JP4631102B2

JP4631102B2 - 超伝導体放射線センサーシステム

Info

Publication number: JP4631102B2
Application number: JP2002217812A
Authority: JP
Inventors: 雅彦倉門
Original assignee: 雅彦倉門
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: JP2004061212A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、Ｘ線やγ線、荷電粒子などのいわゆる放射線および赤外光から紫外光のいわゆる光などを測定する放射線センサーシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光子および放射線用の撮像センサーとしては半導体のＣＣＤが広く用いられており、２次元の位置分解能も１０００チャンネル×１０００チャンネルすなわち１００万画素を大きく上回るものも市場に出回っている。
【０００３】
超伝導体を用いた放射線センサーとして超伝導トンネル接合検出器（超伝導単接合検出器）が提案され（応用物理、第５３巻、１９８４年、５３３−５３７ページ）、近年、半導体検出器をはるかに上回るエネルギー分解能が実現されている。しかしながら、１つの超伝導単接合検出器で光子を直接吸収させてそのエネルギーを測定する単接合検出器では、面積が数１００μｍ×数１００μｍ程度と小さいために検出効率が低く、また厚さも数百ｎｍと薄いためにエネルギーが数ｋｅＶ以上の光子に対しては吸収効率が１０％以下と低い。１つのチップ上に超伝導単接合検出器素子を複数設け、それぞれの素子からの信号を測定すれば、検出効率は素子数に比例して向上する。どの素子から信号が発生したかで放射線の入射位置も測定できる。しかしながら、全ての画素からの信号を１つの増幅器で処理できるＣＣＤと異なり、超伝導トンネル接合の場合、素子特性にばらつきがあるそれぞれの素子からの信号を別々に処理しなければならないため、１００チャンネル以上の多素子化は困難である。その上、この方法では吸収効率を向上させることはできないという問題もある。
【０００４】
Ｘ線や荷電粒子のエネルギーを基板で吸収させて非平衡フォノンに変換し、非平衡フォノンを基板表面上に設けた直列に接続した多数の超伝導トンネル接合からなる１つの直列接合で吸収させて信号を発生させる超伝導直列接合検出器では、高検出効率かつ高吸収効率のエネルギー超高分解能光子検出器を実現できる（特許2799036）。また、１つの超伝導直列接合検出器に複数の直列接合を用いることによって、２次元の位置分解能すなわち撮像が可能である（特開H8-262144）。しかしながら、撮像素子では基板上に超伝導トンネル接合のない不感領域を設け、不感領域の周りに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ものであったため、１ｃｍ^２のオーダーの大面積化と半導体ＣＣＤに相当する位置の高分解能化は困難であるという欠点があった。すなわち、不感領域の面積が大きいと非平衡フォノンが直列接合に達するのに時間がかかるのとともにその前に超伝導体中で電子を励起できない熱フォノンとなってしまう割合が多くなってしまい、高感度および高速性が困難になるという欠点があった。
【０００５】
従来、光センサーとしては半導体を用いた光伝導体や光ダイオードなどの半導体光センサーが広く利用されている。半導体光センサーには、光による荷電子帯から伝導体への電子の励起を利用するものと、半導体中に高濃度の不純物を導入し、光による荷電子帯から不純物レベルまたは不純物レベルから伝導体への電子の励起を利用するものの２種類がある。しかしながら、半導体光センサーは、用いる半導体材料のエネルギーギャップの大きさＥｇあるいはエネルギーギャップ中の不純物レベルよりも少しエネルギーの大きい光子に対しては感度が高いものの、それよりエネルギーの大きい光子に対しては上記の電子の励起に必要なエネルギー以上の余剰のエネルギーはフォノンの生成に費やされて信号に寄与しないために感度が低下してしまう。エネルギーギャップの大きさＥｇあるいはエネルギーギャップ中の不純物レベルよりもエネルギーの小さい光子は電子をエネルギーギャップの上に励起できないために、半導体光センサーはそれらよりエネルギーの小さい光子に対しては感度が極めて低い。そのため、広い波長範囲の光を計測するには、何種類もの半導体光センサーが必要となり、感度の波長依存性が大きいために各波長ごとの光の強度の決定には複雑な操作が必要であった。
