JP6015948B2 - 粒子・光子検出器 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導状態の検出部を用いて粒子や光子を検出する粒子・光子検出器に関する。

超伝導体の薄膜で微細な配線を形成してなる検出部を用いた粒子・光子検出器の研究が行われている。この粒子・光子検出器は、超伝導体の検出部が超伝導転移温度以下に冷却され、検出部をなす配線に臨界電流(超伝導状態を破壊する電流)よりも小さい電流を流した状態で使用される。このように超伝導状態とされた検出部の配線に粒子または光子が衝突すると、衝突箇所の微小領域における臨界電流の値が低下することにより、当該微小領域は超伝導状態が破れて常伝導状態に転移する。この結果、検出部をなす配線がわずかな抵抗値を有するようになり、この抵抗値変化を反映したパルス状の電圧変化が電気信号として検出部から出力される。この電気信号を観測することにより、検出部に到来した粒子または光子を検出することができる(例えば特許文献１参照)。

一般に粒子・光子検出器においては、応答(すなわち、検出部が常伝導状態から粒子又は光子の衝突前の超伝導状態に戻り再び粒子又は光子の検出が可能な状態に回復するまでの時間)が速いことと、有感面積が大きいことが必要とされる。粒子・光子検出器における粒子や光子を検出する際の応答速度は、超伝導体の検出部が持つカイネティックインダクタンスＬと、検出部からの電気信号を受ける読み出し回路の抵抗値Ｒによって決定され、その応答速度の指標である時定数(読み出し回路においてパルス状の電気信号が立ち下がる時定数)τはτ＝Ｌ／Ｒで与えられる(例えば非特許文献１)。ところで、高速信号の読出回路および伝送線路では、反射を避けるためにインピーダンス整合が行われ、特性インピーダンスは典型的には５０Ωまたは７５Ωであり、大きく変えることができないので、読み出し回路の抵抗値Ｒを変えることはあまりできない。このため、粒子・光子検出器の応答速度を高めるには、カイネティックインダクタンスＬを小さく設計することが一般的である。一方、検出部をなす超伝導体配線におけるカイネティックインダクタンスＬは配線の長さに比例し、線幅、厚みに反比例する。線幅および厚みを大きくすると検出効率が下がること、常伝導常態に転移した後に超伝導状態に戻りにくくなることから、カイネティックインダクタンスＬを小さくする際には、一般に長さを短くすることが広く行われる。例えば、数ミクロンのサイズを有する検出部により５０ピコ秒程度の応答速度が報告されている(非特許文献２)。この応答速度は既存の検出器であるマイクロチャンネルプレート、光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードよりも速く、上記超伝導体配線の検出部を用いた粒子・光子検出器は粒子または光子の到来時刻を精密に検出できる。

特開２００４−２１４２９３号公報 特開２００９−０２１４７８号公報

Andrew 他，"Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counter"，Applied Physics Letters，2006，vol.88，pp111-116 Komeev 他，"Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors"，Applied Physics Letters，2004，vol.84，p5388 Casaburi 他，"Subnanosecond time response of large-area superconducting stripline detectors for keV molecular ions"，Appl. Phys. Lett. 94，212502(2009) Zen 他，"1mm ultrafast superconducting stripline molecule detector"，Appl. Phys. Lett. 95，172508(2009) Suzuki 他，"Time Resolution Improvement of Superconducting NbN Stripline Detectors for Time-of-Flight Mass Spectrometry"，Appl. Phys. Express，Vol.1，p.031702，2009

上述したように、一般の粒子・光子検出器には、応答が速いことともに、有感面積が大きいことが求められる。ところが、上述したように、高速応答性を追求して検出部をなす超伝導体配線の長さを短くすると、必然的に有感面積が小さくなり、検出器としての実用性が損なわれる。この課題は、検出部を並列に接続し、実効的なインダクタンスを低下させることにより解決されてきた(例えば特許文献２、非特許文献３、非特許文献４)。

