JP4206278B2 - 放射線計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導放射線検出素子を備えた、高いエネルギー分解能で放射線のエネルギーと強度を測定可能な放射線計測装置に関し、特に外部磁場による特性劣化を防ぎ、安定に高エネルギー分解能計測を実現する放射線計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線計測装置は、放射線のエネルギーやその強度を計測する装置である。放射線の種類は、そのエネルギー（波長）によって、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線などに分類される。特に、Ｘ線計測では、荷電粒子線もしくはＸ線を試料表面に照射し、発生する特性Ｘ線を計測し、試料に含まれる元素の定性、定量分析に使用されている。
【０００３】
図８は放射線のエネルギーやその強度を計測する放射線計測装置の一例を示したものであり、放射線検出素子２、信号増幅器３、演算処理装置４で構成される。このような装置において、放射線５が検出素子に照射されると、そのエネルギーの応じた波高値を持つパルスが発生する。信号増幅器３で増幅されたパルスは、演算処理装置４において、波高値に応じて分別し、パルス数をカウントするなどの処理が行われる。
【０００４】
Ｘ線を計測する蛍光Ｘ線分析装置では、検出素子にはシリコンやゲルマニウムを用いた半導体検出素子が使用される。電子線やＸ線を照射された試料から発生した特性Ｘ線が検出素子で検出される。検出素子ではエネルギーに応じた波高値を持つパルスを発生する。信号増幅器３に送られたパルスは、増幅、および、波形整形された後、演算処理される。演算処理装置４では、波高値に応じて分別される。すなわち、エネルギーの大きさに応じて分別され、パルスがカウントされ、エネルギースペクトルが得られる。演算処理装置４で得られたエネルギースペクトルのピークにより、試料の元素や組成を特定することができる。
【０００５】
【非特許文献１】
D. A. Wollman 他、”High-resolution, energy-dispersive microcalorimeter spectrometer for X-ray microanalysis,” J. Microscopy, vol. 188, 196-222(1997)
【０００６】
【非特許文献２】
M. Frank他、“High-resolution X-ray detectors with high speed Squid readout of superconducting tunnel junctions,”Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A370, 41-43 (1996)
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような放射線計測装置の検出素子は、エネルギー分解能が優れていることが重要となる。近年、元素の定性や定量分析の応用において、さらに厳しい検出精度が要求されており、さらに高いエネルギー分解能を持つ検出素子が求められている。
【０００８】
前記のシリコンやゲルマニウムの半導体検出器よりも高いエネルギー分解能を有する、超伝導現象を応用した超伝導放射線検出素子が注目されている。この超伝導放射線検出器には、例えば、D. A. Wollman 他、”High-resolution, energy-dispersive microcalorimeter spectrometer for X-ray microanalysis,” J. Microscopy, vol. 188, 196-222(1997)（非特許文献１）に記載されている温度により超伝導状態と常伝導状態と中間の転移状態を持つ超伝導転移端センサ（Transition Edge Sensor：TES）を用いて外部から放射される放射線により素子内部で発生した熱を抵抗変化に変化し、電流信号として出力するタイプ（超伝導カロリメータ）と、例えば、M. Frank他、“High-resolution X-ray detectors with high speed Squid readout of superconducting tunnel junctions,”Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A370, 41-43 (1996)（非特許文献２）に記載されている超伝導トンネル接合素子（Superconducting Tunnel Junction：STJ）を用いた、直接放射線を電流に変化するタイプがある。