【０００６】
感度が光の波長に余り依存せず、紫外線から遠赤外線までの測定が可能な光センサーとしてはボロメーターがあるが、光の入射による昇温を測定して光の強度を測定するものであるため、光の非入射時の温度を高精度に制御しなければならず、しかも温度変化を測定するために低速であるという欠点があった。
【０００７】
また、超伝導トンネル接合に光を照射すれば超伝導体中で電子が励起され、励起電子がトンネル効果で信号として取り出せることが知られているが（Japanese Journal of Applied Physics, 28
(1989) L549）、１つの接合で光を直接吸収するために光センサーとしての有効面積が狭い、光を超伝導体で吸収する効率が光の波長に大きく依存し、特に赤外線に対しては反射率が大きくなってしまい、吸収効率が極めて低くなってしまうという欠点がある。
【０００８】
【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、紫外線から赤外線までの広い波長領域の光に対して感度の波長依存性が小さくて高速且つ高感度な光センサーを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
いわゆる光に対しては、超伝導トンネル接合で直接に光子を吸収させるのでなく、単結晶基板表面に設けた超伝導膜などの光吸収膜に光を吸収させ、光子のエネルギーを非平衡フォノンに変換して超伝導直列接合で信号を発生させることにより、紫外線から赤外線までの広い波長領域の光に対して感度の波長依存性が小さく、且つ高速および高感度とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
数１０ｎｍ以下の非常に薄い金属膜は光を殆ど透過してしまうことと、厚い金属膜は光を高い効率で反射してしまうことは良く知られている。光の透過率と反射率がどちらも８０％以下となるように厚さを調整した超伝導薄膜で光を吸収させる。なお、光吸収のための金属膜を超伝導体膜とするのは、エネルギーギャップのない常伝導金属膜からは非平衡フォノンではなく超伝導トンネル接合で電子を励起できない低エネルギーの熱フォノンが放出されやすいからである。単結晶基板表面に設ける光子から非平衡フォノン変換のための光吸収膜は光子から非平衡フォノンへの変換効率が高ければ超伝導膜以外でも良いことはもちろんである。
【００１１】
超伝導体薄膜で吸収させる場合、各光子は超伝導体薄膜中で多数の電子あるいは正孔を励起する。励起電子あるいは正孔は再結合して超伝導電子対を形成して余剰のエネルギーを非平衡フォノンとして放出する。非平衡フォノンは、超伝導体薄膜から基板へと伝搬する。半導体または絶縁体の基板で光を吸収させる場合、光子は半導体中で電子を励起する。励起電子は余剰のエネルギーをフォノンとして放出する。半導体光センサーの場合と異なり、励起電子を電場を利用して外部に信号として取り出すことはしない。そのため、エネルギーギャップの上に緩和した電子は空孔と再結合、または伝導帯から不純物レベルあるいは不純物レベルから荷電子帯へと戻り、エネルギーを非平衡フォノンとして放出して光子によって励起される以前のエネルギー状態へと戻る。上記の基板中の非平衡フォノンは基板の表面に設けたエネルギーギャップの小さい超伝導体で作製された多数の超伝導トンネル接合で吸収され、超伝導トンネル接合中で電子を励起させる。超伝導体のエネルギーギャップは１ｍｅＶ程度あるいはそれ以下と小さいために、非平衡フォノンは電子を効率良く励起することができる（日本物理学会誌、51(1996)425-433）。そのため、上記の過程で放出された非平衡フォノンは超伝導トンネル接合中で電子を効率良く励起することが出来る。なお、いわゆる光を超伝導薄膜あるいは基板で吸収してそのエネルギーを非平衡フォノンに変換する方法では、フォノンを高効率に吸収するために超伝導トンネル接合は直列接合であることは重要であるが、必ずしも複数の超伝導直列接合を用いる必要はない。複数の直列接合を用いた場合には撮像も可能となる。