しかしながら、並列に接続することは次の三つの問題を生じさせる。
（１）第一の問題は、検出器全体に流す電流が大きくなって、発熱が増え、低温を保てなくなることである。検出器において、超伝導体を用いた配線すなわち検出部上では抵抗値がゼロであるため発熱はない。一方、外部から検出器に電流を導入する経路(以下、伝送線路と記載する。)は、当該伝送線路を介した外部からの熱の流入により低温部(特にその検出部)の温度が上昇することを防ぐために、熱伝導率が低い材料、たとえば真鍮やステンレスを用いて構成されている。真鍮やステンレスは、伝導率は低いが、伝送線路の配線が１Ω前後の抵抗値を有する。伝送線路における発熱量Ｑは、電流値をＩｃ、抵抗値をＲｃとすると、Ｑ＝Ｉｃ²Ｒｃと表され、Ｍ個の検出部を並列に接続して各検出部に同じ電流値Ｉを供給するようにすると、Ｉｃ＝ＭＩとなり、伝送線路における発熱量はＱ＝(ＭＩ)²×Ｒｃ＝Ｍ²Ｉ²×Ｒｃとなって、検出部の並列数Ｍの二乗すなわちＭ²に比例するので、並列化には限界がある。例えば、抵抗値が１Ωの配線の場合、伝送線路の配線における発熱量Ｑは上述したようにＱ＝Ｉ²Ｒｃと表されるので、１００ｍＡの電流を流すと発熱量は１０ｍＷに達する。一方、検出部を冷却するための冷凍機の冷却能力は典型的には１Ｗ以下で、安定に低温を維持するには、発熱量は１０ｍＷ以下としなければならない。したがって、超伝導体配線を用いた粒子・光子検出器の一つの検出部に供給される電流の値が典型的にｍＡ程度であることを考慮すると、並列にする検出部の数は１００程度が限界となる。

（２）第二の問題は、不感領域が発生することである。粒子・光子を検出した際、超伝導体配線で構成される検出部は常伝導状態に転移して、そこを流れる電流が減少する。減少した電流は、多くは並列に接続された別の検出部に分配されることになる。その後、常伝導状態に転移した検出部が再び超伝導状態に回復すると、これらの超伝導体配線の検出部は抵抗ゼロの閉回路を形成する。常伝導体であれば閉回路を流れる電流は、並列に接続される他の回路部分における電圧降下に起因した誘導起電力により電流が回復するが、超伝導体の閉回路では他の回路部分の抵抗値がゼロであるために閉回路を形成する他の部分において電圧降下が生じておらず、一度常伝導状態に転移した検出部を流れる電流は減少したままとなる。超伝導体配線からなる検出部を用いた粒子・光子検出器では、各検出部の電流値が臨界電流に近い場合にのみ各検出部が検出器として動作するため、電流が流れていない状態になった検出部は不感領域となり、実効的な有感面積が低下するという問題が生じる。なお、不感領域となった検出部は、並列に接続した他の検出部(配線部)が粒子または光子を検出すると電流が分配され、再び検出器として動作するようになる。

（３）第三の問題は、信号強度が低下することである。非特許文献３においては、複数の超伝導体配線を検出部として並列に配置したユニットを、更に直列に接続して、一端を接地し、他端から信号を読み出す。単一の検出部の場合には出力電圧はおよそバイアス電流Ｉと読み出し回路のインピーダンスＲを用いて概ねＩ×Ｒと表されるが、直列接続の配置と並列接続の配置を併用した場合には、一つの検出部に流す電流をＩ、直列数Ｎ、並列数Ｍとすると、出力電圧はおよそＩＲ／Ｎで、直列数を増やすと信号強度は減少する(非特許文献４)。

よって、本発明の目的は、従来技術に存する課題を解決して、高速な応答速度と大きな有感面積と少ない発熱と大きな信号強度とを兼ね備え且つ不感領域の発生を防ぐことができる粒子・光子検出器を提供することにある。

