JP2023131411A - エネルギー線検出システム - Google Patents

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Abstract

【課題】検出素子の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能なエネルギー線検出システムを提供する。【解決手段】冷却器を有する真空容器と、第１信号線８１と、第１信号線８１の端子８１ａに接続され、低温状態においてエネルギー線を検出する検出素子８２と、端子８１ｂに接続されるアンプ８５、電流源８６及びシャント抵抗８７を含む信号処理回路８４と、を有するｎ個の回路ユニット８と、を備える。第１信号線８１の抵抗値Ｒは、第１信号線８１の本数ｎ、端子８１ａ側の温度Ｔ１、端子８１ｂ側の温度Ｔ２、及び、冷却器の冷却能力Ｗｃに基づく値より大きく、ノイズ許容電圧ＶＮ、シャント抵抗の抵抗値Ｒｓｈ、検出素子８２がＯＦＦである場合とＯＮである場合の抵抗値Ｒｓ，Ｒｎ、及び、検出素子８２がＯＦＦである場合の電流Ｉｂに基づく値より小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、エネルギー線検出システムに関する。
従来から、低温状態においてエネルギー線を検出するための検出システムが知られている。このシステムは、低温状態において動作する検出素子と、検出素子を動作させる信号処理回路と、検出素子と信号処理回路と接続する信号線と、を備えており、光子等のエネルギー線を検出することができる。従来の検出システムでは、１～２０個の検出素子が設けられており、１～２０本の信号線が検出素子と信号処理回路とを接続している。例えば、非特許文献１には、超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ：Superconducting Single Photon Detector）と、当該検出器と電気的に接続された信号処理回路とを備える検出システムの動作の評価結果が記載されている。
A. J. Kerman, E. A. Dauler, W. E. Keicher, J. K.W. Yang, K. K.Berggren, G. Goltsman, and B. Voronov,"Kinetic-inductance-limitedreset time of superconducting nanowire photon counters"Appl. Phys. Lett. 88, 111116 (2006).
上述したような検出システムにおいて、複数の信号を検出するために検出素子の数及び信号線の本数を増加させたいという要望がある。この場合、信号線の本数が増えるほど、信号線を介した検出素子への外部からの熱の流入量の総量が増加するため、検出素子が動作するために十分な低温状態を確保することができなくなる場合がある。一方、上記の熱の流入量を減少させるために各信号線の熱抵抗を大きくすることも考えられるが、信号線の熱抵抗を大きくするとその電気抵抗も増大するため、検出素子から信号線を伝搬する信号が減衰すると共に当該信号がノイズに埋もれてしまう傾向にある。
そこで、実施形態の一側面は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、検出素子の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能なエネルギー線検出システムを提供することを目的とする。
実施形態の一側面に係るエネルギー線検出システムは、冷却器を有する真空容器と、少なくとも一部が真空容器に格納されている信号線と、真空容器に格納され、信号線の一方の端子と所定電位との間に接続されており、低温状態においてエネルギー線を検出する検出素子と、信号線の他方の端子に直接的あるいは間接的に接続されており、真空容器の外部に配置された信号処理回路と、を有するｎ個（ｎは２以上の整数）の回路ユニットと、を備える。信号処理回路は、他方の端子に接続されているアンプと、他方の端子と所定電位との間に互いに並列に接続されている電流源及び回路要素と、を含む。信号線の抵抗値Ｒは、信号線の本数ｎ、信号線における一方の端子側の温度Ｔ１、信号線における他方の端子側の温度Ｔ２、及び、冷却器の冷却能力Ｗｃに基づいて算出された値より大きく、アンプにおけるノイズ許容電圧ＶＮ、回路要素のインピーダンスＺｓｈ、検出素子のエネルギー線を検出していない場合の抵抗値Ｒｓ、検出素子のエネルギー線を検出した場合の抵抗値Ｒｎ、及び、検出素子がエネルギー線を検出していない場合に検出素子に流れる電流Ｉｂに基づいて算出された値より小さい。
このエネルギー線検出システムでは、エネルギー線が真空容器に格納された検出素子に入射すると、検出素子から、エネルギー線を検出した信号が信号線を介して真空容器の外部の信号処理回路のアンプに入力される。ここで、上記一側面によれば、信号線の抵抗値Ｒは、信号線の本数ｎ、信号線における一方の端子側の温度Ｔ１、信号線における他方の端子側の温度Ｔ２、及び、冷却器の冷却能力Ｗｃに基づいて算出された値より大きい。このような構成によれば、例えば、ｎ個の検出素子への熱の流入量の総量が冷却器の冷却能力に対応した値より小さくなるように抵抗値Ｒを設定することが可能となり、各検出素子において低温状態が壊れることを抑制することが可能となる。また、上記一側面によれば、信号線の抵抗値Ｒは、アンプにおけるノイズ許容電圧ＶＮ、回路要素のインピーダンスＺｓｈ、検出素子のエネルギー線を検出していない場合の抵抗値Ｒｓ、検出素子のエネルギー線を検出した場合の抵抗値Ｒｎ、及び、検出素子がエネルギー線を検出していない場合に検出素子に流れる電流Ｉｂに基づいて算出された値より小さい。このような構成によれば、例えば、検出素子からの信号の強度がノイズ許容電圧ＶＮに対応した値より大きくなるように抵抗値Ｒを設定することが可能となり、検出素子からの信号を正常に検出することが可能となる。以上のことから、検出素子の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、上記一側面においては、所定電位は接地電位であって、検出素子と所定電位とを接続するグランド線を更に備え、抵抗値Ｒが、下記の数式（１）；
Figure 2023131411000002
［但し、上記式（１）中、Ｌは、ローレンツ数、Ａは、信号線及びグランド線を合わせた熱抵抗の信号線の熱抵抗に対する比率、を示す］
