JP2656260B2 - ジョセフソン接合型放射線エネルギー分析器 - Google Patents
ジョセフソン接合型放射線エネルギー分析器Info
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- superconductor
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- radiation energy
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- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
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- Y10S505/873—Active solid-state device
- Y10S505/874—Active solid-state device with josephson junction, e.g. squid
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ジョセフソン接合を用いた放射線のエネ
ルギー分析器に関するものである。
ルギー分析器に関するものである。
第３図は従来放射線（γ線,X線，荷電粒子）のエネル
ギー分析に用いられた半導体分析器である。図に示すよ
うに、ｎ型半導体11−金属13接合部又はｐ型半導体13−
ｎ型半導体11接合部に空乏層12を有している。分析器に
は電圧が加えられ大部分が空乏層12に印加されている。
また空乏層12の厚さは放射線の飛程より大きくなってい
る。
ギー分析に用いられた半導体分析器である。図に示すよ
うに、ｎ型半導体11−金属13接合部又はｐ型半導体13−
ｎ型半導体11接合部に空乏層12を有している。分析器に
は電圧が加えられ大部分が空乏層12に印加されている。
また空乏層12の厚さは放射線の飛程より大きくなってい
る。
次に動作について説明する。
いま、空乏層12内に放射線が入射すると、電子と正孔
が発生し、印加した電場によって電極に集められる。こ
うして収集された電荷量は、入射した放射線のエネルギ
ーＥに比例するため、放射線のエネルギー分析ができ
る。ここでエネルギー分析の分解能を決定する要因を示
すと以下の通りである。
が発生し、印加した電場によって電極に集められる。こ
うして収集された電荷量は、入射した放射線のエネルギ
ーＥに比例するため、放射線のエネルギー分析ができ
る。ここでエネルギー分析の分解能を決定する要因を示
すと以下の通りである。
（ａ） 発生する電子−正孔対の数Ｎの統計誤差Ｎ1/2
によるもの （ｂ） 電子−正孔対生成以外への放射線エネルギー付
与のゆらぎ （ｃ） 熱雑音や検出系特有のゆらぎ このうち（ａ）について見積もる。Siの半導体検出器
を用いると、一つの電子−正孔対生成に要するエネルギ
ーＷは3.6eVであり、Ｅ＝1MeVの放射線を検出したとき
は、およそＮ＝E/W個の電子−正孔対が発生する。この
ときＮの分布がσ＝Ｎ1/2の正規分布であるから、エネ
ルギー分解能ΔＥは半値幅で表すと ΔＥ＝2.36σ・Ｗ＝2.36（EW）1/2＝4KeV …（１） となる。さらに（ｂ），（ｃ）の寄与を考えるとΔＥ＝
10KeV程度が一般的である。つまりΔE/Eは10-2程度であ
る。
によるもの （ｂ） 電子−正孔対生成以外への放射線エネルギー付
与のゆらぎ （ｃ） 熱雑音や検出系特有のゆらぎ このうち（ａ）について見積もる。Siの半導体検出器
を用いると、一つの電子−正孔対生成に要するエネルギ
ーＷは3.6eVであり、Ｅ＝1MeVの放射線を検出したとき
は、およそＮ＝E/W個の電子−正孔対が発生する。この
ときＮの分布がσ＝Ｎ1/2の正規分布であるから、エネ
ルギー分解能ΔＥは半値幅で表すと ΔＥ＝2.36σ・Ｗ＝2.36（EW）1/2＝4KeV …（１） となる。さらに（ｂ），（ｃ）の寄与を考えるとΔＥ＝
10KeV程度が一般的である。つまりΔE/Eは10-2程度であ
る。
従来の放射線エネルギー分析器は以上のように構成さ
れているので以下の問題点があった。
れているので以下の問題点があった。
1. 前記（ａ），（ｂ），（ｃ）の理由により分解能Δ
E/Eは10-2程度である。
E/Eは10-2程度である。
2. 表面障壁や接合を利用しているが、これは温度が上
昇すると劣化しやすい。表面障壁は100℃を越えると、
接合は室温程度で劣化する。そのため熱によるガス出し
や、常温保管ができない。ガス出しは、10-10 Torrとい