上記目的に鑑み、本発明は、超伝導状態に保たれた検出部に粒子又は光子が衝突して該
検出部が常伝導状態に転移することにより、粒子又は光子が検出されたことを示す電気信
号を出力する粒子・光子検出器であって、直列に接続された複数の検出部と、該直列に接
続された複数の検出部と並列に設けられた二つの並行配線とを備え、該直列に接続された
複数の検出部の各接続部および先頭の検出部の出力端が交互に前記二つの並行配線に抵抗器を介して接続されており、前記二つの並行配線のうちの少なくとも一方を通して、前記複数の検出部からの電気信号を読み出すようにした粒子・光子検出器を提供する。

前記粒子・光子検出器において、前記抵抗器の抵抗値は、常伝導状態に転移したときの前記検出部の抵抗値よりも小さくなっていることが好ましい。

さらに、前記並行配線のうちの一方は、バイアスＴ回路を介して電流源に接続され且つバイアスインダクタを介して前記直列に接続された複数の検出部の一端に接続されており、前記電流源から前記直列に接続された複数の検出部にバイアス電流を供給するためのバイアス電流供給配線として機能すると共に、前記直列に接続された複数の検出部から並列に電気信号を読み出すための読み出し配線として機能することが好ましい。

前記並行配線のうちの他方は、接地されたグランド配線であってもよく、前記複数の検出部から電気信号を読み出すための読み出し配線であってもよい。

上記粒子・光子検出器では、複数の検出部を用いることにより、検出部の個数に比例して有感面積が増大する。また、複数の検出部を直列に接続し、出力される電気信号の読み出し方法に工夫を凝らさない場合には、回路全体のカイネティックインダクタンスが、［一つの検出部のカイネティックインダクタンス］×［直列接続した検出部の数］となるので、粒子・光子検出器の動作速度(回路出力で見た応答時間)は検出部の直列数に比例して遅くなる。これに対して、上記粒子・光子検出器では、直列に接続された複数の検出部の各接続部を交互に二つの並行配線に抵抗器を介して接続することにより、粒子又は光子が衝突した検出部が超伝導状態から常伝導状態に転移したときに、その手前で抵抗器を介して二つの並行配線の何れかに電流が流れるので、動作速度の低下を防ぐばかりでなく、応答を早くすることができる。

また、このような配置にすることで、従来のように検出部を並列接続した配置における発熱の問題を解決することができる。すなわち、発熱は低温部と常温部をつなぐ伝送線路において起こるが、検出部が直列に接続されているために、直列に接続した検出部の数によらず、一個の粒子・光子検出器と同じ電流値で動作させることができ、この結果、発熱量はＮ個の検出部を並列に接続する場合に比べてＮ²分の１と極めてきわめて小さくなる。

さらに、従来のように複数の検出部を並列に接続する配置では、一度ある検出部が粒子又は光子を検出すると、並列に接続された他の検出部が粒子又は光子を検出するまで、その検出部は検出器として動作しない不感領域となっていた。これに対して、本発明による粒子・光子検出器では、粒子又は光子が衝突した検出部が超伝導状態から常伝導状態に転移したときにその検出部の手前の接続部から抵抗器を介して二つの並行配線のうちの何れかに電流が流れ、電圧降下を生じさせるので、速やかに超伝導状態に回復することができる。したがって、検出部の接続部と二つの並行配線との間に接続される抵抗器の値を適切に選択することで、個々の検出部の不感時間を調節することができる。

加えて、非特許文献３のように、並列接続と直列接続を組み合わせて用いた場合に比べ、信号強度も大きくなる。

本発明によれば、複数の検出部の接続部を交互に二つの並行配線に抵抗を介して接続することにより、高速応答、大面積、低発熱、大信号強度を兼ね備え、不感領域がない粒子・光子検出器を実現することができる。

