JP3621992B2 - 極低温放射線検出器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、放射線検出器に関する。その中でも、極低温放射線（光、Ｘ線、α、β、γ線、イオン線など）検出器は、従来の半導体検出器に比べて、エネルギー分解能に優れているため、極微量元素分析器のセンサおよび天文用センサとして期待されている。本願発明は、この検出器そのものの高機能化、信号読み出しおよびデータ処理回路等を検出器に付加して性能向上を図った時のチップの冷却を確実に行う事ができるため、上述の分野に適用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導体を用いた放射線および光のセンサ素子は、半導体検出器では達成不可能な高いエネルギー分解能を持つことから、大きな期待がかけられている。この種の素子は、極低温環境で動作し、一般に温度が低いほど性能が向上する特徴をもつ。そのため、特に高精度の検出素子は１Ｋ以下の温度領域が用いられている。
【０００３】
ところが、このような極低温においては、図２に示すように、一般に材料の熱伝導性が急激に下がることが知られている。そのため、シリコンおよび石英等の半導体並びに絶縁体により形成される基板の上に作製される上記センサ素子は、冷却をすることが困難になることがあった。
【０００４】
例えば、図３は、Ｘ線等の検出に用いられる超伝導トンネル接合の断面図の一例であるが、シリコン基板上に超伝導グランドプレーンおよび絶縁層を介して超伝導トンネル接合が集積されている。また、近年では、この素子に磁場供給用の超伝導集積コイルを設置する方法（特願平１１−２１９２８６号）および基板に入射した光子によるフォノンをその上に形成されたセンサで計測する方法（特願２０００−３９４７５７）等、センサ素子に新しい機能を追加して性能を向上させる手法が注目されている。
【０００５】
しかしながら、センサの機能が増えるにつれて素子構造が複雑になり、センサを効率良く冷却することが困難になってきた。図４は、センサをアレイ化したチップを積層化して高機能なセンサシステムを構成したときの図である。このような構造においては一番上のチップを、下面からの熱伝導のみで冷却するのは極めて困難である。また、超伝導素子を構成する超伝導体材料の熱伝導率も一般に小さいため、素子にわずかな熱の発生があると、素子の温度が上昇し、センサ性能の劣化が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、極低温環境においてはシリコン、石英およびサファイア等の基板材料の熱伝導性は、小さいため、また、素子の構造の多層化、複雑化によって、従来の装置においては、十分な冷却が困難になってきていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明においては、検出器チップとヒートシンクが密封収納された容器内に、ヘリウム（分子量４．００２６ｇ／ｍｏｌ、沸点４．２１５Ｋ、密度０．１７８４７ｋｇ／ｍ３）を封入する。ヘリウムは、大気圧において２．１６３Ｋ以下に冷却すると超流動現象を示す。超流動ヘリウムの熱伝導率は、１．８Ｋにおいて銅の１０００倍程度あり、該密封容器内においてヒートシンクと検出器チップ間の熱移動が迅速に行われ、チップが冷却される。
【０００８】
【実施例】
図１は、本願発明の放射線検出器である。同図において、センサ等の素子チップは、気密部分の中に設置される。容器内にはヘリウム４（以下「４Ｈｅ」という。）ガスが封入される。４Ｈｅ ガスは、大気圧の状態で４．２Ｋで液化し、２．１７Ｋ以下の温度で超流動現象を示し、素子チップ表面を覆い大きな熱伝導により素子を冷却することが可能になる。
【０００９】
図５は、４Ｈｅの相図を示したものである。大気圧（０．１ＭＰａ）においては４．２Ｋで気体から液体ヘリウムＩに液化し、２．１７Ｋで超流動を示す液体ヘリウムＩＩに転移する。１Ｋ以下においては、０．００１ＭＰａの低圧力領域でも、超流動液体ヘリウム相のみであることがわかる。超流動液体ヘリウムによる熱伝導性の向上は、気密容器の内壁に１００原子層程度の超流動液体ヘリウムが存在すれば、フィルムフローにより生じることが報告されている。（「超伝導低温工学ハンドブック」、頁：４３、発行所：オーム社、発行年：１９９３年）
【００１０】