った超高真空装置に分析器を取り付けたときには必ず必
要なものである。
昇すると劣化しやすい。表面障壁は100℃を越えると、
接合は室温程度で劣化する。そのため熱によるガス出し
や、常温保管ができない。ガス出しは、10-10 Torrとい
った超高真空装置に分析器を取り付けたときには必ず必
要なものである。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、エネルギー分解能ΔE/Eを小さくできると
ともに、熱によるガス出しや常温保管ができる放射線エ
ネルギー分析器を得ることを目的とする。
れたもので、エネルギー分解能ΔE/Eを小さくできると
ともに、熱によるガス出しや常温保管ができる放射線エ
ネルギー分析器を得ることを目的とする。
この発明に係るジョセフソン接合型放射線エネルギー
分析器は、エネルギー分析のために、超伝導体−絶縁体
−超伝導体構造のジョセフソン接合を用い、ジョセフソ
ン接合の一方の超伝導体のみに接して、放射線が入射す
る、放射線の飛程よりも厚い金属層を設けるとともに、
上記ジョセフソン接合の他方の超伝導体から冷却する冷
却手段を設けたものである。
分析器は、エネルギー分析のために、超伝導体−絶縁体
−超伝導体構造のジョセフソン接合を用い、ジョセフソ
ン接合の一方の超伝導体のみに接して、放射線が入射す
る、放射線の飛程よりも厚い金属層を設けるとともに、
上記ジョセフソン接合の他方の超伝導体から冷却する冷
却手段を設けたものである。
この発明においては、放射線が入射する金属部は、入
射した放射線のエネルギーに比例した数のフォノンを発
生させる。そしてこのフォノンはジョセフソン接合に到
達し、クーパー対を破壊する。これがジョセフソン接合
のＩ−Ｖ特性に変化を起こさせ、外部に電圧変化として
検出される。また、冷却手段はジョセフソン接合の他方
の超伝導体からだけ冷却を行うため、発生したフォノン
はすべて検出される。
射した放射線のエネルギーに比例した数のフォノンを発
生させる。そしてこのフォノンはジョセフソン接合に到
達し、クーパー対を破壊する。これがジョセフソン接合
のＩ−Ｖ特性に変化を起こさせ、外部に電圧変化として
検出される。また、冷却手段はジョセフソン接合の他方
の超伝導体からだけ冷却を行うため、発生したフォノン
はすべて検出される。
〔実施例〕 以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第１図は本発明の一実施例によるジョセフソン接合型
放射線エネルギー分析器を示す図であり、図において、
１は放射線が入射する金属、10は超伝導体２−絶縁体３
−超伝導体４で構成されるジョセフソン接合、５はジョ
セフソン接合を冷却する金属、６は冷却用の液体ヘリウ
ムである。また７はジョセフソン接合10に一定電流をバ
イアスする定電流源、８は電圧の変化を検出する電圧変
化検出手段である。
放射線エネルギー分析器を示す図であり、図において、
１は放射線が入射する金属、10は超伝導体２−絶縁体３
−超伝導体４で構成されるジョセフソン接合、５はジョ
セフソン接合を冷却する金属、６は冷却用の液体ヘリウ
ムである。また７はジョセフソン接合10に一定電流をバ
イアスする定電流源、８は電圧の変化を検出する電圧変
化検出手段である。
ここで放射線が入射する金属１は入射した放射線が全
エネルギーをその中で失うように放射線の飛程より厚く
なっている。
エネルギーをその中で失うように放射線の飛程より厚く
なっている。
次に動作について説明する。
放射線が金属１に入射すると金属１は入射した放射線
により電子を励起されるが、最終的にエネルギーは格子
振動（フォノン）に与えられる。このフォノンが超伝導
体２−絶縁体３−超伝導体４で構成されるジョセフソン
接合10に入射し、クーパー対を破壊する。
により電子を励起されるが、最終的にエネルギーは格子
振動（フォノン）に与えられる。このフォノンが超伝導
体２−絶縁体３−超伝導体４で構成されるジョセフソン
接合10に入射し、クーパー対を破壊する。
第２図はクーパー対が破壊される前後のジョセフソン
接合のＩ−Ｖ特性を示す図である。クーパー対の破壊に
よる準粒子数密度の増加はこの図に示すように、サブギ
ャップ領域における準粒子電流の増加，ギャップの減少
となって現れる。この変化を測定すれば入射フォノンの
信号を得ることができる。本実施例では第２図中の平坦
な部分に定電流バイアスして電圧変化を測定するように
しており、この部分では電圧変化が大きいため、フォノ
ンの入射量を高感度に検出できる。
接合のＩ−Ｖ特性を示す図である。クーパー対の破壊に