単一の超伝導体配線を用いた従来の粒子・光子検出器の構成図である。 図１に示される粒子・光子検出器の検出部の概略形状を(ａ)に、等価回路を(ｂ)に示している。 並列接続・直列接続を併用した他の従来の粒子・光子検出器の構成を示す模式図である。 本発明による粒子・光子検出器の一実施形態の構成を示す模式図である。 本発明による粒子・光子検出器の他の実施形態の構成を示す模式図である。 図４に示される粒子・光子検出器の出力電圧波形のシミュレーション結果を示すグラフである。 図４に示される粒子・光子検出器の各検出部を流れる電流波形のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明による粒子・光子検出器の実施形態を説明する。

最初に、本発明との対比のために、図１から図３を参照して、従来の粒子・光子検出器１１０について説明する。
図１は単一の検出部１１２を用いた従来の粒子・光子検出器の構成図である。粒子・光子検出器１１０は、１つの検出部１１２と、１つのシャント抵抗１１４と、同軸ケーブルからなる伝送線路１１６と、バイアスＴ回路１１８と、増幅器１２０とによって構成されており、粒子や光子が検出部１１２に衝突すると検出部１１２から電気信号を出力するようになっている。検出部１１２とシャント抵抗１１４とは並列に接続されており、この並列接続の一端が接地され、他端は伝送線路１１６に接続されている。また、伝送線路１１６はバイアスＴ回路１１８を介して増幅器１２０に接続されている。なお、図１中の点線１５０で囲まれた部分(検出部１１２とシャント抵抗１１４)は超伝導転移温度より低い温度(典型的には液体ヘリウム温度４.２Ｋ)に冷却される。

検出部１１２の概略形状を図２(ａ)に、等価回路を図２(ｂ)に示す。検出部１１２は、所定のパターンを有し超伝導体によって形成された配線(以下、超伝導体配線と記載する。)１１２ａであり、この超伝導体配線１１２ａの両端にはボンディングパッド１１２ｂが形成されている。超伝導体配線１１２ａ及びボンディングパッド１１２ｂは例えばＮｂＮ(チッ化ニオブ)の薄膜によって形成される。ＮｂＮ薄膜の膜厚は典型的には１０ｎｍ以下であり、超伝導体配線１１２ａの線幅は典型的には数十ｎｍから１μｍ程度である。超伝導体配線１１２ａは、図２(ａ)ではミアンダ状パターンに形成されているが、これに限定されるものではなく、任意のパターンとすることができる。この超伝導体配線１１２ａのパターン領域が、粒子および光子を検出できる有感面積に対応し、その大きさは数μｍ²から数万μｍ²である。例えば非特許文献５に開示されている粒子・光子検出器の場合、検出部１１２の薄膜の材質がＮｂＮ、厚さが１０ｎｍであり、超伝導体配線１１２ａの線幅が８００ｎｍ、検出部１２のサイズが２００μｍ×２００μｍ、超伝導臨界電流が５８１μＡ、カイネティックインダクタンスが１．１μＨ、有感面積が０.０２ｍｍ²である。

検出部１１２の等価回路は、図２(ｂ)に示されているように、コイル１２２と、スイッチ１２４と、抵抗１２６とによって表すことができ、スイッチ１２４と抵抗１２６が並列に接続され、この並列接続されたスイッチ１２４及び抵抗１２６に対してコイル１２２が直列に接続された回路構成を有している。検出部１１２が超伝導状態に保たれているときは、スイッチ１２４が導通されている状態であり、検出部１１２の抵抗はゼロとなる。
一方、粒子や光子が検出部１１２の超伝導体配線１１２ａに衝突すると、その衝突箇所の微小領域部分が常伝導状態となることに対応して、スイッチ１２４が開放状態とされて、抵抗１２６の抵抗値が超伝導体配線１１２ａに現れ、この抵抗値変化に応じた電気信号が出力される。