で示される範囲内に存在する、ことも好適である。このような構成によれば、既知の定数であるローレンツ数Ｌと比率Ａとを基に、ｎ個の検出素子に流入する熱量が冷却器の冷却能力を超えないように抵抗値Ｒの値が設定される。また、上記一側面によれば、検出素子からの信号の強度を、検出素子のエネルギー線を検出した場合にアンプに入力される電圧と検出していない場合にアンプに入力される電圧との電位差として見積もった場合に、検出素子からの信号の強度がノイズ許容電圧を上回るように抵抗値Ｒの値が設定される。これにより、抵抗値Ｒを、検出素子からの信号の強度がノイズ許容電圧を上回り、且つｎ個の検出素子への熱の流入量が冷却器の冷却能力を超えないように設定することが可能となる。したがって、検出素子の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、上記一側面においては、信号線の抵抗値Ｒと、信号線及びグランド線を合わせた熱抵抗の信号線の熱抵抗に対する比率Ａとが、信号線の長さ及びグランド線の長さによって調整されている、ことも好適である。このような構成によれば、抵抗値Ｒ及び熱抵抗の比率Ａを簡易に調整することが可能となる。これにより、簡易な調整により、信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、上記一側面においては、信号線の抵抗値Ｒと、信号線及びグランド線を合わせた熱抵抗の信号線の熱抵抗に対する比率Ａとが信号線の断面積及びグランド線の断面積によって調整されている、ことも好適である。このような構成によれば、抵抗値Ｒ及び熱抵抗の比率Ａを簡易に調整することが可能となる。これにより、簡易な調整により、信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、上記一側面においては、信号線の抵抗値Ｒと、信号線及びグランド線を合わせた熱抵抗の信号線の熱抵抗に対する比率Ａとが、信号線の材質及びグランド線の材質によって調整されている、ことも好適である。このような構成によれば、抵抗値Ｒ及び熱抵抗の比率Ａを簡易に調整することが可能となる。これにより、簡易な調整により信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、上記一側面においては、複数のグランド線は、互いに電気的に接続されており、複数の信号線及び複数のグランド線は、一体化されている、ことも好適である。このような構成によれば、真空容器内部において、信号線及びグランド線を設けるためのスペースをできるだけ小さくすることが可能となり、結果として検出システムの小型化が実現される。
また、上記一側面においては、検出素子によって検出されるエネルギー線は、光子、荷電粒子、及び中性子の少なくとも１つである、ことも好適である。このような構成によれば、光子、荷電粒子、及び中性子によるエネルギー線の少なくとも１つをより精度良く検出することができる。
また、上記一側面においては、検出素子は、超伝導状態でエネルギー線を検出する素子であり、抵抗値Ｒｓは０であること、も好適である。このような構成によれば、検出素子がエネルギー線を検出した場合の信号強度が増大するため、検出素子からの信号の強度がノイズ許容電圧に対応した値より大きくなるような抵抗値Ｒの許容値も増大する。これにより、抵抗値Ｒが取り得る範囲が増大し、エネルギー線検出システムの設計の自由度を向上させることができる。
本発明の一側面によれば、検出素子の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能なエネルギー線検出システムを提供することができる。
実施形態に係るエネルギー線検出システムの概略構成図である。 図１のエネルギー検出システムの回路ユニットの等価回路を示す回路図である。 図１のエネルギー検出システムの作用効果を説明するためのグラフである。 図１のエネルギー検出システムの作用効果を説明するためのグラフである。 図１のエネルギー検出システムの作用効果を説明するためのグラフである。 図１のエネルギー検出システムの作用効果を説明するためのグラフである。 変形例に係るエネルギー線検出システムの回路ユニットの等価回路を示す回路図である。 変形例に係るエネルギー線検出システムの回路ユニットの等価回路を示す回路図である。 変形例に係るエネルギー線検出システムの回路ユニットの等価回路を示す回路図である。 変形例に係るエネルギー線検出システムの概略構成図である。 変形例に係るエネルギー線検出システムの回路ユニットの等価回路を示す回路図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
［エネルギー線検出システムの概要］
図１は、実施形態に係るエネルギー線検出システムの概略構成図である。エネルギー線検出システム１は、エネルギー線を検出するためのシステムであり、例えば微弱光の検出等に用いられるシステムである。エネルギー線検出システム１は、真空容器２、メインステージ３１、サブステージ３２、大気ステージ３３、グランド接続部４、複数の第１接続部５、複数の第２接続部６、及び光ファイバ７によって構成される。
真空容器２は、筐体２０及び冷凍機２１を有する。筐体２０内は、減圧されて真空状態となっている。冷凍機２１は、圧縮機ユニット２２、筐体２０に格納されている第１コールドヘッド（冷却器）２３、及び、圧縮機ユニット２２と第１コールドヘッド２３とを接続しているホース２４を有する。圧縮機ユニット２２は、常温のヘリウムを圧縮して液体ヘリウムを生成する。生成された液体ヘリウムは、ホース２４を介して第１コールドヘッド２３に送られる。第１コールドヘッド２３は、メインステージ３１（後述する）に接触しており、メインステージ３１から熱を吸収して液体ヘリウムに熱を放出する。
冷凍機２１は、筐体２０に格納されている第２コールドヘッド２５、及び、圧縮機ユニット２２と第２コールドヘッド２５とを接続しているホース２６をさらに有する。圧縮機ユニット２２により生成された液体ヘリウムは、ホース２６を介して第２コールドヘッド２５に送られる。第２コールドヘッド２５は、サブステージ３２（後述する）に接触しており、サブステージ３２から熱を吸収して液体ヘリウムに熱を放出する。
メインステージ３１は、筐体２０内部に格納されている。メインステージ３１には、複数の検出素子８２（後述する）が設けられている。メインステージ３１は、第１コールドヘッド２３によって、例えば３Ｋまで冷却されている。また、サブステージ３２は、筐体２０内部に格納されている。サブステージ３２は、第２コールドヘッド２５によって、例えば５０Ｋまで冷却されている。サブステージ３２には、固定治具３２ａが設けられている。大気ステージ３３は、筐体２０の外部で大気圧環境下に配置されている。大気ステージ３３には、複数の信号処理回路８４及び複数の接地電位接続部８８が設けられている。大気ステージ３３の温度は、例えば常温である。なお、接地電位接続部８８は、所定電位に接続しており、本実施形態では所定電位は接地電位である。
グランド接続部４は、複数の第１グランド線４１（グランド線）及び複数の第２グランド線４２を有している。複数の第１グランド線４１は、固定治具３２ａにおいて互いに電気的に接続されている。複数の第２グランド線４２は、固定治具３２ａにおいて互いに電気的に接続されている。グランド接続部４は、検出素子８２と接地電位接続部８８とを接続している。具体的には、第１グランド線４１は、検出素子８２と第２グランド線４２とを接続している。第１グランド線４１と第２グランド線４２とは、固定治具３２ａにおいて互いに接続されている。第２グランド線４２は、第１グランド線４１と接地電位接続部８８とを接続している。なお、本実施形態において、グランド接続部４は、各回路ユニット８（詳細は後述する。）ごとに第１グランド線４１及び第２グランド線４２を有している。