【０００９】
これらの超伝導放射線検出素子は、１Ｋ以下の超低温で動作させる必要がある。また、超伝導現象を利用するため、外部磁場による影響を受けやすい。特に、超伝導転移端センサでは、磁束トラップにより素子に流れる超伝導電流の臨界電流値が変化したり、温度―抵抗変換率が変化するなど、その特性に悪影響を与える。また、超伝導トンネル接合素子では、外部磁場による素子中に磁束量子が細くされ、リーク電流を増加させるなど、その特性に悪影響を与える。そこで、超伝導放射線検出素子を安定に動作させ、高いエネルギー分解能で計測するためには、超低温環境中の検出素子を環境磁気から効果的に遮蔽することが重要となる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の問題点を解決するために、本発明の放射線計測装置では、超伝導放射線検出素子チップを、冷却装置の低温ステージの温度で超伝導状態に転移する超伝導材料からなる磁気遮蔽効果を有する基板上に実装し、低温ステージに設置する構成とする。そして前記磁気遮蔽効果を有する基板は、超伝導材料と、それを被覆する低温ステージの温度で常伝導状態であり、かつ、その超伝導材料より高い熱伝導率を有する材料からなる構成とする。
【００１１】
また、本発明の放射線計測装置では、超伝導検出素子をその内部に納めた状態で低温ステージ上に設置される磁気シールド容器を備え、その磁気シールド容器を高透磁率材料で構成する。そして、磁気シールド容器は、低温ステージの温度で常伝導状態であり、かつ、その超伝導材料より高い熱伝導率を有する材料で被覆される。
【００１２】
また、本発明の放射線計測装置では、環境磁気を測定する磁気検出手段、外部制御系により制御可能な磁場印加手段を備え、超伝導放射線検出素子周辺の磁場から遮蔽する機能を有する。
【００１３】
また、本発明の放射線計測装置では、超伝導放射線検出素子として、温度により超伝導状態と常伝導状態とその中間の転移状態を持つ超伝導転移端センサ（Transition Edge Sensor：TES）を用い、外部から放射される放射線により素子内部で発生した熱を抵抗変化に変換し、電流信号として出力するタイプで構成する。なお、超伝導放射線検出素子には、超伝導トンネル接合素子（Superconducting Tunnel Junction：STJ）を用い、直接放射線を電流に変化するタイプで構成としても良い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例を示す放射線計測装置の構成図である。超伝導放射線検出素子チップ１は冷却装置６に納められている。超伝導放射線検出素子チップ１は、配線するためのパターンが形成される基板８上に固定され、低温ステージ7上に設置される。冷却装置６は真空槽を持つ。低温ステージ７は真空槽内にあり、超伝導放射線検出素子チップ１は熱伝導により冷却される。基板８は、低温ステージの温度で超伝導状態に転移する超伝導材料で構成される。
【００１５】
超伝導放射線検出素子チップは真空槽内に設置された信号増幅器３に接続される。さらに、信号増幅器３の信号は冷却装置６の外に設置される演算処理装置４に送られ、処理される。
【００１６】
超伝導現象を応用した超伝導放射線検出素子は、他の検出器（たとえば、Ｘ線検出素子であるシリコンやゲルマニウムを用いた半導体検出素子）に比べ、エネルギー分解能の点で非常に優れた特性が得られる。超伝導放射線検出素子は、１Ｋ以下の超低温で動作させる必要がある。また、超伝導現象を利用するため、外部磁場による影響を受けやすい。
【００１７】
超伝導放射線検出素子は、温度により超伝導状態と常伝導状態とその中間の転移状態を持つ超伝導転移端センサ（Transition Edge Sensor：TES）を用いて外部から放射される放射線により素子内部で発生した熱を抵抗変化に変換し、電流信号として出力するタイプや、超伝導トンネル接合素子（Superconducting Tunnel Junction：STJ）を用いて直接放射線を電流に変化するタイプで構成する。超伝導転移端センサでは、磁束トラップにより素子に流れる超伝導電流の臨界電流値が変化したり、温度―抵抗変換率が変化するなど、その特性に悪影響を与える。また、超伝導トンネル接合素子では、外部磁場による素子中に磁束量子が細くされ、リーク電流を増加させるなど、その特性に悪影響を与える。本実施例では、超伝導放射線検出素子チップ１を支持する基板８の材質として、超伝導材料を使用するため、検出素子への磁気遮蔽効果を得ることができる。その結果、外部磁場の影響を防ぎ、超伝導放射線検出素子を安定に動作させことができる。
