JP4314921B2

JP4314921B2 - 放射線検出器

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Publication number: JP4314921B2
Application number: JP2003282307A
Authority: JP
Inventors: 恵品田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2004301818A

Description

本発明は、半導体ウエハ等の不純物検査、微量元素分析、X線蛍光分析その他の検査機器や実験機器等に用いられる放射線検出器に関する。

元素分析に用いられるEPMA(電子プローブマイクロアナライザー)では、試料にX線を照射し、そのエネルギーを吸収した原子が発する特性X線を放射線検出器で検出する。特性X線が原子に特有の波長分散及びエネルギー分散を有することから、特性X線の波長分散又はエネルギー分散を測定することにより、試料が含有する元素及びその組成比を同定することができる。波長分散を測定する波長分散型放射線検出器よりもエネルギー分散を測定するエネルギー分散型放射線検出器の方が取り扱いが容易であるため、エネルギー分散の測定により元素分析が行われることが多い。

エネルギー分散型放射線検出器の１つである、いわゆるマイクロカロリメータ型放射線検出器では、入射した放射線のエネルギーを、常伝導体からなる放射線吸収体で吸収して熱に変換し、該放射線吸収体の温度変化を測定することにより、該放射線のエネルギーを測定する。マイクロカロリメータ型放射線検出器には、例えば特許文献１に記載されているように、放射線吸収体を超伝導体に接続し、該超伝導体が超伝導状態から常伝導状態へ転移したことを検知することによって放射線吸収体の温度上昇を検出する超伝導転移端センサ(TES:Transition edge sensor)を用いたものがある。あるいは、非特許文献１に記載されているように、放射線吸収体をジョセフソン接合の接合部に接続し、ジョセフソン電流の臨界電流値を測定することにより放射線吸収体の温度上昇を検出するものがある。

米国特許第5641961号明細書（FIG. 4） E. J. Tarte他, "アシンメトリモジュレーティドスクイド", スーパーコンダクターサイエンスアンドテクノロジー, (英国), アイオーピーパブリシング, 2000年, 第13巻, 983〜988ページ（E. J. Tarte et al., "Asymmetry modulated SQUIDS", Superconductor Science & Technology, (UK), IOP Publishing Ltd., 2000, vol. 13, p. 983〜988）

図１及び図２を用いて、マイクロカロリメータ型放射線検出器の構成及び動作を説明する。この検出器は、図１の模式図に示すように、放射線吸収体１１と、放射線吸収体１１の温度変化を測定する温度センサ１２(前記TESやジョセフソン接合等が該当)と、放射線吸収体１１に発生した熱を吸収するヒートシンク１４と、放射線吸収体１１からヒートシンク１４へ熱を伝達させる熱伝導体１３から成る。

このような検出器において、放射線吸収体１１に放射線が入射した時の温度センサ１２の出力、即ち放射線吸収体１１の温度の時間変化を図２に示す。時刻t₀に放射線吸収体１１に放射線が入射すると、放射線吸収体１１の温度Tが上昇する。温度Tは、放射線の入射から時間t₁(通常、10〜数10μ秒程度)が経過した時にピーク温度Tmaxをとり、その後下降に転じ、ピーク温度に達してから時間t₂(通常、t₁の５〜１０倍程度)が経過した時に放射線入射前の温度T₀と略同一になる。ピーク温度Tmaxと放射線入射前の温度T₀との差である温度上昇ΔTから、入射した放射線のエネルギーEを求める。

時間t₁経過後の温度下降は、放射線吸収体１１の熱が熱伝導体１３を介してヒートシンク１４に奪われることによる。こうして、温度上昇を検出した後に放射線吸収体１１の温度が放射線入射前の温度T₀に戻ることにより、次の放射線の入射を測定することができる。

ここで、熱伝導体１３の熱コンダクタンス（単位時間に単位面積を通過する単位温度差当たりの熱流量）Gcが大きすぎると、放射線吸収体１１の温度が十分に上昇しないうちに熱がヒートシンク１４に流出する。これは、放射線吸収体１１の温度上昇ΔTを小さくし、エネルギーの検出精度を低下させるため、好ましくない。高いエネルギー検出精度を得るためには、熱伝導体１３の熱コンダクタンスGcが放射線吸収体１１内の熱コンダクタンスGaよりも十分に低い必要がある。