第１接続部５の一方の端部５１は、メインステージ３１に固定されている。第１接続部５の他方の端部５２は、サブステージ３２の固定治具３２ａに固定されている。本実施形態では、第１接続部５は、各回路ユニット８（詳細は後述する。）ごとに設けられている。第１接続部５は、１本の第１信号線８１及び１本の第１グランド線４１を内部に備える。第１接続部５内において、各第１グランド線４１は、第１信号線８１と互いに電気的に絶縁されつつ、第１信号線８１と一体化されている。例えば、第１接続部５は、外部導体である第１グランド線４１に取り囲まれた内部導体である１本の第１信号線８１を含む同軸ケーブルである。
第２接続部６の一方の端部６１は、サブステージ３２の固定治具３２ａに固定されている。第２接続部６の他方の端部６２は、大気ステージ３３に固定されている。本実施形態では、第２接続部６は、各回路ユニット８（詳細は後述する）ごとに設けられている。第２接続部６は、１本の第２信号線８３及び１本の第２グランド線４２を内部に備える。第２接続部６内において、各第２グランド線４２は、第２信号線８３と互いに電気的に絶縁されつつ、第２信号線８３と一体化されている。例えば、第２接続部６は、外部導体である第２グランド線４２に取り囲まれた内部導体である１本の第２信号線８３を含む同軸ケーブルである。
光ファイバ７は、検出対象であるエネルギー線をエネルギー線検出システム１の外部からメインステージ３１内の検出素子８２に導入する。導入されたエネルギー線は、複数の検出素子８２に入射させられる。
回路ユニット８は、メインステージ３１、サブステージ３２、大気ステージ３３、グランド接続部４、第１接続部５及び第２接続部６によって構成されるエネルギー線を検出するための回路である。エネルギー線検出システム１では、ｎ個（ｎは２以上の整数）の回路ユニット８が設けられている。各回路ユニット８は、第１信号線８１、検出素子８２、及び第２信号線８３と、信号処理回路８４内の対応する要素によって構成される。検出素子８２は、第１信号線８１及び第２信号線８３を介して信号処理回路８４に接続されている。第１信号線８１及び第２信号線８３は、固定治具３２ａにおいて互いに接続されている。また、回路ユニット８の数ｎは、エネルギー線検出システム１における検出素子８２の数であり、第１信号線８１の本数であり、第２信号線８３の本数である。なお、ｎは、３０以上であってもよいし、より好ましくは１００以上であってもよい。
図２は、エネルギー線検出システムの回路ユニットの等価回路を示す図である。信号処理回路８４は、アンプ８５、電流源８６、及びシャント抵抗（回路要素）８７を有する。検出素子８２は、第１信号線８１の一方の端子８１ａと接地電位接続部８８との間に接続されている。第２信号線８３の一方の端子８３ａは、第１信号線８１の他方の端子８１ｂに接続されている。信号処理回路８４のアンプ８５は、第２信号線８３の他方の端子８３ｂに接続されている。電流源８６及びシャント抵抗８７は、他方の端子８３ｂと接地電位接続部８８との間に互いに並列に接続されている。つまり、アンプ８５は、第２信号線８３を介して第１信号線８１の他方の端子８１ｂに間接的に接続されていると共に、電流源８６及びシャント抵抗８７は、第２信号線８３を介して第１信号線の他方の端子８１ｂと接地電位接続部８８との間に接続されている。
検出素子８２は、低温状態においてエネルギー線を検出する素子である。検出素子８２は、例えば、超伝導状態においてエネルギー線を検出する素子である。検出素子８２は、例えば、光子を検出する素子である。一例としては、ｎ個の検出素子８２を有する検出器は、超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ：Superconducting Single Photon Detector）である。また、本実施形態では、検出素子８２が、超伝導状態においてエネルギー線を検出する素子である場合、検出素子８２がエネルギー線を検出していない場合の抵抗値Ｒｓ（後述する）は０である。
各回路ユニット８の動作について説明する。図２における回路ユニット８の等価回路では、検出素子８２においてエネルギー線が検出された場合、検出素子８２の抵抗値が変化すると共に検出素子８２に流れる電流が変化する。このとき、電流源８６から発生する電流は一定値であるので、シャント抵抗８７に流れる電流が大きくなる。その結果、アンプ８５に入力される電圧が大きくなる。このように、検出素子８２においてエネルギー線が入射したことが、アンプ８５に入力される電圧の変化として検出される。
［第１信号線８１の抵抗値Ｒの設定］
エネルギー線検出システム１では、回路ユニット８の数ｎが増えるに連れて、第１信号線８１の本数ｎも増える。この場合、複数の検出素子８２への外部からの熱の流入量の総量が増加するため、検出素子８２が動作するために十分な低温状態を確保することができなくなる場合がある。一方、上記の熱の流入量を減少させるために各第１信号線８１の熱抵抗を大きくすることも考えられるが、第１信号線８１の熱抵抗を大きくすると第１信号線８１の抵抗値Ｒも増大するため、検出素子８２から第１信号線８１を伝搬する信号が減衰すると共に当該信号がノイズに埋もれてしまう傾向にある。したがって、エネルギー線検出システム１では、検出素子８２の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となるように、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲が後述する最大値と最小値との間に設定されている。
まず、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最大値は、検出素子８２からの信号の検出可否によって決定される。具体的には、まず、回路ユニット８では、第１信号線８１の抵抗値Ｒが大きいほど、検出素子８２がエネルギー線を検出している場合にアンプ８５への入力電圧Ｖの変化が小さくなり、検出素子８２からの信号が減衰する。このため、第１信号線８１の抵抗値Ｒが大きすぎると、検出素子８２からの信号が入力電圧Ｖのノイズ許容電圧を下回り、当該信号を検出することができなくなる。言い換えると、第１信号線８１の抵抗値Ｒの最大値は、検出素子８２からの信号の強度が入力電圧Ｖのノイズ許容電圧を上回るように設定された抵抗値Ｒのうちの最大値である。
そして、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最小値は、第１コールドヘッド２３の冷却能力及び検出素子８２の動作温度によって決定される。具体的には、第１信号線８１の抵抗値Ｒを小さくすると、第１信号線８１及び第１グランド線４１を含む第１接続部５の熱抵抗が大きくなるため、第１接続部５を介して検出素子８２に流入する熱量が大きくなる。ここで、抵抗値Ｒを小さくしすぎると、ｎ個の検出素子８２に流入する熱の総量が第１コールドヘッド２３の冷却能力を超え、検出素子８２の温度が上昇すると共に検出素子８２が動作しなくなる場合がある。言い換えると、第１信号線８１の抵抗値Ｒの最小値は、ｎ個の検出素子８２に流入する熱の総量が第１コールドヘッド２３の冷却能力を下回るように設定された抵抗値Ｒのうちの最小値である。
［第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最大値の算出］
