JP4941788B2

JP4941788B2 - 超伝導体放射線センサーシステム

Info

Publication number: JP4941788B2
Application number: JP2009111782A
Authority: JP
Inventors: 雅彦倉門
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-01
Filing date: 2009-05-01
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: JP2009168827A

Description

本発明は、Ｘ線やγ線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の光子を撮像可能な放射線センサーシステムに関するものである。

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。デジタルカメラなどではカラーのイメージの撮影が可能であるが、それは波長フイルターなどを利用しているためであり、個々の画素素子が光子のエネルギーあるいは波長を測定できているわけではない。Ｘ線用の半導体ＣＣＤでは従来の半導体Ｘ線検出器を上回るエネルギー分解能が得られているが、軽元素からの特性Ｘ線あるいはいわゆる光の光子のエネルギー測定は困難であり、また特性Ｘ線を利用した多元素同時測定での元素分離能も低いという問題がある。

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（非特許文献１参照）、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（非特許文献２参照）。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。

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（特許文献１）。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（特許文献２）。

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（非特許文献３参照）、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。

従来、超伝導直列接合検出器では信号の大きさが放射線の入射位置に依存するためにエネルギーを高分解能で測定することが困難であるという大きな問題があった。１次元の入射位置依存性は入射位置依存性を曲線で近似することによって補正できることが示されており、２次元の入射位置を測定するための図１に示すような超伝導直列接合検出器も提案された（特許文献２）。しかしながら、超伝導直列接合検出器で２次元の入射位置依存性を補正するための補正手段はこれまで無かった。

特許２７９９０３６特開Ｈ８−２６２１４４号公報

応用物理、第５３巻、１９８４年、５３３−５３７ページ日本物理学会誌、第５１巻、１９９６年、４２５−４３３ページＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２８、（１９８９）Ｌ５４９

本発明が解決しようとする課題は、超伝導直列接合検出器をエネルギー高分解能とするために信号波高の２次元の入射位置依存性を補正する方法を提供することである。

超伝導直列接合検出器からエネルギー情報だけでなく２次元の位置情報も取り出し、２次元の位置情報を複数のサブ領域に分割し、それぞれのサブ領域における特定のエネルギーの放射線による信号の平均的大きさＲを求め、それぞれのサブ領域で発生した放射線による信号の大きさをそのサブ領域のＲを利用して補正することにより、超伝導直列接合検出器のエネルギー分解能を向上させる。また、各放射線毎の入射位置に応じてその入射位置が属するサブ領域およびその周りのサブ領域の補正係数Ｒから内挿法などによってその入射位置での新たな補正係数ｒを信号毎に求め、各信号の大きさをそのｒを利用して補正することにより、超伝導直列接合検出器のエネルギー分解能を更に向上させることもできる。

以上説明したように、波高の２次元の位置依存性を補正することによって超伝導直列接合検出器でエネルギーの高分解能が得られる。

１実施例のセンサー素子の直列接合の配置を示した平面図である。（実施例１）

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（非特許文献２）。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。

超伝導直列接合検出器から放射線入射毎の２次元の入射位置（Ｘ、Ｙ）情報と放射線のエネルギーに相当する信号の大きさの情報（Ｚ）を得る。より具体的には、例えば、図１に示した４つの直列接合からなる検出器の場合は、４つの直列接合それぞれからの信号の大きさをＶ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃ、Ｖ_Ｄとした場合、Ｘ＝Ｖ_Ｃ／（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｃ）、Ｙ＝Ｖ_Ｄ／（Ｖ_Ｂ＋Ｖ_Ｄ）、Ｚ＝Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ＋Ｖ_Ｃ＋Ｖ_ＤでＸ、Ｙ、Ｚを与える。ＸとＹは位置情報を与えるよいパラメータであればよく、Ｖ_Ｃ／Ｖ_ＡとＶ_Ｄ／Ｖ_Ｂで定義することなども可能なことは勿論である。また、Ｚの定義式の右側の各項の前に適当な係数を掛けておいても良いことなども当然である。入射位置（Ｘ、Ｙ）情報を用いて位置（Ｘ、Ｙ）を複数のサブ領域に分割し、各サブ領域におけるある特定のエネルギーの放射線に対する信号の大きさの平均的値に比例したＲを求める、より具体的にはそのサブ領域に属するデータの波高スペクトル上でのその放射線のエネルギーに相当するピークの平均位置あるいはピークの中心位置の信号の大きさを求める。その後、各サブ領域の信号の大きさの情報（Ｚ）の入射位置依存性をサブ領域毎あるいは信号毎にＺ／Ｒを計算して補正する、あるいは各放射線のデータ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）毎に、位置情報（Ｘ、Ｙ）に応じてそのデータが属するサブ領域の中心点での補正係数に相当するＲとその周りのサブ領域でのＲからそのデータの（Ｘ、Ｙ）に対する補正係数ｒを内挿法などで算出し、各データの大きさの情報（Ｚ）の入射位置依存性をＺ／ｒを計算して補正する。複数のＲからｒを求める方法としては、内挿法だけでなく、内挿法と外挿法を組み合わせたものでも良いことは当然である。それらのＲ補正係数を求めるためのデータと実際の補正計算をするデータは同じものであっても良いが、必ずしも同じデータである必要はない。一般的には補正係数を求めるための測定を１度行えば、その後はその補正係数を用いて他の測定で得られるデータを補正することができる。しかも、測定中のデータの実時間補正が可能である。例えば、エネルギー情報用の大きな直列接合１つと位置情報用の４つの直列接合からなる直列接合検出器の場合、ＸとＹは図１の検出器と同じように定義して求めることができ、Ｚとしてはエネルギー情報用の直列接合からの信号の大きさあるいはそれに、位置情報用直列接合で吸収されたエネルギーの効果も取り込むために、（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ＋Ｖ_Ｃ＋Ｖ_Ｄ）に適当な係数を掛けたものを加えたものとしても良い。後の処理は図１の場合と全く同様に行うことができる。