そこで、このフィルムフローによる冷却に必要なヘリウムの量Ｗは、容器の容量をＶ、内部の表面積をＳとすると、フィルムとなるヘリウム量Ｗｆと容器内のヘリウム蒸気の量Ｗｇの和で計算することができる。
Ｗ＝Ｗｆ＋Ｗｇ
Ｗｆ＝１００・Ｓ・（Ｍ・ρＬ２／ＮＡ）１／３
Ｗｇ＝Ｖ・ρＧ
ここで、ＮＡ ：アボガドロ定数（６．２３×１０２６ ／Ｋｍｏｌ）
ρＬ ：液体ヘリウム密度 （１４５ Ｋｇ／ｍ３， ４．２Ｋ）
Ｍ ：ヘリウムの分子量 （４．００２６ Ｋｇ／Ｋｍｏｌ）
ρＧ：ヘリウム蒸気密度
【００１１】
図６は、容積Ｖ＝１ｃｍ３、内部表面積Ｓ＝６ｃｍ２の本願発明に係る極低温容器の設計条件例である。同図において、横軸は、冷却温度を示し、縦軸は、冷却温度において超流動冷却に必要となる最小のヘリウム量を３００Ｋにおける圧力に換算してプロットしたものである。同図から、例えば、３００Ｋにおいて極低温容器に１気圧のヘリウムガスを充填したときには、○印で表示した約１．６５Ｋの冷却温度以下において超流動冷却が可能になることが示される。ここでは、容積Ｖ＝１ｃｍ３、内部表面積Ｓ＝６ｃｍ２について示したが、容器内部に、より複雑な構造のチップなどを設置する場合には、内部の表面積が増加するが、図６からは、ヘリウムの充填量を大気圧であれば、内部表面積を５０倍程度にしても超流動冷却できることがわかる。もちろん、ヘリウム充填を加圧して、大気圧以上にすれば、超流動冷却温度の上昇、並びに、内部表面積の増大が可能になる。本発明の極低温容器の材料として熱伝導特性が良好な銅、アルミニウムなどの金属を用い、金属の封止にはインジウムやガリウムなどが用いられる。また、地球磁場がセンサに及ぼす影響を極力小さくするために、ミューメタルなどの高透磁材料で検出容器を被覆することにより、磁気シールドするのが好ましい。
【００１２】
【発明の効果】
本願発明によれば、２Ｋ以下の温度で動作する放射線およびフォトンのセンサチップの冷却を、従来の接触熱伝導で行っていたものを、熱伝導の著しく高い液体ヘリウム（４Ｈｅ）の超流動現象を利用することにより、センサの不安定動作の防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る放射線検出器の概観図
【図２】種々の材料の熱伝導特性図
【図３】超電導トンネル接合の断面図
【図４】アレイ化センサチップを積層化したセンサシステムの構成図
【図５】ヘリウム４の相図（状態図）
【図６】超流動冷却に必要なヘリウムガス充填圧力
【発明の属する技術分野】
本願発明は、放射線検出器に関する。その中でも、極低温放射線（光、Ｘ線、α、β、γ線、イオン線など）検出器は、従来の半導体検出器に比べて、エネルギー分解能に優れているため、極微量元素分析器のセンサおよび天文用センサとして期待されている。本願発明は、この検出器そのものの高機能化、信号読み出しおよびデータ処理回路等を検出器に付加して性能向上を図った時のチップの冷却を確実に行う事ができるため、上述の分野に適用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導体を用いた放射線および光のセンサ素子は、半導体検出器では達成不可能な高いエネルギー分解能を持つことから、大きな期待がかけられている。この種の素子は、極低温環境で動作し、一般に温度が低いほど性能が向上する特徴をもつ。そのため、特に高精度の検出素子は１Ｋ以下の温度領域が用いられている。
【０００３】
ところが、このような極低温においては、図２に示すように、一般に材料の熱伝導性が急激に下がることが知られている。そのため、シリコンおよび石英等の半導体並びに絶縁体により形成される基板の上に作製される上記センサ素子は、冷却をすることが困難になることがあった。
【０００４】
例えば、図３は、Ｘ線等の検出に用いられる超伝導トンネル接合の断面図の一例であるが、シリコン基板上に超伝導グランドプレーンおよび絶縁層を介して超伝導トンネル接合が集積されている。また、近年では、この素子に磁場供給用の超伝導集積コイルを設置する方法（特願平１１−２１９２８６号）および基板に入射した光子によるフォノンをその上に形成されたセンサで計測する方法（特願２０００−３９４７５７）等、センサ素子に新しい機能を追加して性能を向上させる手法が注目されている。
【０００５】