【００１８】
図２は、超伝導放射線検出素子を支持する基板として、超伝導材料を低温ステージの温度で常伝導状態であり、かつ、その超伝導材料より高い熱伝導率を有する材料で被覆した基板を使用した例である。基板８は断面構造を表しており、超伝導放射線検出素子チップ１を固定し、低温ステージ６上にマウントされている様子が示されている。図１に示した冷却装置６は、真空槽内に検出素子を納め、熱伝導で冷却するタイプであり、素子を冷却するための熱伝導率が重要となる。超伝導転移した超伝導材料の熱伝導率が低い。図２に示した基板は、その表面に常伝導状態の材料があるため、良好な熱伝導が得られ、検出素子を安定に冷却することができる。基板を構成する材料として、超伝導材料にはＰｂ、Ａｌ、Ｎｂなどを用い、また常伝導材料として、ＡｕやＣｕなどを用いる。常伝導材料の被覆方法として、バルク材料の貼り付け、スパッタや蒸着による薄膜形成などがある。
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例を示す放射線計測装置の構成図である。超伝導放射線検出素子チップ１は冷却装置６に納められている。超伝導放射線検出素子チップ１は、配線するためのパターンが形成される基板８上に固定され、低温ステージ7上に設置される。冷却装置６は真空槽を持つ。低温ステージ７は真空槽内にあり、超伝導放射線検出素子チップ１は熱伝導により冷却される。超伝導放射線検出素子のチップ１は、磁気シールド容器１１の内部に納めた状態で低温ステージ上に設置される。この磁気シールド容器１１は高透磁率材料を用いて構成される。超伝導放射線検出素子チップ１は真空槽内に設置された信号増幅器３に接続される。さらに、信号増幅器３の信号は冷却装置６の外に設置される演算処理装置４に送られ、処理される。
【００１９】
本実施例では、高透磁率材料の磁気シールド容器を用いるため、検出素子への高い磁気遮蔽効果を得ることができる。その結果、超伝導放射線検出素子を安定に動作させことができる。磁気シールド材料として、低温中で透磁率の低下率が少ないパーマロイを用いると良い。低温中で透磁率の低下率が少ないパーマロイには、株式会社Tokin製TMC-Rなどがある。
【００２０】
図４では、磁気シールド容器１１に放射線入射用窓を設けている。磁気シールド容器１１を高透磁率材料で構成するため、穴からの磁気の漏れが少なく、磁気遮蔽効果を維持したまま、入射用の開口を設けることができる。また、検出素子の設置位置を、シールド容器の中心部としたとき、入射用開口の開口径Dをシールド容器の周囲と中心までの距離R以下とすることで、入射用開口による磁気遮蔽効果の劣化を減少させることができる。
【００２１】
磁気シールド容器１１を図５に示すように多層構造とし、高透磁率材料１６を低温ステージの温度で常伝導状態であり、かつ、その高透磁率材料１６より高い熱伝導率を有数する常伝導材料１０で被覆する。図５に示した磁気シールド容器１１は、その表面に常伝導状態の常伝導材料１１があるため、良好な熱伝導が得られ、検出素子を安定に冷却することができる。被覆材料として、ＡｕやＣｕなどで構成する。被覆方法として、バルク材料の貼り付け、スパッタや蒸着による薄膜形成などがある。
【００２２】
また、図６に示すように，放射線入射用開口を、測定する放射線が透過できる材料および厚みの材料を用いた放射線入射用窓１７で覆うことにより、真空槽内による検出素子への熱輻射を防止し、冷却効率を向上させることできる。熱輻射を防ぐ目的であれば、ＡｕやＣｕの常伝導材料のほか、低温ステージ温度で超伝導状態になる材料（Ａｌなど）でもよい。被覆方法として、箔状やスパッタや蒸着による薄膜形成などがある。
（実施例３）
図７は、本発明の第三実施例を示す放射線計測装置の構成図である。超伝導放射線検出素子チップ１は冷却装置６に納められている。超伝導放射線検出素子チップ１は、配線するためのパターンが形成される基板８上に固定され、低温ステージ７上に設置される。冷却装置６は真空槽を持つ。低温ステージ７は真空槽内にあり、超伝導放射線検出素子チップ１は熱伝導により冷却される。基板８は、低温ステージの温度で超伝導状態に転移する超伝導材料で構成される。超伝導放射線検出素子チップ１は真空槽内に設置された信号増幅器３に接続される。さらに、信号増幅器３の信号は冷却装置６の外に設置される演算処理装置４に送られ、処理される。また、信号増幅器３の信号は冷却装置の外に設置される演算処理装置４に送られ、処理される。その他、環境磁気を測定する磁気検出手段１２と外部磁場制御系１３により制御可能な磁場印加手段１４を備え、超伝導放射線検出素子周辺の磁場を除去する機能を有する。