【００１2】
超伝導直列接合は大面積であって非平衡フォノンの吸収効率が高い、すなわち半導体中の励起電子から放出されたフォノンが熱化される前にそれらを素早く吸収し、そのエネルギーを超伝導体中の励起電子に変換することが出来る。そのため、本発明の光センサーでは光子１個当たり信号電荷が１個のみ得られるのではなく、個々の光子のエネルギーに比例した信号電荷を得ることが出来、光吸収用の超伝導薄膜あるいは光吸収用の基板として用いる半導体のエネルギーギャップあるいは不純物準位よりエネルギーの大きい光子に対してその波長・エネルギーにかかわらず高検出効率の光センサーとなる。しかも、効率は光の波長に殆ど依存しないという利点をもつ。光量をセンサーの温度変化で測定するボロメーターと異なり、熱フォノンではなく非平衡フォノンを利用するため、光への応答速度は1/10000秒程度以下と高速である。
【００１３】
【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。
【００１４】
（実施例１）第１の実施例を図１と図２に示す。サファイア基板１の表面に厚さが約３０ｎｍのＮｂ薄膜を設け、その膜で光を吸収させる。基板上の反対側の面にエネルギーギャップの大きさがＮｂの約半分であるＴａを主要な超伝導体とする１００個の超伝導トンネル接合からなるＴａ系超伝導体直列接合２を設ける。超伝導トンネル接合を光吸収用超伝導体薄膜の超伝導体よりエネルギーギャップの小さい超伝導体で作製したのは、光吸収用超伝体導薄膜から放出されたフォノンを超伝導トンネル接合で効率よく吸収するためである。直列接合は２並列の超伝導トンネル接合を５０個直列に接続したものである。当該光センサーをヘリウム３クライオスタットで約０．３５Ｋに冷却し、波長が１μｍから１０μｍの光を超伝導Ｎｂ薄膜に照射した。接合には、電圧ゼロで流れるジョセフソン電流を抑制するために、接合面に平行に約０．０１テスラの磁場を印加した。波長１０μｍ以下の光子に対して感度の波長による変動は１０％以下であり、感度はＨｇＣｄＴｅ半導体光センサーの約１０ミクロンの光に対するものの３倍以上である。赤外光は、チョッパーを用いて、１０ヘルツから２０００ヘルツで照射したが、感度は周波数に殆ど依存しなかった。波長が約０．８ミクロンの周期的パルスレーザー光に対しては、周波数１０ヘルツから１００ｋヘルツで感度の周波数による変動は１０％以下と小さなものであった。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、基板表面に設けた光の透過率および反射率がともに７０％以下となる超伝導体薄膜などを光吸収体として用い、光によって生成された非平衡フォノンを当該基板上に設けた超伝導直列接合で効率よく収集して電子を励起させ、励起電子をトンネル効果で電気信号に変換することによって、感度が光の波長に殆ど依存せず、かつ高速の高感度放射線センサーが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】１実施例のセンサー素子の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】１実施例のセンサー素子の超伝導トンネル接合側の平面図である。（実施例１）
【符号の説明】
１単結晶基板
２超伝導直列接合
３非平衡フォノン
４光吸収用超伝導体薄膜
５光子
６下部電極
７上部電極
８配線
９ボンディングパッド

Claims

超伝導トンネル接合を用いた放射線センサーシステムにおいて、半導体または絶縁体の単結晶基板の少なくとも１つの表面の上に少なくとも６個の超伝導トンネル接合を直列に接続して構成した超伝導直列接合を設け、かつ前記基板の超伝導直列接合を設けていない少なくとも１つの表面上に光を吸収してフォノンに変換する光吸収体を設けたことを特徴とする超伝導体放射線センサー。
前記光吸収体は光の反射率と透過率がどちらも7０％以下となる膜厚の超伝導体薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導体放射線センサー。