エネルギー線検出システム１に設定される第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最大値の数値例について詳細に説明する。以下の説明では、図２における回路ユニット８の等価回路において、第１信号線８１の抵抗値をＲ、検出素子８２にエネルギー線を検出していない場合（以下、「検出素子８２がＯＦＦの場合」と表記する）の検出素子８２の抵抗値をＲｓとし、検出素子８２がＯＦＦの場合の検出素子８２に流れる電流（バイアス電流）をＩｂとする。また、検出素子８２がエネルギー線を検出した場合（以下、「検出素子８２がＯＮの場合」とする）の検出素子８２の抵抗値をＲｎとし、検出素子８２がＯＮの場合の検出素子８２に流れる電流（バイアス電流）をＩｂ´とする。また、電流源８６から発生する電流（定常電流）をＩｓ、シャント抵抗８７の抵抗値Ｒｓｈ、アンプ８５に入力される電圧（以下、入力電圧と表記する）をＶとする。なお、信号処理回路８４に、アンプ８５、電流源８６、及びシャント抵抗８７以外の素子等が含まれる場合、当該素子とシャント抵抗８７とを合成して１つの回路要素とする。この場合、シャント抵抗８７の抵抗値Ｒｓｈに代えて、回路要素のインピーダンスＺｓｈが下記の計算に用いられる。
まず、検出素子８２がＯＦＦである場合のバイアス電流Ｉｂ及びＯＮである場合のバイアス電流Ｉｂ´は、以下の式（２－１）のように表される。したがって、検出素子８２がＯＦＦである場合のバイアス電流ＩｂとＯＮである場合のバイアス電流Ｉｂ´との関係は、以下の式（２－２）のように表される。
Figure 2023131411000003
次に、検出素子８２がＯＦＦの場合の入力電圧ＶＯＦＦは、以下の式（３－１）のように表される。また、検出素子８２がＯＮの場合の入力電圧ＶＯＮは、式（２－２）を用いて以下の式（３－２）のように表される。したがって、検出素子８２がＯＦＦの場合とＯＮの場合との間の入力電圧の差分ΔＶは、式（３－１）及び式（３－２）を用いて式（３－３）のように表される。
Figure 2023131411000004
上記の計算結果から、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最大値は次のように表される。具体的には、まず、検出素子８２からの信号が検出される場合とは、式（４―１）のように、上記入力電圧の差分ΔＶがアンプ８５におけるノイズ許容電圧ＶＮを上回る場合である。したがって、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最大値は、式（４－１）に式（３－３）が代入されて整理されることにより算出された式（４－２）で示される範囲の最大値で与えられる。つまり、第１信号線８１の抵抗値Ｒは、ノイズ許容電圧ＶＮ、シャント抵抗８７の抵抗値Ｒｓｈ、検出素子８２がＯＦＦである場合の抵抗値Ｒｓ、検出素子８２がＯＮである場合の抵抗値Ｒｎ、及び、検出素子８２がＯＦＦである場合に検出素子８２に流れるバイアス電流Ｉｂに基づいて算出された値より小さくなるように設定される。なお、ノイズ許容電圧ＶＮは、一般的に、アンプ入力換算ノイズσｎに、予め設定された定数ｍを乗じたもので以下の式（４－３）のように表される。定数ｍの範囲は、エネルギー線の検出において実用的な範囲であればよく、例えば、ｍは、３．０以上６．０以下である。
Figure 2023131411000005
［第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最小値の算出］
エネルギー線検出システム１に設定される第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最小値の数値例について詳細に説明する。以下の説明では、第１接続部５の熱抵抗をＲＴ、第１コールドヘッド２３の冷却能力をＷｃ、第１信号線８１の一方の端子８１ａ側の温度をＴ１、第１信号線８１の他方の端子８１ｂ側の温度をＴ２、第１接続部５の温度をＴとする。なお、Ｔ１は、メインステージ３１の温度でもあり、Ｔ２は、サブステージ３２の温度でもある。
検出素子８２への熱の流入量は、第１接続部５の他方の端部５２から一方の端部５１に流入する熱量である。検出素子８２への熱の流入量は、（Ｔ２―Ｔ１）／ＲＴと算出される。複数の検出素子８２への熱の流入量の合計は、当該流入量に第１接続部５の本数ｎを乗算した数値であり、（Ｔ２―Ｔ１）ｎ／ＲＴと算出される。
ここで、第１接続部５の熱抵抗ＲＴは、複数の検出素子８２に流入する熱の総量が第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃを超えないように設定される必要がある。したがって、第１接続部５の熱抵抗ＲＴが満たすべき条件は、式（５―１）のようになる。ここで、第１接続部５の熱抵抗ＲＴは、ウィーデマンフランツ則に従い、第１信号線８１の抵抗値Ｒに依存する関数として式（５－２）のように表される。但し、下記式（５－２）において、定数Ｌは、ローレンツ数であり、例えば、２．４４×１０－８［ＷΩ/Ｋ2］である。また、Ａは、第１信号線８１及び第１グランド線４１を合わせた熱抵抗の第１信号線８１の熱抵抗に対する比率を示す。
Figure 2023131411000006
従って、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最小値は、式（５－２）を式（５－１）に代入することによって導出される。具体的には、第１接続部５が均一な温度勾配を有するとの仮定の下、第１接続部５の温度Ｔが、（Ｔ２＋Ｔ１）／２であると近似され、近似された結果が式（５－２）に代入され、式（５－２）が式（５－１）に代入されて整理される。これにより、下記式（６）に示すように、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲の最小値が表される。つまり、第１信号線８１の抵抗値Ｒは、第１信号線８１の本数ｎ、第１信号線８１における一方の端子８１ａ側の温度Ｔ１、第１信号線８１における他方の端子８１ｂ側の温度Ｔ２、及び、第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃに基づいて算出された値より大きくなるように設定される。
Figure 2023131411000007
第１信号線８１の抵抗値Ｒが、上記最小値から上記最大値までの範囲に存在する場合（式（４－２）及び式（６）を満たす場合）、検出素子８２が正常に動作する。つまり、第１信号線８１の抵抗値Ｒは、以下の式（７）に示される範囲となる場合、検出素子８２が正常に動作する。
Figure 2023131411000008
例えば、式（７）において、ｎ＝２０００、Ｔ２＝５０Ｋ、Ｒｎ＝１０００Ω、Ｒｓ＝０Ω、Ｒｓｈ＝５０Ω、Ａ＝１０、Ｌ＝２．４４×１０－８ＷΩ／Ｋ２を代入し、更に、Ｔ１＝３Ｋ、Ｗｃ＝０．０５Ｗ、Ｉｂ＝２５μＡ、ＶＮ＝１．０ｍＶを代入すると、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲は、１２．２Ωより大きく２００Ωより小さい範囲となる。