しかしながら、センサの機能が増えるにつれて素子構造が複雑になり、センサを効率良く冷却することが困難になってきた。図４は、センサをアレイ化したチップを積層化して高機能なセンサシステムを構成したときの図である。このような構造においては一番上のチップを、下面からの熱伝導のみで冷却するのは極めて困難である。また、超伝導素子を構成する超伝導体材料の熱伝導率も一般に小さいため、素子にわずかな熱の発生があると、素子の温度が上昇し、センサ性能の劣化が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、極低温環境においてはシリコン、石英およびサファイア等の基板材料の熱伝導性は、小さいため、また、素子の構造の多層化、複雑化によって、従来の装置においては、十分な冷却が困難になってきていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明においては、検出器チップとヒートシンクが密封収納された容器内に、ヘリウム（分子量４．００２６ｇ／ｍｏｌ、沸点４．２１５Ｋ、密度０．１７８４７ｋｇ／ｍ３）を封入する。ヘリウムは、大気圧において２．１６３Ｋ以下に冷却すると超流動現象を示す。超流動ヘリウムの熱伝導率は、１．８Ｋにおいて銅の１０００倍程度あり、該密封容器内においてヒートシンクと検出器チップ間の熱移動が迅速に行われ、チップが冷却される。
【０００８】
【実施例】
図１は、本願発明の放射線検出器である。同図において、センサ等の素子チップは、気密部分の中に設置される。容器内にはヘリウム４（以下「４Ｈｅ」という。）ガスが封入される。４Ｈｅ ガスは、大気圧の状態で４．２Ｋで液化し、２．１７Ｋ以下の温度で超流動現象を示し、素子チップ表面を覆い大きな熱伝導により素子を冷却することが可能になる。
【０００９】
図５は、４Ｈｅの相図を示したものである。大気圧（０．１ＭＰａ）においては４．２Ｋで気体から液体ヘリウムＩに液化し、２．１７Ｋで超流動を示す液体ヘリウムＩＩに転移する。１Ｋ以下においては、０．００１ＭＰａの低圧力領域でも、超流動液体ヘリウム相のみであることがわかる。超流動液体ヘリウムによる熱伝導性の向上は、気密容器の内壁に１００原子層程度の超流動液体ヘリウムが存在すれば、フィルムフローにより生じることが報告されている。（「超伝導低温工学ハンドブック」、頁：４３、発行所：オーム社、発行年：１９９３年）
【００１０】
そこで、このフィルムフローによる冷却に必要なヘリウムの量Ｗは、容器の容量をＶ、内部の表面積をＳとすると、フィルムとなるヘリウム量Ｗｆと容器内のヘリウム蒸気の量Ｗｇの和で計算することができる。
Ｗ＝Ｗｆ＋Ｗｇ
Ｗｆ＝１００・Ｓ・（Ｍ・ρＬ２／ＮＡ）１／３
Ｗｇ＝Ｖ・ρＧ
ここで、ＮＡ ：アボガドロ定数（６．２３×１０２６ ／Ｋｍｏｌ）
ρＬ ：液体ヘリウム密度 （１４５ Ｋｇ／ｍ３， ４．２Ｋ）
Ｍ ：ヘリウムの分子量 （４．００２６ Ｋｇ／Ｋｍｏｌ）
ρＧ：ヘリウム蒸気密度
【００１１】
図６は、容積Ｖ＝１ｃｍ３、内部表面積Ｓ＝６ｃｍ２の本願発明に係る極低温容器の設計条件例である。同図において、横軸は、冷却温度を示し、縦軸は、冷却温度において超流動冷却に必要となる最小のヘリウム量を３００Ｋにおける圧力に換算してプロットしたものである。同図から、例えば、３００Ｋにおいて極低温容器に１気圧のヘリウムガスを充填したときには、○印で表示した約１．６５Ｋの冷却温度以下において超流動冷却が可能になることが示される。ここでは、容積Ｖ＝１ｃｍ３、内部表面積Ｓ＝６ｃｍ２について示したが、容器内部に、より複雑な構造のチップなどを設置する場合には、内部の表面積が増加するが、図６からは、ヘリウムの充填量を大気圧であれば、内部表面積を５０倍程度にしても超流動冷却できることがわかる。もちろん、ヘリウム充填を加圧して、大気圧以上にすれば、超流動冷却温度の上昇、並びに、内部表面積の増大が可能になる。本発明の極低温容器の材料として熱伝導特性が良好な銅、アルミニウムなどの金属を用い、金属の封止にはインジウムやガリウムなどが用いられる。また、地球磁場がセンサに及ぼす影響を極力小さくするために、ミューメタルなどの高透磁材料で検出容器を被覆することにより、磁気シールドするのが好ましい。
【００１２】
【発明の効果】
本願発明によれば、２Ｋ以下の温度で動作する放射線およびフォトンのセンサチップの冷却を、従来の接触熱伝導で行っていたものを、熱伝導の著しく高い液体ヘリウム（４Ｈｅ）の超流動現象を利用することにより、センサの不安定動作の防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る放射線検出器の概観図