図３は非特許文献３及び非特許文献４に開示されている粒子・光子検出器１１０´の構成図である。以下では、図３に示されている構造の粒子・光子検出器１１０´を並列・直列接続配置の粒子・光子検出器と記載する。

並列・直列接続配置の粒子・光子検出器１１０´では、超伝導体配線からなる検出部１１２が並列にＭ個、直列にＮ個、接続されている(図３では、各検出部をＤ_M,Nで表している)。直列接続の一端は接地されており、他端はシャント抵抗１１４を介して接地されるとともに、伝送線路１１６、バイアスＴ回路１１８を介して増幅器１２０に接続されている。かかる構成の粒子・光子検出器１１０´では、例えばＭ＝８、Ｎ＝８として、前述した非特許文献５に記載されている粒子・光子検出器を接続した場合、合成インダクタンスは１μＨとなり、単一の検出部(超伝導体配線)１１２を用いた粒子・光子検出器と同じになる。一方、面積は６４倍になるので、感度が向上する。また、臨界電流値は８倍となるため、動作させるために必要なバイアス電流も８倍となり、伝送線路１１６で消費される電力は６４倍と大きくなる。

次に、図４を参照して、本発明による粒子・光子検出器１０について説明する。図４は本発明による粒子・光子検出器１０の構成図である。
粒子・光子検出器１０は、Ｎ個の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_N(参照符号１２)と、Ｎ個の抵抗器１４と、伝送線路１６と、バイアスＴ回路１８と、増幅器２０と、バイアスインダクタ２２と、シャント抵抗２４と、二つの並行配線２６，２８とを備え、図４中で点線５０で囲まれた部分(Ｎ個の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_N、Ｎ個の抵抗器１４、バイアスインダクタ２２、シャント抵抗２４及び二つの並行配線２６，２８)が超伝導転移温度より低い温度(典型的には液体ヘリウム温度４.２Ｋ)に冷却されている。

検出部Ｄ₁，…，Ｄ_N(参照符号１２)の各々は、前述した検出部１１２と同一の構成を有するものであり、超伝導体配線によって形成されている。したがって、ここでは、各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの構成についての詳しい説明は省略する。Ｎ個の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nは接続部によって直列に接続されており、直列に接続された検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nと並列に二つの並列配線２６，２８が設けられている。直列に接続された検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの各接続部は、交互に、二つの並行配線２６，２８に抵抗器１４を介して接続されている。抵抗器１４の抵抗値は、常伝導状態に転移したときの検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの抵抗値よりも小さくなるように選択される。図４に示されている実施形態では、二つの並行配線２６，２８のうちの一方の並行配線２６を伝送線路１６に接続して、検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nからの電気信号を抵抗器１４を通して並列に外部へ読み出すための読み出し配線として機能させる一方、他方の並行配線２８を接地させてグランド配線として機能させている。

伝送線路１６は、その一端が上述したように並行配線２６に接続されていると共に、他端がバイアスＴ回路１８を介してバイアス電流源(図示せず)と増幅器２０とに接続されている。バイアスＴ回路１８は、コイルとコンデンサとによって構成されており、伝送線路１６がコイルとコンデンサとに共通に接続されていると共に、コイルにおける伝送線路１６と反対側の端子がバイアス電流源(図示せず)に接続され且つコンデンサの伝送線路１６と反対側の端子が増幅器２０に接続されている。このようなバイアスＴ回路の構成はすでに知られたものであり、ここでは詳しい説明を省略する。

粒子・光子検出器１０を動作させるには超伝導臨界電流よりも少し低い電流(バイアス電流)Ｉを各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_N(参照符号１２)に与える必要がある。そこで、図４に示されている実施形態では、直列に接続された検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの一端を接地すると共に、他端をバイアスインダクタ２２を介して並行配線２６に接続している。

