JP3561788B2 - 放射線検出素子および放射線検出器 - Google Patents

放射線検出素子および放射線検出器 Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は放射線検出素子に関するものである。詳しく述べると、本発明はX線、γ線、荷電粒子などの放射線や、赤外線などの光の検出素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
多数の超伝導トンネル接合を基板の上に直列に接続し、放射線の基板への入射によって基板中で発生したフォノンを超伝導トンネル接合で吸収させ、それによって直列の超伝導トンネル接合から信号電荷を取り出し、その電荷の大きさから放射線のエネルギーの大きさを測定する直列超伝導トンネル接合を用いた放射線検出素子(図1)(特願平2−73430)では、多数の超伝導トンネル接合を基板の上のある部分に一様に配置した場合には信号の大きさが放射線の入射位置に大きく依存してしまうために、エネルギー分解能が大きく損なわれてしまうという欠点があった。
【0003】
これは一つには、放射線の入射位置によって信号に寄与するフォノンの割合が異なってしまう、例えばその部分の端のほうに入射した放射線によるフォノンは接合に吸収されずにその部分から散逸してしまう割合が高くなるためである。もう一つの理由としては、放射線の入射位置によってフォノンが主に吸収される接合が異なってくるが、接合の感度の一様性が充分ではないことが考えられる。
【0004】
基板上に超伝導トンネル接合のない不感領域を設け、不感領域のさらに周りには不感領域を取り囲むように1個の直列超伝導トンネル接合を設けた放射線検出素子(図2)(特願平4−150981)では、不感領域の中心の近くで発生したフォノンは不感領域内を拡散し、殆ど全ての接合で同時に吸収されると考えられる。そのため、信号の大きさの放射線入射位置依存性は不感領域のない素子に比べて大幅に低減される。しかしながら、エネルギー高分解能を実現する上ではまだ充分ではなかった。
【0005】
また、図3に示すように、直列超伝導トンネル接合を2つ設けた場合には、横方向の1次元の位置検出能が得られることは知られていたが、縦方向の位置分解能がなく、縦方向の入射位置によって信号の大きさや波形が異なってくるために、横方向の位置分解能も限られていたし、その位置分解能を利用してエネルギー分解能を向上させることも困難であった。
なお、ここでいう直列超伝導トンネル接合とは、特願平2−73430にあるように、1列の直列に接続された接合だけでなく、複数の直列を並列に接続したものも含んでいる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、直列超伝導トンネル接合を用いた放射線検出器のエネルギー分解能を向上させることである。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、上記の課題に加えて、放射線検出器に放射線の基板面内における2次元の入射位置を測定することができる機能を付与することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は以下の手段によって解決できる。
多数の超伝導トンネル接合を基板の上に直列に接続し、放射線の基板への入射によって基板中で発生したフォノンを超伝導トンネル接合で吸収させ、それによって直列の超伝導トンネル接合から信号電荷を取り出し、その電荷の大きさから放射線のエネルギーの大きさを測定する直列超伝導トンネル接合を用いた放射線検出素子において、図4に示すように、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放射線検出素子。
【0008】
上記の素子とそれぞれの直列超伝導トンネル接合からの信号を独立に増幅する手段と、それらの信号の時間差を測定する手段あるいは信号の大きさの比を測定する手段とを備えていることを特徴とする放射線検出器。
【0009】
多数の超伝導トンネル接合を基板の上に直列に接続し、放射線の基板への入射によって基板中で発生したフォノンを超伝導トンネル接合で吸収させ、それによって直列の超伝導トンネル接合から信号電荷を取り出し、その電荷の大きさから放射線のエネルギーの大きさを測定する直列超伝導トンネル接合を用いた放射線検出素子において、図5、図6あるいは図7に示すように、基板上に1個あるいは複数個の超伝導トンネル接合を直列に接続して構成した中心接合を設け、その周りには超伝導トンネル接合のない不感領域を設け、不感領域のさらに周りには不感領域を取り囲むように1個の直列超伝導トンネル接合あるいは独立に作動する複数の直列超伝導トンネル接合を設けたことを特徴とする放射線検出素子。
【0010】
上記の不感領域の周りに複数の直列超伝導トンネル接合を設けた素子と、中心接合およびそれぞれの直列超伝導トンネル接合からの信号を独立に増幅する手段と、それらの信号の時間差を測定する手段あるいは信号の大きさの比を測定する手段とを備えていることを特徴とする放射線検出器。
【0011】
【作用】