しかし、熱伝導体１３の熱コンダクタンスGcを低くすると、放射線吸収体１１の熱がヒートシンク１４に逃げ難くなるため、時間(t₁+t₂)が長くなる。この時間、即ち放射線が入射してから放射線吸収体１１の温度がT₀と略同一になるまでの時間に次の放射線が入射すると、それにより検出される温度ピークには前に入射した放射線による温度上昇分が足し合わされるため、得られるエネルギー値は実際の値よりも高くなってしまう。そのため、従来の検出器では、時間(t₁+t₂)を不感時間として、この時間に放射線吸収体１１に入射した放射線を検出対象外とせざるを得なかった。これが、マイクロカロリメータ型放射線検出器の検出精度を低下させる原因の１つとなっていた。以上のように、エネルギー検出精度を向上させること(Gcを低くする必要がある)と不感時間を短くすること(Gcを高くする必要がある)を両立させることは困難であった。

本発明の目的とするところは、エネルギー検出精度を低下させることなく、不感時間を短くすることができるマイクロカロリメータ型放射線検出器を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る放射線検出器の第１の態様のものは、
a)検出対象である放射線を吸収する放射線吸収体と、
b)前記放射線吸収体の温度変化を測定して、該温度変化に対応した信号を出力する温度センサと、
c)前記温度センサからの信号を受け、前記放射線吸収体の温度がピークに達した時に冷却開始信号を出力し、前記放射線吸収体の温度が所定の温度に下がった時又は放射線吸収体の温度がピークに達してから所定の時間が経過した時に冷却終了信号を出力する制御手段と、
d)前記放射線吸収体に発生する熱を吸収するヒートシンクと、
e)前記放射線吸収体とヒートシンクとを熱的に接続し、前記冷却開始信号に応じて放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量を増加させ、前記冷却終了信号に応じて放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量を減少させることが可能な熱伝達手段と、
を備え、前記熱伝達手段の少なくとも一部が放射線検出器の動作温度において超伝導状態となる超伝導体を有し、更に該超伝導体の超伝導状態を常伝導状態に転移させる磁場を該超伝導体に印加する磁場生成手段を備えることを特徴とする。

本明細書では、「放射線」には、α線、β線、中性子線、電子線、X線、γ線等の他に、赤外線、可視光線、紫外線を含むものとする。また、本明細書では、物体内の熱伝導や物体間の熱の伝達等、熱の移動を総称して「熱伝達」と呼ぶ。

発明の実施の形態及び効果

本発明に係る放射線検出器の構成を、図３の概念図を用いて説明する。この放射線検出器は、検出対象である放射線を吸収する放射線吸収体１１と、放射線吸収体の温度を測定する温度センサ１２を持つ。これらについては、従来のマイクロカロリメータ型放射線検出器と同様のものを用いることができる。例えば、放射線吸収体１１には、Au(金)やCu(銅)等の常伝導体から成るものを用いることができる。温度センサ１２には、例えば抵抗温度計、TES、ジョセフソン接合を用いたもの等を用いることができる。温度センサ１２は、測定した温度変化に対応した所定の信号を出力する。

制御手段１５は、温度センサが出力する信号に基づいて、後述のように所定のタイミングで冷却開始信号又は冷却終了信号を出力する。

冷却手段１６は、放射線吸収体に放射線の入射により放射線吸収体の温度が上昇してピークに達した時に、この放射線吸収体を冷却するためのものである。この冷却の開始及び終了は、制御手段１５により制御される。なお、従来のマイクロカロリメータ型放射線検出器でも、上記のように熱伝導体とヒートシンクを用いて放射線吸収体を冷却するが、放射線吸収体の温度のピークの前後で同様に冷却を行っている点で、本発明とは異なる。

このような構成を持つ放射線検出器の動作について図４を用いて説明する。時刻t₀において、放射線吸収体１１に放射線が入射すると、放射線吸収体１１の温度Tが放射線入射前の値T₀から上昇し始める。放射線吸収体１１の温度Tがピークに達するまでは、冷却手段１６による放射線吸収体の冷却が行われないため、放射線吸収体１１の温度Tが速やかに上昇する。時刻t₀から時間t₁が経過した時に放射線吸収体１１の温度Tがピークに達する。この時の温度Tmaxから、検量線を用いて入射した放射線のエネルギーを算出することができる。このエネルギーの算出は、制御手段が行うようにしてもよいし、別途そのための手段を設けてもよい。

