバイアス電流を供給する工程と、
    試料を透過した粒子を前記第１導電部を介して前記第１方向に沿って前記超伝導部位に照射させ、前記超伝導部位の超伝導領域を分断状態にする工程と、
    前記分断状態から前記粒子を検出する工程と
    を具備する粒子検出方法。
  17. 前記超伝導ストリップは複数である請求項１６に記載の粒子検出方法。
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