このような構成により、バイアス電流Ｉは、バイアス電流源から、バイアスＴ回路１８、伝送線路１６、並行配線２６及びバイアスインダクタ２２を通して個々の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nに供給され、粒子・光子検出器１０を動作させることができる。すなわち、並行配線２６は、各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nにバイアス電流を供給するバイアス電流供給配線として機能している。なお、バイアスインダクタ２２の抵抗値は、並行配線２６と直列に接続された検出部Ｄ₁，…，Ｄ_N(検出部１２)とを接続する抵抗器１４の抵抗値よりも十分に小さいので、バイアス電流は、並行配線２６からバイアスインダクタ２２を通して直列に接続された検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nに供給されることになる。

また、直列に接続された複数の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの各接続部が交互に二つの並行配線２６，２８に抵抗器１４を介して接続されており、抵抗器１４の抵抗値が常伝導状態に転移したときの検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの抵抗値よりも小さいので、粒子又は光子が衝突した検出部Ｄ_１，…，Ｄ_Ｎが超伝導状態から常伝導状態に転移すると、その手前で抵抗器１４を介して二つの並行配線２６，２８の何れかに電流が流れて電圧降下が生じ、これが並行線路２６を介して電気信号として読み出される。さらに、粒子や光子を検出した検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nからの電気信号(高周波信号となる)は、並行配線２６及び伝送線路１６を通してバイアスＴ回路１８に伝達され、バイアス電流源の側へはコイルによって遮断される一方、バイアスＴ回路１８のコンデンサを介して増幅器２０へ出力されて増幅され、増幅された電気信号を利用して増幅されて粒子・光子が検出部１２に衝突したことが検出される。すなわち、並行配線２６は、読み出し配線として機能し、各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nからの電気信号が、抵抗器１４を通して並行配線２６へ並列に読み出された後、伝送線路１６、バイアスＴ回路１８を通して増幅器２０に伝達され、検出部１２に粒子や光子が衝突したことが検出される。

抵抗器１４の抵抗値Ｒは個々の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nが常伝導状態から超伝導状態に回復するまでの時間(回復時間)τに影響を与え、直列に接続される検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの数Ｎが十分に大きい場合には、回復時間τは概ねＬ／２Ｒとなる。抵抗器１４の抵抗値Ｒは、高速動作の観点からは高い方が望ましい一方、安定的に動作させる観点からは低い方が望ましく、目的に応じて、１〜１ｋΩ程度の範囲で、検出器１４が動作する範囲において任意に選択すればよい。

さらに、伝送線路１６に接続されている並行配線２６の伝送線路１６側の端部には、シャント抵抗２４が接続されている。シャント抵抗２４は、検出部１２をなす超伝導体配線全体が常伝導状態に転移した際の発熱を防ぐ機能を果たす。

このように、粒子・光子検出器１０は、Ｎ個の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nを用いているので、有感面積が増加する利点を有する。また、Ｎ個の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nが直列に接続されているので、一つの検出部を用いる場合と同じ電流値で粒子・光子検出器１０を動作させることができる。発熱は、低温部(図１中の点線５０で囲まれた部分)と常温部とを接続する伝送線路１６において起こるが、粒子・光子検出器１０で使用する電流値を低く保つことができるので、Ｎ個の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nを並列に接続した場合と比較して、伝送線路１６における発熱量は１／Ｎ²と極めて低くなる。

さらに、前述したように、粒子・光子検出器の応答速度は、カイネティックインダクタンスに比例するので、Ｎ個の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nを単に直列に接続した場合、各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nのカイネティックインダクタンス(以下、単にインダクタンスと記載する。)をＬとすると、検出部１２の全体のインダクタンスはＮ×Ｌとなり、直列接続した検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの数Ｎに比例して応答速度が低下する。これに対して、図４に示されている実施形態の粒子・光子検出器１０では、直列に接続した検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの接続部が交互に二つの並行配線２６，２８に接続されており、全ての検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nが超伝導状態のときには並行配線２６，２８にほとんど電流が流れないが、一部の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nが常伝導状態になって抵抗値が増加すると、抵抗器１４を通して並行配線２６又は２８に電流が流れるようになる。したがって、読み出し回路の抵抗値を大きくしたのと同じ効果が得られ、応答速度を速くすることができる。