放射線吸収体１１の温度Tがピークに達した時、制御手段１５は温度センサ１２が出力する信号から温度Tのピークを検知して、冷却開始信号を出力する。冷却開始信号は冷却手段１６に入力される。冷却開始信号に応じて、冷却手段１６は所定の方法により放射線吸収体の冷却を開始する。これにより、放射線吸収体１１の温度が急速に下降する。

放射線吸収体１１の温度Tが所定の温度に下がった時、制御手段１５は冷却終了信号を出力する。この所定の温度は、放射線の吸収前の放射線吸収体１１の温度T₀或いはその近傍の温度とする。冷却手段１６は、冷却終了信号に応じて放射線吸収体１１の冷却を終了する。これにより、放射線検出器は放射線入射前の状態に戻り、次の放射線の入射を検出することができる。ここで、放射線吸収体温度Tがピークとなった時から所定の温度に下がるまでの時間t₂'は通常ほぼ一定であるため、該ピークを検知してから所定の時間が経過した時に冷却を終了するようにしてもよい。

本発明により、以下の効果を得ることができる。上記のように放射線吸収体の温度がピークに達した時に冷却手段が放射線吸収体を冷却することにより、時間t₂'を短縮することができる。これにより、放射線吸収体に放射線が入射してから放射線入射前の状態に戻るまでの時間、即ち不感時間(図４では(t₁+t₂'))を短縮することができる。不感時間を短縮すれば、放射線が不感時間内に放射線吸収体に入射することにより検出されない確率が低下して、検出精度を向上させることができる。

また、本発明では放射線吸収体の温度がピークに達するまでは、冷却手段が放射線吸収体を冷却しないため、ピーク温度Tmaxを十分大きな値とすることができ、十分なエネルギー検出精度を得ることができる。

次に、冷却手段として、ヒートシンクと、熱流量を制御することが可能な熱伝達手段を設けた放射線検出器について説明する。
この放射線検出器の概念図を図５に示す。この放射線検出器では、ヒートシンク１４と熱伝達手段１７から冷却手段を構成している。放射線吸収体１１、温度センサ１２及び制御手段１５については、前記と同様の構成とすることができる。また、ヒートシンク１４には、CuやSi(ケイ素)等から成るものを用いることができる。

熱伝達手段１７は、放射線吸収体１１とヒートシンク１４とを熱的に接続する。ここで、「熱的に接続」とは、放射線吸収体１１からヒートシンク１４に熱が伝達するように接続することを意味する。このような熱伝達手段には、例えば電気的又は磁気的な信号が熱伝達手段に加えられることにより熱コンダクタンスが変化するもの、或いは機械的、電気的又は磁気的に作用を加えることにより熱の伝達をON/OFFするものがある。熱伝達手段の具体例については後述する。

この放射線検出器の動作について、前述の図４を用いて説明する。放射線が放射線吸収体１１に入射すると、放射線吸収体１１の温度Tが上昇する。放射線吸収体１１の温度Tがピークに達する前には、熱伝達手段１７は放射線吸収体１１からヒートシンク１４への熱流量を小さくしておく。これにより、放射線吸収体１１の熱がヒートシンク１４に奪われることが抑制されるため、放射線吸収体１１の温度Tが速やかに上昇する。前記と同様に、放射線吸収体のピーク温度Tmaxから、入射した放射線のエネルギーを求める。制御手段１５は、温度センサ１２より出力される信号から放射線吸収体温度Tのピークを検知した時、冷却開始信号を出力する。この冷却開始信号に対応して、熱伝達手段１７は所定の方法により放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量を増加させる。これにより、放射線吸収体１１の温度が急速に下降する。放射線吸収体１１の温度Tが所定の温度になった時、それを検知した制御手段１５は冷却終了信号を出力する。この冷却終了信号に対応して、熱伝達手段１７は所定の方法により放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量を減少させる。これにより、放射線検出器は放射線入射前の状態に戻り、次の放射線の入射を検出することができる。ここで、熱流量を減少させるタイミングは、前記と同様に、放射線吸収体温度Tのピークを検知してから所定の時間が経過した時としてもよい。

ピーク温度Tmaxを高くしてエネルギー検出精度を高くすることと、時間t₂'を短くして不感時間を短くすることは、前記のように従来のマイクロカロリ型放射線検出器では両立させることが困難であった。それに対して本発明では、熱伝達手段により放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量を上記のように制御することにより、これら両者を両立させることが可能になる。