【００２３】
図７では、環境磁場を測定する磁気検出手段１２は、冷却装置６内に設置している。冷却装置内に設置した場合、高感度磁気センサである超伝導量子干渉素子磁束計を用いて測定することが可能である。この環境磁気を測定する磁気検出手段は冷却装置の外に設置しても良い。また、磁場印加手段として、超伝導検出素子の近傍に印加コイルを設置し、検出磁界に対応した電流をコイルに供給することで、超伝導放射線検出素子周辺の磁場をゼロに近づける。磁場印加手段は、冷却装置の外に設置しても良い。
【００２４】
本実施例では、超伝導放射線検出素子周辺の磁場をゼロに近づけることができるため、検出素子への磁気遮蔽効果を得ることができる。その結果、超伝導放射線検出素子の環境磁場による特性劣化を防ぎ、安定に動作させことができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は，以上説明したような形態で実施され，以下に記載される効果を有する。すなわち、超伝導放射線検出素子のチップを、超伝導材料からなる基板で支持することにより、環境磁場による特性劣化を防ぎ、高いエネルギー分解能を持つ放射線計測装置を構成することができる。
【００２６】
超伝導放射線検出素子を支持する基板を、超伝導材料を低温ステージの温度で常伝導状態であり、かつ、その超伝導材料より高い熱伝導率を有数する材料で被覆することにより、真空チャンバー内に検出素子を納め、熱伝導で冷却するタイプの冷却装置で、良好な熱伝導が得られ、検出素子を安定に冷却することができる。
【００２７】
高透磁率材料による磁気シールド容器を用いることにより、検出素子への磁気遮蔽効果を得ることができ、高いエネルギー分解能を持つ放射線計測装置を構成することができる。
【００２８】
磁気シールド容器を高透磁率材料で構成するため、磁気シールド容器に放射線入射用窓を備えても、磁気の漏れが少なく、磁気遮蔽効果を維持したまま、入射用の開口を設けることができる。
【００２９】
磁気シールド容器に、超伝導材料を低温ステージの温度で常伝導状態であり、かつ、その超伝導材料より高い熱伝導率を有数する材料で被覆することにより、良好な熱伝導が得られ、検出素子を安定に冷却することができる。
【００３０】
環境磁気を測定する磁気検出手段と外部制御系により制御可能な磁場印加手段を備え、超伝導放射線検出素子周辺の磁場を除去することにより、超伝導放射線検出素子周辺の磁場をゼロに近づけることができるため、超伝導放射線検出素子の環境磁場による特性劣化を防ぎ、安定に動作させことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す放射線計測装置の構成図。
【図２】超伝導放射線検出素子チップ用基板。
【図３】本発明の第２の実施例を示す放射線計測装置の構成図。
【図４】放射線入射窓を備えた磁気シールド容器。
【図５】多層構造磁気シールド容器。
【図６】放射線入射窓を備えた磁気シールド容器。
【図７】本発明の第３の実施例を示す放射線計測装置の構成図。
【図８】従来例を示す放射線計測装置。
【符号の説明】
１・・・超伝導放射線素子チップ
２・・・放射線検出素子
３・・・信号増幅器
４・・・演算処理装置
５・・・放射線
６・・・冷却装置
７・・・低温ステージ
８・・・基板
９・・・超伝導材料
１０・・・常伝導材料
１１・・・磁気シールド容器
１２・・・磁気検出手段
１３・・・外部磁場制御系
１４・・・磁場印加手段
１５・・・配線
１６・・・高透磁率材料
１７・・・Ｘ線入射用窓

Claims (1)

1. 低温ステージを有する冷却装置と、
   超伝導現象を応用した超伝導放射線検出素子と、を備え、
   前記超伝導放射線検出素子に入射した放射線のエネルギーと強度を計測する放射線計測装置において、
   前記低温ステージの温度で超伝導状態に転移する超伝導材料と、
   前記低温ステージの温度において常伝導状態であり、かつ前記超伝導材料より高い熱伝導率を有する前記超伝導材料を被覆する材料と、
   からなる基板を有し、
   前記超伝導放射線検出素子と前記低温ステージとが、前記超伝導材料を被覆する材料で接続されていることを特徴とする放射線計測装置。

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