なお、第１信号線８１の抵抗値Ｒは、第１信号線８１の長さ、第１信号線８１の断面積、及び第１信号線８１の材質の少なくともいずれかを変更することにより調整される。熱抵抗の比率Ａは、第１信号線８１の長さ、第１信号線８１の断面積、及び第１信号線８１の材質の少なくともいずれか変更することにより調整される。また、熱抵抗の比率Ａは、第１グランド線４１の長さ、第１グランド線４１の断面積、及び第１グランド線４１の材質の少なくともいずれかを変更することにより調整される。
また、第２信号線８３を介して大気ステージ３３から流入する熱は、サブステージ３２において第２コールドヘッド２５により吸収される。したがって、第２信号線８３の抵抗値が、第１信号線８１、検出素子８２及びシャント抵抗８７の抵抗値よりも十分に小さく設定され、第２信号線８３を介して流入する熱量が増大した場合でも、第２信号線８３を介して流入する熱は第２コールドヘッド２５によって吸収されるため、検出素子８２は正常に動作する。なお、第２コールドヘッド２５の冷却能力は、第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃよりも高い。
以上説明した実施形態に係るエネルギー線検出システム１の作用効果について説明する。
本実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、エネルギー線が筐体２０に格納された検出素子８２に入射すると、検出素子８２から、エネルギー線を検出した入力電圧の差分ΔＶが信号線８１，８３を介して真空容器２の外部の信号処理回路８４のアンプ８５に入力される。ここで、エネルギー線検出システム１では、第１信号線８１の抵抗値Ｒは、第１信号線８１の本数ｎ、第１信号線８１における一方の端子８１ａ側の温度Ｔ１、第１信号線８１における他方の端子８１ｂ側の温度Ｔ２、及び、第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃに基づいて算出された値より大きい。このような構成によれば、例えば、ｎ個の検出素子８２への熱の流入量の総量が第１コールドヘッド２３の冷却能力に対応した値より小さくなるように抵抗値Ｒを設定することが可能となり、各検出素子８２において低温状態が壊れることを抑制することが可能となる。また、本実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、第１信号線８１の抵抗値Ｒは、アンプ８５におけるノイズ許容電圧ＶＮ、シャント抵抗８７の抵抗値Ｒｓｈ、検出素子８２がＯＦＦである場合の抵抗値Ｒｓ、検出素子８２がＯＮである場合の抵抗値Ｒｎ、及び、検出素子８２がＯＦＦである場合に検出素子８２に流れるバイアス電流Ｉｂに基づいて算出された値より小さい。このような構成によれば、例えば、検出素子８２がＯＮである場合とＯＦＦである場合との入力電圧の差分ΔＶ（検出素子８２からの信号の強度）がノイズ許容電圧ＶＮに対応した値より大きくなるように抵抗値Ｒを設定することが可能となり、検出素子からの信号を正常に検出することが可能となる。以上のことから、検出素子８２の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
このように、本実施形態では、検出素子８２の数を増加させた際に検出素子８２が正常に動作するように、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲が、検出素子８２の特性、第１コールドヘッド２３の冷却性能、信号処理回路８４のパラメータから決定されている。これにより、従来よりも検出素子８２の数が多いエネルギー線検出システムにおいても検出素子８２を正常に動作させることができる。例えば、汎用ケーブルでは正常に動作させられない数の検出素子８２が設けられている場合でも、第１信号線８１の抵抗値Ｒを上述したように調整することにより、検出素子８２を正常に動作させることができる。従来よりも検出素子８２の数が多いエネルギー線検出システムとは、例えば、検出素子８２の数が３０個以上のエネルギー検出線システムであってもよいし、より好ましくは検出素子８２の数が１００個以上のエネルギー線検出システムであってもよい。
さらに、本来、入力電圧の差分ΔＶ及び熱抵抗ＲＴ等の複数の目的変数に対して複数の検出素子８２を有する検出器が正常に動作するために必要な条件を規定する必要があるが、本実施形態では、第１信号線８１の抵抗値Ｒという単一の目的変数で、当該条件を規定することができる。言い換えると、複数の検出素子８２を有する検出器自体の特性を変更することなく、第１信号線の抵抗値Ｒのみを調整することで、検出素子８２の数を多く含む検出素子を動作させることができる。
また、本実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、第１グランド線４１が、検出素子８２と接地電位接続部８８とを間接的に接続している。そして、抵抗値Ｒが、下記の数式（７）；
Figure 2023131411000009
［但し、上記式（７）中、Ｌは、ローレンツ数、Ａは、第１信号線８１及び第１グランド線４１を合わせた熱抵抗の第１信号線８１の熱抵抗に対する比率、を示す］
で示される範囲内に存在する。このような構成によれば、既知の定数であるローレンツ数Ｌと比率Ａとを基に、ｎ個の検出素子８２に流入する熱量が第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃを超えないように抵抗値Ｒの値が設定される。また、上記構成によれば、検出素子８２からの信号の強度を、検出素子８２がＯＮである場合とＯＦＦである場合との入力電圧Ｖの差分ΔＶとして見積もった場合に、検出素子８２からの信号の強度がノイズ許容電圧ＶＮを上回るように抵抗値Ｒの値が設定される。これにより、抵抗値Ｒを、検出素子８２からの信号の強度がノイズ許容電圧ＶＮを上回り、且つｎ個の検出素子８２への熱の流入量が第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃを超えないように設定することが可能となる。したがって、検出素子８２の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
図３、図４及び図５を参照して、上記作用効果について詳細に説明する。図３、図４、及び図５は、エネルギー線検出システム１のアンプ８５に入力される入力電圧Ｖの時間変化を示す図である。図３、図４及び図５では、縦軸が入力電圧Ｖを示し、横軸が時間を示す。図３は、第１信号線８１の抵抗値Ｒが下記の式（８－１）に示される範囲に設定された場合の入力電圧Ｖの時間変化を示す。図４は、第１信号線８１の抵抗値Ｒが下記の式（７）に示される範囲に設定された場合の入力電圧Ｖの時間変化を示す。図５は、第１信号線８１の抵抗値Ｒが下記の式（８－２）に示される範囲に設定された場合の入力電圧Ｖの時間変化を示す。
Figure 2023131411000010