次に、熱伝達手段の具体的な構成について、２つの構成例を挙げて説明する。
第１の構成例は、熱伝達手段として、放射線検出器の動作温度において超伝導状態となる超伝導体を用いたものである。そして、この超伝導体の超伝導状態を常伝導状態に転移させる磁場を印加する磁場生成手段を設ける。磁場生成手段は、例えば、コイルと該コイルに電流を供給する電流供給手段から構成される。

超伝導体では、超伝導状態の場合よりも、磁場により超伝導状態が破壊された常伝導状態の場合の方が、同一温度における熱伝導率が一般に数桁大きい。例えば、超伝導体がSn(スズ)の場合、温度0.3K付近において、超伝導状態の場合よりも常伝導状態の場合の方が熱伝導率が３桁程度大きい。これは、超伝導状態ではクーパー対が熱伝達に寄与せず、主にフォノンが熱伝導に寄与するのに対して、常伝導状態では伝導電子がフォノンよりも数桁大きく熱伝導に寄与するためである。

第１構成例の熱伝達手段を有する放射線検出器の動作について説明する。放射線が入射して放射線吸収体の温度が上昇する間は、磁場生成手段は放射線吸収体に磁場を印加しない。この時、熱伝達手段は超伝導状態にある。そのため、放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量が十分に小さく抑えられる。放射線吸収体の温度がピークに達した時、磁場生成手段は熱伝達手段に磁場を印加する。この磁場の値は、前記のように、熱伝達手段の超伝導体を超伝導状態から常伝導状態に転移させることができる値である。これにより、熱伝達手段の超伝導体の熱伝導率がそれまでの値よりも数桁大きい値に変化するため、放射線吸収体の熱はヒートシンクに急速に奪われ、放射線吸収体の温度は急速に下降する。こうして、放射線吸収体の温度が放射線吸収前の温度の近傍に素早く戻り、不感時間を短くすることができる。放射線吸収体温度が所定の温度まで下降するか、又は前記と同様に温度のピークを検知してから所定の時間が経過した時、磁場生成手段による磁場の印加を停止する。

熱伝達手段は、超伝導体のみで構成しても、一部のみを超伝導体で構成しても、いずれにせよ、熱伝達手段全体が伝達する熱量を磁場の印加により制御することができる。そのため、熱伝達手段はこれらのいずれの構成としてもよい。

次に、熱伝達手段の第２の構成例について説明する。
第２の構成例は熱伝達手段としてNIS接合冷却素子を設けたものである。NIS接合冷却素子は、常伝導体から成る常伝導端子と、放射線検出器の動作温度において超伝導状態となる超伝導端子との間に絶縁体薄膜を挟んだ構造を有する。このNIS接合冷却素子については、Nahumらにより報告されている(N. Nahum et al., "Electronic Micro-Refrigerator Based on a Normal-Insulator-Superconductor Tunnel Junction" , Applied Physics Letters, (US), American Institute of Physics, 1994, vol. 65, p. 3123)。このNIS素子の常伝導端子を放射線吸収体に、超伝導端子をヒートシンクに、それぞれ熱的に接続する。更に、常伝導端子と超伝導端子との間にバイアス電圧を印加するための電圧印加手段を接続する。

放射線検出器の動作温度において、下記のようなバイアス電圧を印加しない時には、NIS素子の超伝導端子の熱伝導率が小さいため、NIS素子はほとんど熱を輸送しない。しかし、常伝導端子と超伝導端子との間にバイアス電圧を印加すると、常伝導端子から超伝導端子へ電子が移動し、この電子が熱を輸送する。Nahumらによる上記文献には、バイアス電圧(0.18mV)の印加により常伝導端子の温度を100mK(マイクロカロリメータ型放射線検出器の通常の動作温度に相当)から85mKに低下させることができることが報告されている。このように、NIS素子は、バイアス電圧のON/OFFにより、熱流量を制御することができる。

第２構成例の熱伝達手段を有する放射線検出器の動作について説明する。放射線が入射して放射線吸収体の温度が上昇する間は、NIS素子にバイアス電圧を印加しない。そのため、放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量が十分に小さく抑えられる。放射線吸収体の温度がピークに達した時、電圧印加手段はNIS素子に所定の大きさのバイアス電圧を印加する。これにより、上記のように常伝導端子から超伝導端子へ熱が輸送され、放射線吸収体の熱はヒートシンクに急速に奪われ、放射線吸収体の温度は急速に下降する。こうして、放射線吸収体の温度が放射線吸収前の温度の近傍に素早く戻り、不感時間を短くすることができる。放射線吸収体温度が所定の温度まで下降するか、又は前記と同様に温度のピークを検知してから所定の時間が経過した時、バイアス電圧の印加を停止する。