【図２】種々の材料の熱伝導特性図
【図３】超電導トンネル接合の断面図
【図４】アレイ化センサチップを積層化したセンサシステムの構成図
【図５】ヘリウム４の相図（状態図）
【図６】超流動冷却に必要なヘリウムガス充填圧力
Claims (2)
- 放射線検出素子を封入した極低温放射線検出器において、該検出器は、極低温容器及び該容器の一部に放射線導入のための入射窓を有し、該容器の内部には該容器外部に延在するヒートシンクが収納されると共に、ヘリウムガスが封入されることを特徴とする極低温放射線検出器。
- 請求項１記載の極低温放射線検出器において、上記容器は磁気シールド材により覆われることを特徴とする極低温放射線検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002224303A JP3621992B2 (ja) | 2002-08-01 | 2002-08-01 | 極低温放射線検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002224303A JP3621992B2 (ja) | 2002-08-01 | 2002-08-01 | 極低温放射線検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004069299A JP2004069299A (ja) | 2004-03-04 |
| JP3621992B2 true JP3621992B2 (ja) | 2005-02-23 |
Family
ID=32012298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002224303A Expired - Lifetime JP3621992B2 (ja) | 2002-08-01 | 2002-08-01 | 極低温放射線検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3621992B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10138353B2 (en) | 2014-03-31 | 2018-11-27 | Dow Global Technologies Llc | Crosslinkable polymeric compositions with N,N,N′,N′,N″,N″-hexaallyl-1,3,5-triazine-2,4,6-triamine crosslinking coagent, methods for making the same, and articles made therefrom |
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|---|---|---|---|---|
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| KR102340828B1 (ko) | 2014-10-23 | 2021-12-17 | 삼성전자주식회사 | 인쇄회로기판 어셈블리 제조 방법 |
-
2002
- 2002-08-01 JP JP2002224303A patent/JP3621992B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10138353B2 (en) | 2014-03-31 | 2018-11-27 | Dow Global Technologies Llc | Crosslinkable polymeric compositions with N,N,N′,N′,N″,N″-hexaallyl-1,3,5-triazine-2,4,6-triamine crosslinking coagent, methods for making the same, and articles made therefrom |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004069299A (ja) | 2004-03-04 |
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