また、常伝導状態から超伝導状態に回復する原動力となるのは、検出部１２が超伝導状態から常伝導状態になることにより検出部１２に生じた抵抗値の変化に起因する誘導起電力(Ｖ＝−Ｌ×ｄｉ／ｄｔ)であり、回復時間は検出部１２のインダクタンスに比例する。各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nを並列に接続した場合、一つの検出部に粒子又は光子が衝突して常伝導状態に転移したことによってその検出部の抵抗値が増加すると、その検出部を流れていた電流は並列に接続されている他の検出部に分配されることになるが、他の検出部は超伝導状態であり、抵抗がほとんどなく、電流の増加による電圧降下がほとんど生じないので、常伝導状態に転移した検出部には電流が流れず、不感領域になる。これに対して、図４に示されている実施形態の粒子・光子検出器１０では、直列に接続した検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの接続部が抵抗器１４を介して交互に二つの並行配線２６，２８に接続されており、一部の検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nが常伝導状態になって抵抗値が増加すると、抵抗器１４を通して二つの並行配線２６、２８の何れかに電流が流れ込み、電圧降下が生じるので、常伝導状態になった検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nがすばやく超伝導状態に復帰する。また、検出部１２からの出力電圧の変化も大きくなるので、信号強度も増加する。

以上、図４に示されている実施形態を参照して本発明による粒子・光子検出器１０を説明したが、本発明は図示される実施形態に限定されるものではない。例えば、図４に示されている実施形態では、一方の並行配線２６を読み出し配線とし、検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nからの電気信号を並列に読み出しているが、図５に示されている実施形態の粒子・光子検出器１０´のように、並行配線２６に加えて、他方の並行配線２８にも伝送線路３０を介して増幅器３２と接続すると共にシャント抵抗３４を介して接地することにより、二つの並行配線２６，２８の両方から電気信号を読み出すようにしてもよい。

図４に示されている実施形態(以下、本実施形態と記載する。)において、検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nの直列数を６４、バイアス電流Ｉを２００μＡ、シャント抵抗２４の抵抗値を５０Ω、抵抗器１４の抵抗値Ｒを５０Ω、伝送線路１６の電気長を２ｎｓとし、各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nについて、カイネティックインダクタンスすなわち図２(ｂ)に示されている等価回路のコイル１２２のインダクタンスを１μＨ、スイッチ時の抵抗すなわち図２(ｂ)に示されている等価回路の抵抗１２６の抵抗値を５００Ω、スイッチ時間を１ｎｓとして、増幅器２０に入力される電圧波形を計算したシミュレーション結果を図６に示す。比較のため、図６には、図１に示されているように検出部を一つだけ用いた粒子・光子検出器１１０において、本実施形態の粒子・光子検出器１０の各検出部１２と同じ特性の検出部１１２を用い、検出部１１２のバイアス電流を２００μＡとした場合、および、図３に示されている並列・直列接続配置の粒子・光子検出器１１０´において、有感面積を同一とするために並列数８・直列数８で、本実施形態の粒子・光子検出器１０と同じ特性の検出部１１２を用い、個々の検出部１１２のバイアス電流が本実施形態による粒子・光子検出器１０の各検出部Ｄ₁，…，Ｄ_Nと同じく２００μＡとなるように伝送線路１１６におけるバイアス電流を１６００μＡとした場合について、同様に行ったシミュレーションの結果を示している。図６中の実線１が図１に示されている単一の検出部を用いた粒子・光子検出器１１０からの出力電圧の波形であり、破線２が本実施形態による粒子・光子検出器１０からの出力電圧の波形であり、点線３が図３に示されている並列・直列接続配置の粒子・光子検出器１１０’からの出力電圧の波形である。