放射線吸収体は常伝導端子と同じ材料を用いて、両者を一体のものとすることが望ましい。このような構成とすることにより、放射線吸収体と常伝導端子との接続部における熱の輸送効率の低下を防ぐことができるうえに、放射線吸収体と常伝導端子を同時に製造することができるという利点が得られる。

第２の構成例では、NIS素子に流れる小さなトンネル電流以外には、検出器自体に熱の発生源がない。そのため、検出器の温度が上昇してエネルギー検出精度が低下することがない。また、放射線検出器を複数個並べてアレイ化する場合に、隣接する放射線検出器に影響を及ぼすことなく放射線吸収体からヒートシンクに伝達する熱量の制御を行うことができるという利点を有する。

本発明に係る放射線検出器の第１実施例について、図６を用いて説明する。本実施例は、上記の超伝導体による熱伝達手段を用いた放射線検出器の一例を示すものである。

この放射線検出器は、検出対象の放射線を吸収する薄板状の放射線吸収体２１を有する。放射線吸収体２１は本実施例ではAuから成る。放射線吸収体２１の厚さは、放射線吸収時の温度の立ち上がりを速くするためには薄い方が望ましいが、薄すぎると放射線が放射線吸収体にエネルギーを与えることなく通過してしまうため、これらを考慮して適切に設定する。放射線吸収体２１の下部に接するように温度センサ２２を設ける。本実施例では、温度センサ２２はGe(ゲルマニウム)製半導体抵抗温度計であり、温度測定のための端子を２つ有する。この２つの端子にそれぞれ、熱伝達手段となる線状の超伝導体２３の一端を接続する。超伝導体２３の材料には、この放射線検出器の動作温度である0.1Kにおいて超伝導状態となるAl(アルミニウム)を用いる。Al以外に、Sn、Pb(鉛)等を用いてもよい。これにより、放射線吸収体２１と超伝導体２３とは、温度センサ２２を介して熱的に接続される。

ヒートシンク２４はSiから成り、放射線入射側に凹部２４１を有する。２つの超伝導体２３をそれぞれ、凹部２４１の相対する内側面の上寄りに取り付ける。放射線吸収体２１及び温度センサ２２は凹部２４１内に浮いた状態で、２つの超伝導体２３のみにより支えられる。これにより、放射線吸収体２１及び温度センサ２２は超伝導体２３以外からは熱的に絶縁される。

制御部２６は、超伝導体２３に接続され、温度センサ２２が出力する温度の信号を受信する。ここで、超伝導体２３は上記のように熱伝達手段であると共に、温度センサ２２からの信号を制御部２６に取り出すためのリード線を兼ねる。

ヒートシンク２４の外周部に、導体を円筒状に巻いたコイル２５を設ける。このコイル２５は、電流を供給することにより、凹部２４１内の超伝導体２３に磁場を印加するためのものである。また、コイル２５には、該コイルに電流を供給する電流供給部２７を接続する。この電流供給部２７は、制御部２６からの信号を受信するために、制御部２６に接続される。

次に、第１実施例の放射線検出器の動作について説明する。まず、冷凍機(図示省略)により、放射線検出器を動作温度である0.1Kに冷却する。この時、コイル２５には電流が供給されず、超伝導体２３に磁場が印加されないため、超伝導体２３は超伝導状態にある。

放射線吸収体２１に放射線が入射すると、放射線吸収体２１はその放射線のエネルギーを吸収して温度が上昇する。この温度上昇を温度センサ２２により測定する。放射線吸収体２１の温度がピークに達するまでは、超伝導体２３の超伝導状態が維持される。超伝導状態では常伝導状態にある時よりも熱伝導率が小さいため、放射線吸収体２１からヒートシンク２４への熱の流出が抑制される。これにより、適切なピーク温度Tmax及び立ち上がり時間t₁を得ることができる。このピーク温度Tmaxと放射線入射前の温度T₀との差である温度上昇ΔTから、入射した放射線のエネルギーEが求められる。