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個以上の直列超伝導トンネル接合(直列接合)を設け、それぞれの直列接合からの信号の時間差を計ることにより、それぞれの不感領域に入射した放射線の入射位置を2次元で測定できる。不感領域の周りの直列接合全体あるいは一部の直列接合からの信号と中心接合からの信号との時間差あるいはそれらの信号の大きさの比を計った場合には、入射位置の素子中心からのずれを測定できる。
また、入射位置が測定できるので、信号の大きさの入射位置依存性を入射位置に応じて補正することができ、エネルギー分解能が向上する。
【0012】
より詳しく述べると、例えば図4の素子で、上の直列接合からの信号と下の直列接合からの信号の発生時間を比べれば、放射線が素子中心に入射した場合には放射線によって発生したフォノンは両方の直列接合にほぼ同時に到達するために信号の発生時間はほとんど同時となり、中心より上に入射した場合には上の直列接合からの信号の方が早く発生する。このことを利用して図4の素子での放射線のY軸入射位置を測定できるし、同様の時間差測定を左右の直列接合でも同時に行えばX軸方向の入射位置も測定でき、2次元での入射位置測定ができる。この2次元位置分解能を利用してエネルギー分解能を向上させることができる。エネルギーが一定の放射線を用いて、位置(X,Y)に入射した放射線による全接合からの信号の大きさの和は中心に入射した場合のそれのA(X,Y)倍であるという信号の大きさの和の放射線入射位置依存性を前もって測っておき、実際の測定では入射位置(X,Y)に応じて信号の大きさの和をA(X,Y)で割ることによって、信号の大きさが入射位置に依存してしまうにもかかわらずエネルギーを高精度で測定することができる。
【0013】
例えば図5の素子で、不感領域の周りの直列接合からの信号と中心接合からの信号の時間差およびこれらの信号の大きさの比も入射位置の素子中心からのずれに依存する。不感領域の中心に中心接合を設け、中心接合と不感領域の周りの直列接合からの信号の時間差あるいは大きさの比を計ることにより、対象性の高い素子での放射線の入射位置の素子中心からのずれを精度良く測定することができ、その結果、信号の大きさの入射位置依存性を入射位置に応じてより高精度に補正することができる。
【0014】
【実施例】
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。
いずれの実施例においても、接合は厚さが約400μm、面積が7mm×7mmのサファイア基板上に下部電極としてNb膜の上にAl膜を設け、そのAl膜の表面を酸化してトンネル障壁とし、その上にNb膜を上部電極とする構造とした。放射線としては、 210Poからの5.3MeVのα粒子を用い、基板裏面の素子中心部に照射した。また、基板に平行に磁場を印加し、直流ジョセフソン電流は抑制した。
【0015】
(実施例1)
図4に第1の実施例を示す。3mm×3mmの不感領域の周りに、独立に動作する1mm×4mmの直列接合を4つ作製した。α粒子は不感領域の中心の1mm×1mm領域に裏から照射した。
【0016】
放射線のエネルギーは4つの直列接合からの信号をそれぞれ増幅し、増幅後の信号の大きさを足し合わせることにより測定した。その場合、エネルギー分解能は図2の従来素子と同等であり、約70keVであった。
【0017】
図4で見て上と下、および左と右の直列接合からの信号の時間差を測定することによって、約0.2mmの精度で2次元の入射位置を測定することができた。上と下の直列接合からの信号の時間差は、それぞれの直列接合からの信号を増幅した後で、一方の信号には遅延を掛けて時間差が負とならないようにしておく。遅延を掛けていない方の信号をスタート信号とし遅延をかけた信号をストップとして時間−波高変換器(TAC)に入力することにより、時間差を変換器からの出力の大きさに変換する。左右の直列接合からの信号も別の増幅器と遅延器とTACとで同じように処理する。これらにより面内での入射位置を測定し、同時に各増幅器からの信号の大きさの和も各放射線毎に測定しておく。同様の方法によって前もって測定しておいた信号の大きさの入射位置依存性のデーターを使って各放射線毎の信号の大きさを補正すると、エネルギー分解能は約55keVに向上した。
【0018】
(実施例2)
実施例1の素子と同じ大きさの不感領域の周りの幅1mmの領域に1つの直列接合を設け、不感領域の中心に50μm×50μmの接合を4個直列に接続した中心接合を設けた。中心接合のアース端子は直列接合のそれと共通となっている。図5にその構造を示す。照射した面積等は実施例1と同じである。
【0019】
中心接合と直列接合からの信号の時間差を測定することによって、放射線入射位置の素子中心からのずれを約0.2mmの精度で計ることができた。この場合、2つの増幅器からの信号を処理するだけであるから、時間−波高変換器も1台ですみ、放射線毎に必要なデーターは1つの時間差と直列接合からの信号の大きさだけであり、測定は実施例1の場合より簡単であるという利点があった。ただし、この場合には2次元の位置分解能はない。
【0020】