図３、図４及び図５では、時間０μｓにおいて検出素子８２にエネルギー線が入射している。図３及び図５では、入力電圧の差分ΔＶを確認することができない。図３に対応するエネルギー線検出システムでは、第１信号線８１から検出素子８２への熱の流入量が第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃを上回るため、検出素子８２における低温状態が壊れてしまい、検出素子８２が正常に動作しなくなっている。また、図５に対応するエネルギー線検出システムでは、検出素子８２からの信号である入力電圧の差分ΔＶが、アンプ８５におけるノイズ許容電圧を下回っている。一方、図４では、抵抗値Ｒが適正値に設定されているため、入力電圧の差分ΔＶを観測可能な状態となっていることが分かる。したがって、第１信号線８１の抵抗値Ｒが式（７）に示される範囲に存在することにより、検出素子８２の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることができることが理解される。
また、別の側面から上記作用効果について説明する。具体的には、第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃ及びバイアス電流Ｉｂがメインステージ３１の温度Ｔ１に依存するとして、入力電圧の差分ΔＶが最大になる抵抗値Ｒを計算し、計算した計算値が式（７）に示される範囲に含まれていることを確認する。なお、上述した第１信号線８１の抵抗値Ｒの設定方法では、第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃ及びバイアス電流Ｉｂがメインステージ３１の温度Ｔ１に依存しないと近似して各計算を行っている。また、以下の計算では、検出素子８２は、超伝導状態でエネルギー線を検出する素子であり、Ｒｓ＝０であるとする。
まず、メインステージ３１への熱の流入量と第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃとが打ち消し合っている場合、第１信号線８１の抵抗値Ｒとメインステージ３１の温度Ｔ１との関係式は式（９）のように表される。つまり、メインステージ３１の温度Ｔ１を、抵抗値Ｒから導出することができる。なお、４Ｋ以下に冷却可能な第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃのメインステージ３１の温度Ｔ1依存性は、一般的に、Ｗｃ＝ａＴ１－ｂと表される。
Figure 2023131411000011
次に、バイアス電流Ｉｂは、検出素子８２の臨界電流Ｉｃに定数Ｃを乗算した数値となる。ＩｃにはＴ１依存性があり、この依存性はギンツブルグ‐ランダウの式として知られている。したがって、バイアス電流Ｉｂは、式（１０）のように表される。つまり、バイアス電流Ｉｂを、メインステージ３１の温度Ｔ１から導出することができる。なお、定数Ｃは、０以上1以下であればよく、例えば０．８である。また、Ｔｃとは、超伝導転移温度である。ここで、ΔＶは、抵抗値Ｒ及びバイアス電流Ｉｂにより、式（３－３）にＲｓ＝０を代入した式（１１）のように表される。以上のことから、入力電圧の差分ΔＶを、抵抗値Ｒから導出することができる。
Figure 2023131411000012
図６は、入力電圧の差分ΔＶと第１信号線８１の抵抗値Ｒとの関係を示す図である。図６では、縦軸が入力電圧の差分ΔＶ、横軸が第１信号線８１の抵抗値Ｒを示す。図６では、式（９）、（１０）、及び（１１）に定数を下記のように代入した場合の関係が示されている。つまり、ｎ＝２０００、Ｔ２＝５０Ｋ、Ｒｎ＝１０００Ω、Ｒｓｈ＝５０Ω、Ａ＝１０、Ｌ＝２．４４×１０－８ＷΩ／Ｋ２、ａ＝０．１Ｗ／Ｋ、ｂ＝０．２５Ｗ、Ｃ＝０．８、Ｔｃ＝６Ｋ、Ｉｃ０＝４．５０×１０―５である。
ここで、入力電圧の差分ΔＶが１ｍＶ以上であれば当該差分ΔＶを検出素子８２からの信号として検出できるとする（ノイズ許容電圧ＶＮ＝１．０ｍＶとする）。このとき、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲は、入力電圧の差分ΔＶが１ｍＶ以上となる範囲であり、例えば１５Ωより大きく１７０Ωより小さい範囲となる。そして、入力電圧の差分ΔＶが最大となる場合の第１信号線８１の抵抗値Ｒの最適値は、５０Ωとなる。
ここで、式（７）において、Ｗｃ＝０．０５Ｗ、Ｉｂ＝２５μＡとすると共に、残りの定数を図６と同様に決定すると、第１信号線８１の抵抗値Ｒの範囲は、１２．２Ωより大きく２００Ωより小さい範囲となる。つまり、本実施形態において近似を用いて導出された式（７）に基づく上記範囲は、第１信号線８１の抵抗値Ｒの上記最適値を含んでいる。したがって、第１信号線８１の抵抗値Ｒが式（７）に示される範囲に存在することにより、検出素子８２の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、本実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、第１信号線８１の抵抗値Ｒと、第１信号線８１及び第１グランド線４１を合わせた熱抵抗の第１信号線８１の熱抵抗に対する比率Ａとが、第１信号線８１の長さ及び第１グランド線４１の長さによって調整されている。このような構成によれば、抵抗値Ｒ及び熱抵抗の比率Ａを簡易に調整することが可能となる。これにより、簡易な調整により、信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、本実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、第１信号線８１の抵抗値Ｒと、第１信号線８１及び第１グランド線４１を合わせた熱抵抗の第１信号線８１の熱抵抗に対する比率Ａとが、第１信号線８１の断面積及び第１グランド線４１の断面積によって調整されている。このような構成によれば、第１信号線８１の本数を変えずに、抵抗値Ｒ及び熱抵抗の比率Ａを簡易に調整することが可能となる。これにより、簡易な調整により、信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、本実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、第１信号線８１の抵抗値Ｒと、第１信号線８１及び第１グランド線４１を合わせた熱抵抗の第１信号線８１の熱抵抗に対する比率Ａとが、第１信号線８１の材質及び第１グランド線４１の材質によって調整されている。このような構成によれば、抵抗値Ｒ及び熱抵抗の比率Ａを簡易に調整することが可能となる。これにより、簡易な調整により、信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、本実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、検出素子８２は、超伝導状態でエネルギー線を検出する素子であり、抵抗値Ｒｓは０であってもよい。このような構成によれば、検出素子８２がエネルギー線を検出した場合の信号強度が増大するため、検出素子８２からの信号の強度がノイズ許容電圧に対応した値より大きくなるような抵抗値Ｒの許容値も増大する。これにより、抵抗値Ｒが取り得る範囲が増大し、エネルギー線検出システム１の設計の自由度を向上させることができる。
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