よる準粒子数密度の増加はこの図に示すように、サブギ
ャップ領域における準粒子電流の増加，ギャップの減少
となって現れる。この変化を測定すれば入射フォノンの
信号を得ることができる。本実施例では第２図中の平坦
な部分に定電流バイアスして電圧変化を測定するように
しており、この部分では電圧変化が大きいため、フォノ
ンの入射量を高感度に検出できる。
クーパー対を壊すために必要なエネルギーは数meVか
ら数10meVであり、（１）式より、統計誤差によるエネ
ルギー分解能は100eV程度である。従って従来の装置に
比してエネルギー分解能を２桁向上できる。さらに、こ
の測定は最終的にフォノンになったものを測定している
ため、検出もれがなく、従来技術における電子−正孔対
生成以外への放射線エネルギー付与のゆらぎにあらるも
のは存在しない。またジョセフソン接合を利用した検出
は熱雑音が問題とならない程度の低温で行なわれるた
め、従来技術における熱雑音や検出系特有のゆらぎにあ
たるものも小さい。
ら数10meVであり、（１）式より、統計誤差によるエネ
ルギー分解能は100eV程度である。従って従来の装置に
比してエネルギー分解能を２桁向上できる。さらに、こ
の測定は最終的にフォノンになったものを測定している
ため、検出もれがなく、従来技術における電子−正孔対
生成以外への放射線エネルギー付与のゆらぎにあらるも
のは存在しない。またジョセフソン接合を利用した検出
は熱雑音が問題とならない程度の低温で行なわれるた
め、従来技術における熱雑音や検出系特有のゆらぎにあ
たるものも小さい。
また本実施例では、冷却用金属５はジョセフソン接合
からだけ冷却できるように設けられており、これにより
本実施例では発生したフォノンを全て検出することが可
能となる。
からだけ冷却できるように設けられており、これにより
本実施例では発生したフォノンを全て検出することが可
能となる。
さらに本実施例による分析器は温度によって反応しに
くい接合を有するため、熱によるガス出しや常温保管も
できる。
くい接合を有するため、熱によるガス出しや常温保管も
できる。
従って、本実施例装置は超高真空装置に用いることが
でき、実際の検出に際しては本装置の金属部1,超伝導体
2,絶縁体3,超伝導体４の部分は超高真空中（例えば10
-10 Torr）に設置される。これにより金属部１に放射線
が入射して生じた熱は超伝導体２と接する面以外から発
散されることはなく、全て効率良く検出されることとな
る。
でき、実際の検出に際しては本装置の金属部1,超伝導体
2,絶縁体3,超伝導体４の部分は超高真空中（例えば10
-10 Torr）に設置される。これにより金属部１に放射線
が入射して生じた熱は超伝導体２と接する面以外から発
散されることはなく、全て効率良く検出されることとな
る。
なお、本実施例で用いられる金属１の材質と厚さにつ
いては、例えば材質として金（Au）を用いた場合、入射
する放射線エネルギーとその飛程の関係はH.H.アンダー
センらによるザ ストッピング パワー レンジズ オ
ブ イオンズ イン マター（H.H.Andersen and J.F.Z
iegler;The Stopping Power and Ranges of Ions in Ma
tter,ed.J.F.Ziegler（Pergamon.NewYork 1977））より
2000KeVのエネルギーで15μｍの飛程であるので、これ
に基づいて、金属厚は上記の飛程の２倍程度にすればよ
い。そのような厚さにすることにより入射した放射線エ
ネルギーがほぼ完全に熱（フォノン）となるため、検出
精度は向上される。
いては、例えば材質として金（Au）を用いた場合、入射
する放射線エネルギーとその飛程の関係はH.H.アンダー
センらによるザ ストッピング パワー レンジズ オ
ブ イオンズ イン マター（H.H.Andersen and J.F.Z
iegler;The Stopping Power and Ranges of Ions in Ma
tter,ed.J.F.Ziegler（Pergamon.NewYork 1977））より
2000KeVのエネルギーで15μｍの飛程であるので、これ
に基づいて、金属厚は上記の飛程の２倍程度にすればよ
い。そのような厚さにすることにより入射した放射線エ
ネルギーがほぼ完全に熱（フォノン）となるため、検出
精度は向上される。
また、上記実施例では冷却が液体ヘリウムを用いて行
なうものを示したが、これは超伝導体に高温超伝導体を
用いれば液体窒素を用いることもできる。
なうものを示したが、これは超伝導体に高温超伝導体を
