JP4669996B2 - 中性子検出装置及び中性子イメージングセンサ - Google Patents
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Description
本願に係る中性子検出装置の用途としては、例えば、中性子回折を用いて物質の構造を解析するために用いる場合等がある。この用途にあっては、低強度の中性子源を用いて長時間の観測を行うとき、時間分解能は低くても検出感度の高い中性子検出装置が必要になる。また、高強度の中性子源を用いて短時間の観測を行うとき、中性子源自体が高強度であることから検出感度が低くても良く、時間分解能が高い中性子検出装置が必要になる。
この構成によれば、例えばシリコン基板等を前記基材として用いることで、同一基材上に半導体製造プロセスにより、中性子検出素子部を高密度に集積した中性子検出装置を得ることができる。
この構成によれば、3段階以上の時間分解能及び検出感度で中性子の検出を行うことができる。したがって、検出対象の中性子の量や強度が様々に変化する場合であっても単一の装置によって適切に中性子の検出を行うことが可能となる。
この構成によれば、例えば半導体製造プロセスにより中性子検出素子部を製造する際において、前記基材の裏面部をエッチングする深さを調節することにより、比較的容易に前記放熱調節手段を形成することが可能となる。
更に、前記抵抗測定手段は、前記複数の中性子検出素子部のそれぞれについて個別に抵抗値を測定する構成であると好適である。
また、前記複数の中性子検出素子部の中の一部が、前記放熱調節手段による前記放熱性を他の前記中性子検出素子部より悪くして感度を向上させた感度優先型の中性子検出素子部である構成であると好適である。
図1に示すのは、超伝導素子20を有する中性子検出素子部21の概略図であり、図2に示すのは、図1の線分A−Aにおける縦断面図である。
ストリップライン2の超伝導材料は、超伝導転移温度:Tc以下では電気抵抗がほぼ零となり、熱エネルギの影響を受けて温度がΔTcだけ上昇して超伝導転移温度:Tc以上になると、電気抵抗:RNが生じる。また、ストリップライン2の超伝導材料を冷却して超伝導転移温度:Tc以下になると、再び電気抵抗がほぼ零となる。例えば、ストリップライン2を超伝導転移温度:Tc以下に冷却している状態において、ストリップライン2中の10Bと中性子とが核反応することで発熱があったときには、再びストリップライン2が超伝導転移温度:Tc以下になるまで電気抵抗が生じることになる。つまり、ストリップライン2の抵抗値を測定することで、ストリップライン2中の10Bと中性子とが核反応したか否かを検出できる。言い換えると、ストリップライン2の抵抗値を測定することで、中性子の検出を行うことができる。
図4に示すのは、超伝導素子20の基材10となる構造である。この基材10は、Si層13(厚さ400μm)の両面をSiO2層12、14(厚さ300nm)で挟んだ構造の上に、SiN層11(厚さ1μm)を成膜したものである。よって、SiO2層12及びSiN層11の積層構造が、ストリップライン2の熱を下方に通過させて放熱させるメンブレン層として作用する。
以上のようにして、中性子検出素子部21を構成する超伝導素子20において、中性子を検出する側である基材10の表面側の構造が作製される。
以上のようにして、図1及び図2に示したような超伝導素子20を形成することができる。
図1に示したように、電極部1間には、ストリップライン2に電流を流すことができる電流源、又は、流れる電流を測定することができる電流計として用いることができる電流部16と、ストリップライン2に電圧を印加することができる電圧源、又は、生じている電位差を測定することができる電圧計として用いることができる電圧部17とが接続されている。また、電流部16及び電圧部17で得られた電流値及び電位差に基づいてストリップライン2の抵抗値を導出することのできる抵抗測定手段が設けられている。従って、抵抗測定手段は電流部16、電圧部17及び信号処理部18を用いて実現可能である。
図14に示す構造に形成することで、中性子検出装置は、分解能優先型の中性子検出素子部21aによる時間分解能に優れた中性子検出と、感度優先型の中性子検出素子部21bによる検出感度に優れた中性子検出との双方を行うことができる。