上記実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、１本の第１信号線８１及び１本の第１グランド線４１が各第１接続部５に含まれており、複数の第１接続部５が設けられていたが、これに限定されない。複数の第１グランド線４１は、互いに電気的に接続されており、複数の第１信号線８１及び複数の第１グランド線４１は、一体化されていてもよい。より詳細には、エネルギー線検出システム１には、第１接続部５が１つのみ設けられており、第１接続部５において、ｎ本の第１信号線８１及び複数の第１グランド線４１が、一体化されていてもよい。例えば、第１接続部５は、ｎ本の第１信号線８１及び複数の第１グランド線４１が一体化されたケーブル又は基板であってもよい。また、例えば、ｎ本の第１信号線８１及び複数の第１グランド線４１を用いて、例えばＦＰＣケーブル等のフレキシブルケーブルのような平面伝送線路を形成形成してもよい。このような構成によれば、真空容器２内部において、第１信号線８１及び第１グランド線４１を設けるためのスペースをできるだけ小さくすることが可能となり、結果として検出システムの小型化が実現される。
また、第１接続部５が１つのみ設けられており、第１接続部５において、ｎ本の第１信号線８１及び複数の第１グランド線４１が一体化されている場合、ＲＴは、第１接続部５の熱抵抗を第１信号線８１の本数ｎで除算した値である。また、定数Ａは、１本の第１信号線８１の熱抵抗と、全てのグランド線の熱抵抗を第１信号線８１の本数ｎで除算した熱抵抗とを合計した熱抵抗の第１信号線８１の熱抵抗に対する比率である。
また、上記実施形態に係るエネルギー線検出システム１では、１本の第２信号線８３及び１本の第２グランド線４２が各第２接続部６に含まれており、複数の第２接続部６が設けられていたが、これに限定されない。複数の第２グランド線４２は、互いに電気的に接続されており、複数の第２信号線８３及び複数の第２グランド線４２は、一体化されていてもよい。より詳細には、エネルギー線検出システム１には、第２接続部６が１つのみ設けられており、第２接続部６において、ｎ本の第２信号線８３及び複数の第２グランド線４２が、一体化されていてもよい。例えば、第２接続部６は、ｎ本の第２信号線８３及び複数の第２グランド線４２が一体化されたケーブル又は基板であってもよい。また、例えば、ｎ本の第２信号線８３及び複数の第２グランド線４２を用いて、例えばＦＰＣケーブル等のフレキシブルケーブルのような平面伝送線路を形成してもよい。このような構成によれば、真空容器２内部において、第２信号線８３及び第２グランド線４２を設けるためのスペースをできるだけ小さくすることが可能となり、結果としてエネルギー線検出システム１の小型化が実現される。
また、上記実施形態では、信号処理回路８４の構成は、アンプ８５、電流源８６、及びシャント抵抗８７を備えていたが、これに限定されない。図７は、本変形例に係る回路ユニット１０８を示す図である。図７に示されるように、回路ユニット１０８の信号処理回路１８４は、電流源８６及び第２信号線８３の他方の端子８３ｂの接続箇所とアンプ８５との間にコンデンサ１８９を有していてもよい。この場合、検出素子８２がＯＦＦである場合に入力電圧が０Ｖとなり、検出素子８２がＯＮである場合に発生する入力電圧Ｖを、入力電圧の差分ΔＶとして検出することができる。
加えて、図８は、本変形例に係る回路ユニット２０８を示す図である。回路ユニット２０８の信号処理回路２８４は、アンプ８５に代えてアンプ２８５を有していてもよい。アンプ２８５は、コンデンサ２８９と、抵抗２９０と、アンプ２９１を有する。コンデンサ２８９は、電流源８６と第２信号線８３の他方の端子８３ｂとの接続箇所に接続されている。アンプ２９１は、コンデンサ２８９に接続されている。抵抗２９０は、アンプ２９１とコンデンサ２８９との接続箇所と、接地電位接続部８８との間に接続されている。この場合、第１信号線８１の抵抗値Ｒの値は、シャント抵抗８７、コンデンサ２８９、及び抵抗２９０を合成したインピーダンスＺｓｈを、シャント抵抗８７の抵抗値Ｒｓｈに置き換えた上で計算された範囲に設定される。
更に、上記変形例では、信号処理回路２８４は、シャント抵抗８７を含んでいなくてもよい。この場合、第１信号線８１の抵抗値Ｒの値は、コンデンサ２８９、及び抵抗２９０を合成したインピーダンスＺｓｈを、シャント抵抗８７の抵抗値Ｒｓｈに置き換えて計算された範囲に設定される。
また、上記実施形態では、回路ユニット８は、第１信号線８１、検出素子８２、第２信号線８３及び信号処理回路８４を有していたが、これに限定されない。図９は、本変形例に係る回路ユニット３０８を示す図である。回路ユニット３０８の信号処理回路３８４は、第２信号線８３の他方の端子８３ｂに直接接続するコイル３９２を有していてもよい。この場合、第１信号線８１と直列の位置にコイル３９２が設けられるため、検出素子８２がＯＮである場合にバイアス電流Ｉｂの変化が遅れる。したがって、検出素子８２における発熱部分が広がり、検出素子８２がＯＮである場合の抵抗値Ｒｎが大きくなるため、入力電圧の差分ΔＶを大きくすることができる。その結果、検出素子８２の数を増加させた際に信号品質を高めつつ正常に動作させることが可能となる。
また、上記実施形態では、エネルギー線検出システム１において、第２コールドヘッド２５、ホース２６、サブステージ３２及び第２接続部６が設けられていなくてもよい。図１０は、本変形例に係るエネルギー線検出システム４０１を示す概略構成図である。図１１は、本変形例に係る回路ユニット４０８の等価回路を示す図である。本変形例に係るエネルギー線検出システム４０１は、真空容器４０２、メインステージ３１、大気ステージ３３、グランド接続部４０４、複数の第１接続部４０５、及び光ファイバ７によって構成される。ｎ個（ｎは２以上の整数）の回路ユニット４０８は、上記実施形態と同様に、メインステージ３１、大気ステージ３３、グランド接続部４０４、及び第１接続部４０５によって構成されるエネルギー線を検出するための回路である。エネルギー線検出システム４０１では、ｎ個（ｎは２以上の整数）の回路ユニット４０８が設けられている。
図１０に示されるように、エネルギー線検出システム４０１は、サブステージ３２及び第２接続部６を有していない。真空容器４０２は、真空容器２と異なり、第２コールドヘッド２５及びホース２６を有していない。グランド接続部４０４は、複数のグランド線４４１を有している。複数のグランド線４４１は、互いに電気的に接続されている。各グランド線４４１は、検出素子８２と接地電位接続部８８とを接続している。なお、本変形例では、グランド接続部４０４は、各回路ユニット４０８ごとにグランド線４４１を有している。
第１接続部４０５の一方の端部４５１は、メインステージ３１に固定されている。第１接続部４０５の他方の端部４５２は、大気ステージ３３に固定されている。本変形例では、第１接続部４０５は、各回路ユニット４０８（詳細は後述する。）ごとに設けられている。第１接続部４０５は、１本の信号線４８０及び１本のグランド線４４１を内部に備える。第１接続部４０５内において、各グランド線４４１は、信号線４８０と互いに電気的に絶縁されつつ、信号線４８０と一体化されている。例えば、第１接続部４０５は、外部導体であるグランド線４４１に取り囲まれた内部導体である１本の信号線４８０を含む同軸ケーブルである。なお、本変形例において、第１接続部４０５は１つのみ設けられていてもよい。この場合、第１接続部４０５において、ｎ本の信号線４８０及び複数のグランド線４４１が一体化されていてもよい。