用いれば液体窒素を用いることもできる。
〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば放射線エネルギー分
析器において、エネルギー分析のために超伝導体−絶縁
体−超伝導体構造のジョセフソン接合を用い、該ジョセ
フソン接合の一方の超伝導体のみに接して、放射線が入
射する、放射線の飛程よりも厚い金属層を設けるととも
に、上記ジョセフソン接合の他方の超伝導体から冷却す
る冷却手段を設けた構成としたから、エネルギー分解能
ΔE/Eを小さくすることができ、また、熱によるガス出
しや常温保管もできる効果がある。
析器において、エネルギー分析のために超伝導体−絶縁
体−超伝導体構造のジョセフソン接合を用い、該ジョセ
フソン接合の一方の超伝導体のみに接して、放射線が入
射する、放射線の飛程よりも厚い金属層を設けるととも
に、上記ジョセフソン接合の他方の超伝導体から冷却す
る冷却手段を設けた構成としたから、エネルギー分解能
ΔE/Eを小さくすることができ、また、熱によるガス出
しや常温保管もできる効果がある。
第１図はこの発明の一実施例による放射線エネルギー分
析器を示す図、第２図はその動作を説明するための図、
第３図は従来の放射線エネルギー分析器を示す図であ
る。 １は金属、２は超伝導体、３は絶縁体、４は超伝導体、
５は金属、６は液体ヘリウム、７は定電流源、８は電圧
変化検出手段、10はジョセフソン接合。
析器を示す図、第２図はその動作を説明するための図、
第３図は従来の放射線エネルギー分析器を示す図であ
る。 １は金属、２は超伝導体、３は絶縁体、４は超伝導体、
５は金属、６は液体ヘリウム、７は定電流源、８は電圧
変化検出手段、10はジョセフソン接合。
Claims (2)
- 【請求項１】超伝導体−絶縁体−超伝導体で構成される
トンネル接合と、 該トンネル接合の一方の超伝導体にのみ接して設けら
れ、放射線が照射される、放射線の飛程よりも厚い金属
層と、 上記トンネル接合の他方の超伝導体から冷却する冷却手
段とを備えたことを特徴とするジョセフソン接合型放射
線エネルギー分析器。 - 【請求項２】少なくとも上記トンネル接合と上記金属層
は超高真空中に設置されることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のジョセフソン接合型放射線エネルギー
分析器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62219798A JP2656260B2 (ja) | 1987-09-02 | 1987-09-02 | ジョセフソン接合型放射線エネルギー分析器 |
| US07/119,725 US4851680A (en) | 1987-09-02 | 1987-11-12 | Josephson junction type radiation energy analyzer |
| DE19873740174 DE3740174A1 (de) | 1987-09-02 | 1987-11-26 | Strahlungsanalysator mit josephson-uebergang |
| FR888805921A FR2619960B1 (fr) | 1987-09-02 | 1988-05-03 | Analyseur d'energie de radiation a jonction josephson |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62219798A JP2656260B2 (ja) | 1987-09-02 | 1987-09-02 | ジョセフソン接合型放射線エネルギー分析器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6461971A JPS6461971A (en) | 1989-03-08 |
| JP2656260B2 true JP2656260B2 (ja) | 1997-09-24 |
Family
ID=16741199
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62219798A Expired - Lifetime JP2656260B2 (ja) | 1987-09-02 | 1987-09-02 | ジョセフソン接合型放射線エネルギー分析器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4851680A (ja) |
| JP (1) | JP2656260B2 (ja) |