<1>
上記実施形態において、図示した超伝送素子の材料、形状、寸法、電極部10の配置などは改変してもよい。例えば、上記実施形態では、超伝導材料としてのMgB2を含むストリップライン2を形成したが、Nb、NbNなどの超伝導材料上又は超伝導材料下に10B薄膜を含む化合物薄膜を蒸着したメアンダ形状のストリップラインを形成してもよい。また上記実施形態では、超伝導材料としてMgB2を含み、前記ストリップライン2中の10Bが中性子と核反応する例を示したが、これら二つの組合せの以外の組合せであってもよい。
また更に、ストリップライン2の下方に位置する基材10を構成する各層の厚さや、基材10を構成する層の数などを変更してもよい。また、ストリップライン2を、図1に示したようなメアンダ形状に描いたが、単なる直線などの他の形状に改変してもよい。
上記実施形態では、図2及び図14に示したように、Si層13をエッチングすることで形成した凹部の深さの設定により放熱調節手段を実現していたが、他の構成で実現してもよい。例えば、エッチングすることで形成した凹部に熱伝導性の良い又は悪い物質を堆積させるなどして埋め込むことで、ストリップライン2における核反応による発熱の放熱性を調節してもよい。
上記実施形態では、ストリップライン2の熱を下方に通過させて放熱させるメンブレン層が、SiO2層12及びSiN層11の積層構造によって形成される例について説明したが、メンブレン層の構造はこれに限定されない。例えば、Si層13上にSiO2層12又はSiN層11を成膜した単層構造のメンブレン層を形成し、その上にストリップライン2を形成してもよい。或いは、メンブレン層を3層以上の多層構造としてもよい。
また、メンブレン層を構成する材料は、上述したSiO2及びSiN以外の材料でもよい。
2 ストリップライン
5 放熱調節手段
10基材
11 SiN層(誘電体材料)
16 電流部(抵抗測定手段)
17 電圧部(抵抗測定手段)
18 信号処理部(抵抗測定手段)
20 超伝導素子
30 中性子イメージングセンサ
Claims (11)
- 少なくとも一方の表面が誘電体材料で形成された基材と、前記表面上に形成される超伝導材料のストリップラインと、前記ストリップラインの両端部分に形成された電極部とを有する超伝導素子と、
前記ストリップライン中の超伝導元素と中性子との核反応による発熱を、前記ストリップラインの抵抗値の変化で測定する抵抗測定手段と、
前記ストリップラインが形成された前記表面とは反対側の前記基材の裏面部に、前記核反応による発熱の放熱性を調節する放熱調節手段とを有する中性子検出素子部を複数備え、
前記中性子検出素子部間で前記放熱性を異ならせている中性子検出装置。 - 前記複数の中性子検出素子部が同一の前記基材上に設けられている請求項1記載の中性子検出装置。
- 前記中性子検出素子部を3個以上備え、前記中性子検出素子部間で前記放熱性を3段階以上に異ならせている請求項1記載の中性子検出装置。
- 前記基材の前記裏面部の厚さの設定により前記放熱調節手段が構成されている請求項1記載の中性子検出装置。
- 前記中性子検出素子部間で、前記基材の前記裏面部の厚さが互いに異なる請求項1記載の中性子検出装置。
- 前記抵抗測定手段は、前記複数の中性子検出素子部のそれぞれについて個別に抵抗値を測定する請求項1記載の中性子検出装置。
- 前記複数の中性子検出素子部の中の一部が、前記放熱調節手段による前記放熱性を他の前記中性子検出素子部より良くして時間分解能を向上させた分解能優先型の中性子検出素子部である1記載の中性子検出装置。
- 前記複数の中性子検出素子部の中の一部が、前記放熱調節手段による前記放熱性を他の前記中性子検出素子部より悪くして感度を向上させた感度優先型の中性子検出素子部である1記載の中性子検出装置。
- 前記超伝導材料がMgB2を含み、前記ストリップライン中の10Bが中性子と核反応するように構成されている請求項1記載の中性子検出装置。
- 前記ストリップラインがメアンダ形状に形成されている請求項1記載の中性子検出装置。
- 請求項1〜10の何れか一項に記載の中性子検出素子部を複数個アレイ状に並べて配置した中性子イメージングセンサ。
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