図１１に示されるように、回路ユニット４０８では、第１信号線４８１及び第２信号線４８３に代えて信号線４８０が設けられる。信号線４８０の一部分は、筐体２０に格納されている。検出素子８２は、信号線４８０の一方の端子４８０ａと接地電位接続部８８との間に接続されている。信号処理回路４８４は、信号線４８０の他方の端子４８０ｂに直接的に接続されている。
第１信号線８１の抵抗値に代えて信号線４８０の抵抗値が抵抗値Ｒとされる。この場合、信号線４８０の抵抗値Ｒの最小値が、第１接続部４０５の熱抵抗をＲＴ、第１コールドヘッド２３の冷却能力をＷｃ、信号線４８０の一方の端子４８０ａ側の温度Ｔ１、信号線４８０の他方の端子４８０ｂ側の温度Ｔ２、第１接続部４０５の温度Ｔを基に計算された値に設定される。なお、Ｔ１は、メインステージ３１の温度であり、Ｔ２は、大気ステージ３３の温度である。
また、上記実施形態では、メインステージ３１と大気ステージ３３との間に複数のステージが設けられていてもよい。この場合、第２コールドヘッド２５等の冷却器が設けられているステージのうち、メインステージ３１に最も近いステージが抵抗値Ｒの設定範囲を決めるサブステージ３２とされる。
また、上記実施形態では、第１信号線８１の抵抗値Ｒを設定したが、第１コールドヘッド２３の冷却能力Ｗｃを設定することにより、検出素子８２が正常に動作するような冷却能力Ｗｃの範囲を規定してもよい。これにより、汎用のケーブルと汎用の冷凍機では正常に動作させられない数の検出素子８２を有する検出器を、第１コールドヘッド２３の冷却能力を上げる事で正常に動作させることができる。
また、上記実施形態では、検出素子８２によって検出されるエネルギー線は、光子であったが、これに限定されない。例えば、検出されるエネルギー線は荷電粒子であってもよい。例えば、検出される荷電粒子は電子であってもよく、複数の検出素子８２を有する検出器は、ＳＳＥＤ（Superconducting Single Electron Detector）であってもよい。また、例えば、検出される荷電粒子はイオンであってもよく、検出器は、ＳＳＩＤ（Superconducting Strip Ion Detector）であってもよい。また、例えば、検出される荷電粒子は陽子であってもよく、検出器はＳＳＩＤの一種である陽子検出器であってもよい。更に、検出されるエネルギー線は、中性子であってもよく、検出器は、中性子検出器であってもよい。このような構成によれば、光子、電子、陽子、中性子、及びイオンによるエネルギー線の少なくとも１つをより精度良く検出することができる。また、上述したように、検出素子８２によって検出されるエネルギー線がＸ線、荷電粒子及び中性子等である場合、光ファイバ７に代えて、エネルギー線透過材料からなる窓材が筐体２０等に設けられていてもよい。
また、上記実施形態では、接地電位接続部８８が接続している所定電位は接地電位であるとしたが、これに限定されない。例えば、接地電位接続部８８が接続している所定電位を接地電位以外の電位としてもよい。この場合、回路ユニット８，１０８，２０８，３０８，４０８は、差動伝送線路となり、各回路ユニット８，１０８，２０８，３０８，４０８において信号が読み出されてもよい。
１…エネルギー線検出システム、２…真空容器、２３…第１コールドヘッド（冷却器）、４１…第１グランド線（グランド線）、８，１０８，２０８，３０８，４０８…回路ユニット、８１…第１信号線（信号線）、８１ａ…一方の端子、８１ｂ…他方の端子、８２…検出素子、８４，１８４，２８４，３８４…信号処理回路、８５，２８５…アンプ、８６…電流源、８７…シャント抵抗（回路要素）、４８０…信号線、４８０ａ…一方の端子、４８０ｂ…他方の端子。

Claims (8)

  1. 冷却器を有する真空容器と、
    少なくとも一部が前記真空容器に格納されている信号線と、前記真空容器に格納され、前記信号線の一方の端子と所定電位との間に接続されており、低温状態においてエネルギー線を検出する検出素子と、前記信号線の他方の端子に直接的あるいは間接的に接続されており、前記真空容器の外部に配置された信号処理回路と、を有するｎ個（ｎは２以上の整数）の回路ユニットと、
    を備え、
    前記信号処理回路は、前記他方の端子に接続されているアンプと、前記他方の端子と前記所定電位との間に互いに並列に接続されている電流源及び回路要素と、を含み、
    前記信号線の抵抗値Ｒは、
    前記信号線の本数ｎ、前記信号線における前記一方の端子側の温度Ｔ１、前記信号線における前記他方の端子側の温度Ｔ２、及び、前記冷却器の冷却能力Ｗｃに基づいて算出された値より大きく、
    前記アンプにおけるノイズ許容電圧ＶＮ、前記回路要素のインピーダンスＺｓｈ、前記検出素子のエネルギー線を検出していない場合の抵抗値Ｒｓ、前記検出素子のエネルギー線を検出した場合の抵抗値Ｒｎ、及び、前記検出素子がエネルギー線を検出していない場合に前記検出素子に流れる電流Ｉｂに基づいて算出された値より小さい、エネルギー線検出システム。
  2. 前記所定電位は接地電位であって、
    前記検出素子と前記所定電位とを接続するグランド線を更に備え、
    前記抵抗値Ｒが、下記の数式（１）；
    Figure 2023131411000013
    ［但し、上記式（１）中、Ｌは、ローレンツ数、Ａは、前記信号線及び前記グランド線を合わせた熱抵抗の前記信号線の熱抵抗に対する比率、を示す］
    で示される範囲内に存在する、請求項１に記載のエネルギー線検出システム。
  3. 前記信号線の前記抵抗値Ｒと、前記信号線及び前記グランド線を合わせた熱抵抗の前記信号線の熱抵抗に対する前記比率Ａとが、前記信号線の長さ及び前記グランド線の長さによって調整されている、請求項２に記載のエネルギー線検出システム。
  4. 前記信号線の前記抵抗値Ｒと、前記信号線及び前記グランド線を合わせた熱抵抗の前記信号線の熱抵抗に対する前記比率Ａとが、前記信号線の断面積及び前記グランド線の断面積によって調整されている、請求項２又は３に記載のエネルギー線検出システム。
  5. 前記信号線の前記抵抗値Ｒと、前記信号線及び前記グランド線を合わせた熱抵抗の前記信号線の熱抵抗に対する前記比率Ａとが、前記信号線の材質及び前記グランド線の材質によって調整されている、請求項２～４のいずれか１項に記載のエネルギー線検出システム。
  6. 複数の前記グランド線は、互いに電気的に接続されており、
    複数の前記信号線及び複数の前記グランド線は、一体化されている、請求項２～５のいずれか１項に記載のエネルギー線検出システム。
  7. 前記検出素子によって検出される前記エネルギー線は、光子、荷電粒子、及び中性子の少なくとも１つである、請求項１～６のいずれか１項に記載のエネルギー線検出システム。
  8. 前記検出素子は、超伝導状態で前記エネルギー線を検出する素子であり、前記抵抗値Ｒｓは０である、請求項１～７のいずれか１項に記載のエネルギー線検出システム。
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