制御部２６は、温度センサ２２が出力する温度の信号により放射線吸収体２１の温度がピークに達したことを検知すると、電流供給部２７に冷却開始信号を出力する。この信号を受けた電流供給部２７は、コイル２５に電流を供給する。ここで供給される電流の大きさは、コイル２５が超伝導体２３の超伝導状態を常伝導状態に転移させることができるだけの大きさである。これにより、超伝導体２３は超伝導状態から常伝導状態に転移する。そして、超伝導体２３の熱伝導率が大きくなり、放射線吸収体２１からヒートシンク２４へ熱が急速に流出する。そのため、放射線吸収体２１の温度を短時間で放射線入射前の温度近傍まで下降させることができる。

放射線吸収体２１の温度が放射線入射前の温度近傍の所定値に戻った時、制御部２６は冷却終了信号を電流供給部２７に出力する。この信号を受信した電流供給部２７はコイル２５への電流の供給を停止する。超伝導体２３は常伝導状態から超伝導状態に転移し、再び超伝導体２３の熱伝導率が小さい状態、即ち放射線吸収体２１からヒートシンク２４への熱の流出が抑制された状態になる。こうして、放射線吸収体２１の温度、超伝導体２３の熱伝導率は共に、次の放射線の検出が可能な状態となる。

本実施例では、上記のように放射線吸収体２１及び温度センサ２２は超伝導体２３以外からは熱的に絶縁されるため、放射線の入射により放射線吸収体２１に生じる熱が外部に漏洩せずに放射線吸収体２１の温度上昇に十分活かされる。

本発明に係る放射線検出器の第２実施例について、図７〜８を用いて説明する。図７は本実施例の放射線検出器の断面図、図８はその平面図である。本実施例の放射線検出器の熱伝達手段は、第１実施例と同様に超伝導体から成るが、その構造が第１実施例とは異なる。

この放射線検出器は、第１実施例と同様にAuから成る放射線吸収体３１を有する。放射線吸収体３１の下部に接するように、Mo(モリブデン)とCuの合金(Mo-Cu合金)から成る薄膜状の温度センサ３２を設ける。温度センサ３２の両端にAl製のプリント配線から成る端子３８１及び３８２を接続する。

温度センサ３２は、上記のTES型の温度センサである。Mo-Cu合金は、超伝導転移温度が0.1Kである超伝導体であるが、この転移温度よりもわずかに低い温度で放射線検出器を動作させる。従って、放射線検出器の動作中にMo-Cu合金の温度がわずかでも上昇すると、Mo-Cu合金は超伝導状態から常伝導状態に転移してその電気抵抗が急激に変化する。これを利用して、放射線吸収体３１の温度変化を測定する。

温度センサ３２の下部に接するように、熱伝達手段となる超伝導体薄膜３３を設ける。超伝導体薄膜３３の面積は温度センサ３２の面積よりも大きくし、その材料にはこの放射線検出器の動作温度において超伝導状態となるAl, Ti(チタン), Mo等を用いる。この構成により、放射線吸収体３１と超伝導体薄膜３３とは、温度センサ３２を介して熱的に接続される。

超伝導体薄膜３３の下部に、Siから成るヒートシンク３４を設ける。ヒートシンク３４の中央には貫通孔３４１を設け、この貫通孔３４１の直上に放射線吸収体３１及び温度センサ３２を配置する。この構成により、温度センサ３２とヒートシンク３４との間の熱コンダクタンスを、温度センサの直下にヒートシンクが存在する場合よりも低くすることができる。

図８に示すように、超伝導体薄膜３３の上に、貫通孔３４１の直上の領域を取り囲むようにコイル３５を設ける。このコイル３５は、超伝導体薄膜３３の上にコイルの配線のパターンで薄膜を積層することにより作製することができる。コイル３５の材料には、Nb、Al等の超伝導体やAu、Ag、Cu等の常伝導体を用いる。また、コイルの配線の厚みや幅は、過剰な発熱を伴わずに磁場を発生させることができるように選定する。コイル３５と、超伝導体薄膜３３及び端子３８１、３８２との間には、絶縁体薄膜３９を設けて、両者の間を電気的に絶縁する。

端子３８１及び３８２に制御部３６を接続する。また、コイル３５に電流供給部３７を接続する。第１実施例の場合と同様に、電流供給部３７は、制御部３６が検知する温度センサ３２の信号に応じてコイル３５への電流の供給をON/OFFする。この電流がコイル３５へ供給されると、超伝導体薄膜３３のうちコイル３５に囲まれた領域が超伝導状態から常伝導状態に転移する。

第２実施例の放射線検出器の動作は第１実施例の場合と同様である。なお、第２実施例の場合、磁場の印加によりAl製の端子３８１及び３８２も超伝導状態から常伝導状態に転移するため、これらの端子も放射線吸収体３１からヒートシンク３４への熱の流入の制御に寄与する。