図４に示されている本実施形態による粒子・光子検出器１０では、図１に示されている単一の検出部１１２を用いた粒子・光子検出器１１０の場合よりも出力電圧の波高が半分程度になっているが、有感面積が大きく、かつ、応答速度が極めて速い。また、図３に示されている並列・直列接続配置の粒子・光子検出器１１０´の出力電圧は、波高が本実施形態による粒子・光子検出器１０の３分の１以下であり、応答速度も遅い。さらに、並列・直列接続配置の粒子・光子検出部１１０と本実施形態の粒子・光子検出器１０とは何れも６４個の検出部を用いており、有感面積は同一となるが、本実施形態による粒子・光子検出器１０では、並列・直列接続配置の粒子・光子検出器１１０’と比較して、電流値が１／８、伝送線路における発熱量は１／６４となり、発熱量が極めて小さくなる。

図７は上述したシミュレーションにおいて、粒子・光子を検出した際に、検出部を流れる電流がどのように減少・回復するかを示したグラフである。図７において、実線１は並列・直列接続配置の粒子・光子検出器１１０´における各検出部Ｄ_M,N(検出部１１２)を流れる電流の波形を示し、点線２は本実施形態による粒子・光子検出器１０における各検出部Ｄ_N(検出部１２)を流れる電流の波形を示す。実線１で示されている電流波形から分かるように、並列・直列接続配置の粒子・光子検出器１１０´では、いったん減少した電流値が回復しないため、不感領域が発生する。これに対して、点線２に示されている電流波形から分かるように、本実施形態による粒子・光子検出器１０では、速やかに電流値が回復し、電流値が元に戻る時間スケールは１０ｎｓ程度と早い。この回復時間は、１個の検出部Ｄ_NのカイネティックインダクタンスＬｋと挿入した抵抗器１４値の抵抗値Ｒを用いてＬｋ／２Ｒと表される。

このように、本発明により、大面積・高速応答・大信号強度を兼ね備え、なおかつ不感領域がなく、少ない電流値で動作する、粒子・光子検出器を実現することができる。

１０ 粒子・光子検出器
１２ 検出部
１４ 抵抗器
１６ 伝送線路
１８ バイアスＴ回路
２０ 増幅器
２２ バイアスインダクタ
２４ シャント抵抗
２６ 並行配線
２８ 並行配線

Claims (5)

1. 超伝導状態に保たれた検出部に粒子又は光子が衝突して該検出部が常伝導状態に転移す
   ることにより、粒子又は光子が検出されたことを示す電気信号を出力する粒子・光子検出
   器であって、直列に接続された複数の検出部と、該直列に接続された複数の検出部と並列
   に設けられた二つの並行配線とを備え、前記直列に接続された複数の検出部の各接続部および先頭の検出部の出力端が交互に前記二つの並行配線に抵抗器を介して接続されており、前記二つの並行配線のうちの少なくとも一方を通して、前記複数の検出部からの電気信号を読み出すことを特徴とした粒子・光子検出器。
2. 前記抵抗器の抵抗値は、常伝導状態に転移したときの前記検出部の抵抗値よりも小さい、請求項１に記載の粒子・光子検出器。
3. 前記並行配線のうちの一方は、バイアスＴ回路を介して電流源に接続され且つバイアスインダクタを介して前記直列に接続された複数の検出部の一端に接続されており、前記電流源から前記直列に接続された複数の検出部にバイアス電流を供給するためのバイアス電流供給配線として機能すると共に、前記直列に接続された複数の検出部から並列に電気信号を読み出すための読み出し配線として機能する、請求項１に記載の粒子・光子検出器。
4. 前記並行配線のうちの他方が、接地されたグランド配線である、請求項３に記載の粒子・光子検出器。
5. 前記並行配線のうちの他方が、前記複数の検出部から電気信号を読み出すための読み出し配線である、請求項３に記載の粒子・光子検出器。

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