| DE (1) | DE3740174A1 (ja) |
| FR (1) | FR2619960B1 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6528814B1 (en) | 1998-09-16 | 2003-03-04 | The Regents Of The University Of California | Cryogenic, high-resolution x-ray detector with high count rate capability |
| DE19849733A1 (de) * | 1998-10-28 | 2000-05-18 | Csp Cryogenic Spectrometers Gm | Energiedispersive Diffraktometeranordnung |
| DE10007453A1 (de) * | 2000-02-18 | 2001-08-23 | Csp Cryogenic Spectrometers Gm | Detektor mit Absorberisolation |
| JP4747332B2 (ja) * | 2001-06-27 | 2011-08-17 | 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 | 超伝導トンネル接合素子を用いた光子及び放射線及び中性子の検出器、及びイメージ検出器 |
| JP4631102B2 (ja) * | 2002-07-26 | 2011-02-16 | 雅彦 倉門 | 超伝導体放射線センサーシステム |
| FI20080124L (fi) | 2008-02-15 | 2009-08-16 | Teknillinen Korkeakoulu | Läheis-Josephson-ilmaisin |
| JP4941788B2 (ja) * | 2009-05-01 | 2012-05-30 | 雅彦 倉門 | 超伝導体放射線センサーシステム |
| JP5317126B2 (ja) * | 2010-03-05 | 2013-10-16 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | イオン価数弁別高速粒子検出器 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB951072A (en) * | 1961-06-08 | 1964-03-04 | Ass Elect Ind | Improvements relating to radiation detectors |
| DD106476A1 (ja) * | 1973-03-21 | 1974-06-12 | ||
| US4589001A (en) * | 1980-07-09 | 1986-05-13 | Agency Of Industrial Science & Technology | Quasiparticle injection control type superconducting device |
-
1987
- 1987-09-02 JP JP62219798A patent/JP2656260B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1987-11-12 US US07/119,725 patent/US4851680A/en not_active Expired - Fee Related
- 1987-11-26 DE DE19873740174 patent/DE3740174A1/de active Granted
-
1988
- 1988-05-03 FR FR888805921A patent/FR2619960B1/fr not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6461971A (en) | 1989-03-08 |
| DE3740174A1 (de) | 1989-03-16 |
| US4851680A (en) | 1989-07-25 |
| FR2619960B1 (fr) | 1992-02-28 |
| FR2619960A1 (fr) | 1989-03-03 |
| DE3740174C2 (ja) | 1992-12-17 |
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