本発明に係る放射線検出器の第３実施例について、図９及び図１０を用いて説明する。図９は本実施例の放射線検出器の断面図、図１０はその斜視図である。本実施例は、上記NIS素子による熱伝達手段を用いた放射線検出器の一例を示すものである。

この放射線検出器は、Au製の放射線吸収体４１を有する。放射線吸収体４１の下部に接するように、Mo(モリブデン)とCuの合金(Mo-Cu合金)から成る薄膜状の温度センサ４２を設ける。この温度センサは第２実施例の温度センサ３２と同様のTES型のものである。温度センサ４２の両端に、Alから成る電極４８を接続する。

これらの温度センサ４２及び電極４８は、Si製のヒートシンク４４と、その表面に積層したSi₃N₄製の低熱コンダクタンス層４９から成る基板上に配置される。低熱コンダクタンス層４９は、温度センサ４２からヒートシンク４４に直接熱が伝わることを防ぐ。低熱コンダクタンス層４９の一部には欠損４９２が設けられ、そこではヒートシンク４４が基板表面に露出する。更に、ヒートシンク４４には、温度センサ４２の直下に貫通孔４４１が設けられる。従って、温度センサ４２の直下にはヒートシンク４４がないため、温度センサ４２からヒートシンク４４への熱の流出が抑制される。

放射線吸収体４１及び温度センサ４２にNIS接合冷却素子４３を接続する。NIS接合冷却素子４３は、放射線吸収体４１及び温度センサ４２に近い側から順に、Au製の常伝導端子４３１、AlOx(酸化アルミニウム)製の絶縁体薄膜４３２、Al製の超伝導端子４３３を接合したものである。超伝導端子４３３は、上記低熱コンダクタンス層４９に設けた欠損４９２の上に設けられ、これによりヒートシンク４４と直接接触する。常伝導端子４３１は、放射線吸収体４１及び温度センサ４２の双方に直接接触する。そのため、後述のように放射線吸収体４１及び温度センサ４２を冷却する際に、これらの双方からNIS接合冷却素子４３が直接熱を奪うため、冷却効率がよい。また、本実施例では常伝導端子４３１を放射線吸収体４１と同じ材料としたため、両者を一体のものとして同時に製造することができ、放射線吸収体４１と常伝導端子４３１との境界で熱コンダクタンスが低下することを防ぐことができる

電極４８に、温度センサ４２が出力する信号を検知する制御部４６を接続する。常伝導端子４３１及び超伝導端子４３３に、バイアス電圧印加部４７を接続する。バイアス電圧印加部４７は、制御部４６からの所定の信号に応じて、NIS接合冷却素子４３の常伝導端子４３１−超伝導端子４３３間に印加するバイアス電圧をON/OFFするものである。

第３実施例の放射線検出器の動作について説明する。まず、冷凍機(図示省略)により、放射線検出器を動作温度である0.1Kに冷却する。

放射線吸収体４１に放射線が入射すると、放射線吸収体４１の温度が上昇し、放射線入射から立ち上がり時間t₁が経過した時にピーク温度Tmaxに達する。この間には、NIS接合冷却素子４３にはバイアス電圧が印加されない。そのため、放射線吸収体４１及び温度センサ４２からヒートシンク４４への熱の流出が抑制される。これにより、適切なピーク温度Tmax及び立ち上がり時間t₁を得ることができる。上記２つの実施例と同様に、ピーク温度Tmaxと放射線入射前の温度T₀との差である温度上昇ΔTから、入射した放射線のエネルギーEが求められる。

制御部４６は、温度センサ４２が出力する信号により放射線吸収体４１の温度がピークに達したことを検知すると、バイアス電圧印加部４７に冷却開始信号を出力する。この信号を受けたバイアス電圧印加部４７がNIS接合冷却素子４３に所定のバイアス電圧(通常、数mV)を印加する。これにより、常伝導端子４３１−超伝導端子４３３間にトンネル電流が流れ、常伝導端子４３１に接する放射線吸収体４１及び温度センサ４２の熱が、超伝導端子４３３に接するヒートシンク４４に急速に流出する。こうして、放射線吸収体４１及び温度センサ４２の温度が短時間で放射線入射前の温度近傍まで下降する。