また、中心接合と直列接合からの信号の大きさの比を測定した場合には、放射線入射位置の素子中心からのずれを約0.1mmの精度で測定することができた。この場合、信号の大きさと入射位置のデーターを同時に測定して入射位置依存性の分を補正すると、エネルギー分解能は約50keVであった。この場合には、放射線毎に必要なデーターは直列接合からの信号と中心接合からの信号だけであり、時間−波高変換器は必要ないという利点もあった。ただし、この場合にも2次元での位置分解能はない。
【0021】
(実施例3)
第3の実施例の素子として、図6に示すように、不感領域の中心に50μm×50μmの中心接合を設けたこと以外は実施例1の素子と同じ素子を作製した。この素子では実施例2とほぼ同じエネルギー分解能と、実施例1とほぼ同じ2次元の入射位置分解能が得られた。
【0022】
(実施例4)
実施例4を図7に示す。不感領域が直径が約3mmの円形に近く、中心接合が直径100μmの円形接合であり、各直列接合が0.6mm×1.25mmの2つの直列からなる素子において、実施例2と同様の手段によって、中心接合からの信号の大きさと4個の直列接合からの信号の大きさの和との比とで直列接合からの信号の大きさを補正すると、この素子でのエネルギー分解能は45keVであった。
4個の直列接合からの信号の時間差を用いて2次元分解能を測定した場合は、位置分解能は約0.1mmであった。
【0023】
【発明の効果】
本発明によれば、基板で吸収された放射線によって発生したフォノンによって不感領域の周りの直列接合から発生する信号と中心接合からの信号との時間差あるいは大きさの比を測定して放射線の入射位置の中心接合位置からのずれを計ることができ、それによって不感領域の周りの直列接合からの信号の大きさの入射位置依存性を補正してエネルギー分解能を高めることができる。
【0024】
また、不感領域の周りに独立に作動する4つ以上の直列接合を設けた場合には、それから発生する信号の時間差から基板面内2次元での放射線の入射位置も測定することができる。
【0025】
なお、中心接合の面積を大きくし過ぎると中心接合で吸収されてしまうフォノンの割合が大きくなることにより、不感領域の周りの直列接合からの信号の大きさが放射線入射位置の素子中心からのずれにあまりにも大きく依存するようになるため、特に中心接合の近傍に入射した放射線の、エネルギーの補正が困難となる。そのため、中心接合の面積は不感領域のそれの10分の1以下であること、あるいは基板の厚さの二乗以下であることが好ましい。
【0026】
また、高い位置分解能を得るためには、不感領域の面積は基板の厚さの二乗の4倍以上であることが好ましい。
用いる基板としてはフォノンが拡散中にエネルギー的に減衰し難いように、サファイアのような絶縁体の単結晶基板、あるいはSiやGaAsといった半導体の単結晶基板、あるいはNbや金といった金属の単結晶基板が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来素子の構造の例である。
【図2】従来素子の構造の例である。
【図3】従来素子の構造の例である。
【図4】本発明の第1の実施例の平面構造図である。
【図5】本発明の第2の実施例の平面構造図である。
【図6】本発明の第3の実施例の平面構造図である。
【図7】本発明の第4の実施例の平面構造図である。
【符号の説明】
1 基板
2 不感領域
3 直列超伝導トンネル接合
4 ボンディングパッド
5 中心接合

Claims (3)

  1. 多数の超伝導トンネル接合を基板の上に直列に接続し、放射線の基板への入射によって基板中で発生したフォノンを超伝導トンネル接合で吸収させ、それによって直列の超伝導トンネル接合から信号電荷を取り出し、その電荷の大きさから放射線のエネルギーの大きさを測定する直列超伝導トンネル接合を用いた放射線検出素子において、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放射線検出素子。
  2. 多数の超伝導トンネル接合を基板の上に直列に接続し、放射線の基板への入射によって基板中で発生したフォノンを超伝導トンネル接合で吸収させ、それによって直列の超伝導トンネル接合から信号電荷を取り出し、その電荷の大きさから放射線のエネルギーの大きさを測定する直列超伝導トンネル接合を用いた放射線検出素子において、基板上に1個あるいは複数個の超伝導トンネル接合を直列に接続して構成した中心接合を設け、その周りには超伝導トンネル接合のない不感領域を設け、不感領域のさらに周りには不感領域を取り囲むように1個の直列超伝導トンネル接合あるいは独立に作動する複数の直列超伝導トンネル接合を設けたことを特徴とする放射線検出素子。
  3. 請求項1の検出素子のそれぞれの直列超伝導トンネル接合からの信号、または請求項2
    の検出素子の中心接合と周りの直列超伝導トンネル接合からの信号、を独立に増幅する手
    段と、各請求項各々の素子におけるそれらの信号の時間差を測定する手段あるいは信号の
    大きさの比を測定する手段とを備えていることを特徴とする放射線検出器
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