基板上に共通の不感領域を取り囲まない多数の超伝導直列接合を設けておき、発生した非平衡フォノンを近くの複数の直列接合で吸収させ、それらの複数の直列接合からの信号の大きさあるいは信号発生の時間を比較することによって光子の入射位置を測定することができる。光子の入射位置を求めることができるために、それらの複数の直列接合からの信号の大きさの和の入射位置依存性を補正することが可能となり、直列接合を配置した基板全体がセンサーとして有効となり大面積化と位置高分解能とエネルギー高分解能が可能となる。

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。

図１に示した４つの直列接合からなる直列接合検出器の直列接合で囲まれた１．５ｍｍ×１．５ｍｍの領域の内の約１ｍｍ×１ｍｍの部分にα粒子を照射した。単純に４つの直列接合からの信号Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃ、Ｖ_Ｄの和をエネルギーとした場合の波高スペクトルでは、信号波高の入射位置依存性によってエネルギー分解能は約１０％と悪かった。入射位置の情報をＸ＝Ｖ_Ｃ／（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｃ）、Ｙ＝Ｖ_Ｄ／（Ｖ_Ｂ＋Ｖ_Ｄ）として得、その位置情報を、３０×３０のサブ領域に等分割し、それぞれのサブ領域でピークの中心位置の信号波高を求めて補正係数Ｒを算出した。なお、この測定ではα線源が弱いことと放射線を検出器全体には照射していないため、多くのサブ領域ではピークの中心位置の信号波高は決定できておらず、補正係数が求められなかったサブ領域に属するデータはその後の補正計算では使用しなかった。補正係数を求めるのに使用したのと同じデータを各サブ領域毎に補正係数を用いて補正し、全サブ領域の補正後のデータを足し合わせて得られた波高スペクトルでは、エネルギー分解能は０．９２％と大きく改善された。各データ毎に、その入射位置情報（Ｘ、Ｙ）を利用して補正係数Ｒの内挿値ｒを求めて位置依存性を補正した波高スペクトルでは、エネルギー分解能は０．７９％と更に改善された。

本願発明は光やＸ線あるいは荷電粒子を利用した様々な分析装置等に利用できる。

５１単結晶基板
５２超伝導直列接合

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、超伝導直列接合検出器から放射線入射毎の２次元の入射位置情報と放射線のエネルギーに相当する信号の大きさの情報を得、当該２次元入射位置情報を用いて位置を複数のサブ領域に分割し、各サブ領域における特定のエネルギーの放射線に対する信号の大きさの平均的値を求め、それらの各サブ領域毎の信号の大きさの平均的値を用いて各サブ領域の前記の信号の大きさの情報の入射位置依存性をサブ領域毎あるいは信号毎に補正することを特徴とする超伝導体放射線センサーシステム。
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、超伝導直列接合検出器から放射線入射毎の２次元の入射位置情報と放射線のエネルギーに相当する信号の大きさの情報を得、当該２次元入射位置情報を用いて位置を複数のサブ領域に分割し、各サブ領域における特定のエネルギーの放射線に対する信号の大きさの平均的値を求め、更に各放射線毎にそのデータが属するサブ領域の中心点での補正係数に相当する前記の信号の大きさの平均的値およびその周りのサブ領域での信号の大きさの平均的値を用いてその２次元の入射位置情報に応じた新たな補正係数を算出し、その新たな補正係数を用いて各信号の大きさの情報の入射位置依存性を信号毎に補正することを特徴とする超伝導体放射線センサーシステム。