放射線吸収体４１の温度が放射線入射前の温度近傍の所定値に戻った時、制御部４６は冷却終了信号をバイアス電圧印加部４７に出力する。この信号を受信したバイアス電圧印加部４７はNIS接合冷却素子４３への電圧印加を停止する。これにより、再び放射線吸収体４１及び温度センサ４２からヒートシンク４４への熱の流出が抑制され、次の放射線の入射を測定することができるようになる。

本発明に係る放射線検出器の第４実施例の斜視図を図１１に示す。本実施例は、TES型の温度センサの代わりにジョセフソン接合による温度センサ５２を用いている点以外は、第３実施例の放射線検出器と同様の構造を有する。そのため、図１１では、第３実施例と同じ構成のものについては、第３実施例と同じ符号を付した。

温度センサ５２は、常伝導体５２１を超伝導体５２２及び５２３で挟んだジョセフソン接合を有する。また、常伝導体５２１は放射線吸収体４１に接続される。本実施例では放射線吸収体４１、常伝導体５２１と常伝導端子４３１は一体の物として作製される。また、超伝導体５２２、超伝導体５２３と超伝導端子４３３は、本実施例では同じ材料から成る。作製時にこれらを基板上に同時に積層することができるため、製造工程を短縮することができる。この温度センサ５２では、常伝導体５２１をトンネルして超伝導体５２２と超伝導体５２３との間に電流(ジョセフソン電流)が流れる。放射線吸収体４１の温度の上昇に伴い常伝導体５２１の温度が上昇するとジョセフソン電流の大きさが変化するため、この電流変化を測定することにより、放射線吸収体４１の温度変化を測定することができる。

第４実施例の検出器の動作は、上記の温度センサ５２の動作を除いて、第３実施例の場合と同様である。

従来のマイクロカロリメータ型放射線検出器の構成を示す概念図。従来のマイクロカロリメータ型放射線検出器における放射線吸収体の温度変化を示すグラフ。本発明の放射線検出器の構成を示す概念図。本発明の放射線検出器における放射線吸収体の温度変化を示すグラフ。ヒートシンクと、熱流量を制御することが可能な熱伝達手段を設けた放射線検出器の構成を示す概念図。本発明に係る放射線検出器の第１実施例を示す断面図。本発明に係る放射線検出器の第２実施例を示す断面図。本発明に係る放射線検出器の第２実施例を示す平面図。本発明に係る放射線検出器の第３実施例を示す断面図。本発明に係る放射線検出器の第３実施例を示す斜視図。本発明に係る放射線検出器の第４実施例を示す斜視図。

符号の説明

１１、２１、３１、４１…放射線吸収体
１２、２２、３２、４２、５２…温度センサ
１３…熱伝導体
１４、２４、３４、４４…ヒートシンク
２３…超伝導体
２４１…凹部
２５、３５…コイル
２６、３６、４６…制御部
２７、３７…電流供給部
３３…超伝導体薄膜
３４１、４４１…貫通孔
３９…絶縁体薄膜
４３…NIS接合冷却素子
４３１…常伝導端子
４３２…絶縁体薄膜
４３３…超伝導端子
４７…バイアス電圧印加部
４８…電極
４９…低熱コンダクタンス層
５２１…常伝導体
５２２、５２３…超伝導体

Claims

a)検出対象である放射線を吸収する放射線吸収体と、
b)前記放射線吸収体の温度変化を測定して、該温度変化に対応した信号を出力する温度センサと、
c)前記温度センサからの信号を受け、前記放射線吸収体の温度がピークに達した時に冷却開始信号を出力し、前記放射線吸収体の温度が所定の温度に下がった時又は放射線吸収体の温度がピークに達してから所定の時間が経過した時に冷却終了信号を出力する制御手段と、
d)前記放射線吸収体に発生する熱を吸収するヒートシンクと、
e)前記放射線吸収体とヒートシンクとを熱的に接続し、前記冷却開始信号に応じて放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量を増加させ、前記冷却終了信号に応じて放射線吸収体からヒートシンクへの熱流量を減少させることが可能な熱伝達手段と、
を備え、前記熱伝達手段の少なくとも一部が放射線検出器の動作温度において超伝導状態となる超伝導体を有し、更に該超伝導体の超伝導状態を常伝導状態に転移させる磁場を該超伝導体に印加する磁場生成手段を備えることを特徴とする放射線検出器。
前記磁場生成手段が、コイルと、該コイルに電流を供給する電流供給手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
前記超伝導体が前記温度センサから信号を取り出すリード線を兼ねることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出器。