JP6388815B2

JP6388815B2 - 粒子検出器

Info

Publication number: JP6388815B2
Application number: JP2014218137A
Authority: JP
Inventors: 伸幸全; 成友志岐; 大久保　雅隆; 雅隆大久保
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2034-10-27
Also published as: JP2016085867A

Description

本発明は、粒子（荷電粒子を含む）・光子検出器に関し、特に、超伝導ストリップ型粒子・光子検出器に関する。

超伝導検出器は、厚さ数ｎｍ〜数μｍの超伝導薄膜から構成されるが、光や粒子（荷電粒子を含む）が超伝導薄膜に入射した際のクーパー対の破壊によって生じる準粒子生成を検出原理としている。クーパー対の束縛エネルギーが極めて小さいため、超高感度な光・粒子検出器として期待されている。
特に、飛行時間型質量分析計では、粒子の質量が大きくなるほど飛行速度が低下するが、質量分析計に広く用いられている二次電子生成を基本原理とする検出器では、飛行速度が遅い粒子に対する検出感度が劣化するのに対し、超伝導検出器では、質量の大きな（飛行速度が遅い）分子に対しても検出感度を有しており、分子の質量に依存しない質量分析を実現できる。
本出願人は、質量に依存しない検出感度と、粒子径同等の有感面積を持つ超伝導ストリップ線に直流バイアス電流をかけた超伝導ストリップ型粒子・光子検出器を既に出願しており（特許文献１〜３参照）、このうち特許文献２、３では、超伝導ストリップ線の並列配置に取り組んできた。
なお、超伝導ストリップ型粒子・光子検出器は、超伝導状態に保たれた超伝導ストリップ線に光子又は粒子が衝突すると該衝突箇所が常伝導状態に転移し抵抗変化を生じることにより光子又は粒子が検出されたことを示す電気信号を出力する構成であるから、直流バイアス電流の大きさは超伝導臨界電流、すなわち、これ以上の電流を流すと抵抗が生じる臨界電流より低い直流バイアス電流を用いる。

特開２００４−２１４２９３号公報特開２００９−０２１４７８号公報特開２０１１−１８５６４２号公報

N. Zen et al., Applied Physics Letters 104, 012601 (2014).

粒子径同等の面積を実現するためには、図１に示すような超伝導ストリップ線の並列配置が必須であるが、本発明者等の研究によって、図１に示した従来の直流バイアス電流回路では、粒子を検出する毎に、超伝導ストリップ線を流れていた直流バイアス電流が、並列に接続された超伝導ストリップ線に流れ込むことが明らかとなった（非特許文献１参照）。検出器の感度を上げるためには、さらに直流バイアス電流を増加させる必要があるが、バイアス電流が並列超伝導ストリップ線に流れ込むことにより全超伝導ストリップ線のカスケード的な超伝導−常伝導転移が誘発された。また、本発明者等は、光子や粒子を検出した際に、バイアス電流が並列に接続された超伝導ストリップ線に流出することを抑制するために、各超伝導ストリップ線にバイアス抵抗を直列に接続することが有効であることもシミュレーションによって明らかにした（非特許文献１参照）が、しかしながら、図１に示した回路構成の各超伝導ストリップ線に対してバイアス抵抗を直列に接続したのでは、直流バイアス電流がバイアス抵抗を流れてしまい、発生するジュール発熱によって検出器の特性が劣化することも明らかになった。
このため、従来の構成では、量子効率１００％を保証する領域まで直流バイアス電流を検出器に印加することは不可能であった。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、検出器の特性を劣化させることなく、粒子を検出した際に直流バイアス電流が並列に接続された超伝導ストリップ線に流出することを抑制した超伝導ストリップ型粒子検出器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、超伝導状態に保たれた超伝導ストリップに粒子又は光子が衝突すると該衝突により超伝導状態から常伝導状態に転移することにより抵抗変化を生じて生成される電気信号により粒子又は光子を検出する粒子・光子検出器であって、複数の超伝導ストリップの一端を共通に接地し、各超伝導ストリップの他端にコンデンサとバイアス抵抗を直列に接続したものを並列に合成して前記電気信号として出力するとともに、直流バイアス電流源を、各超伝導ストリップとこれに直列に接続された前記コンデンサまたはバイアス抵抗との間にコイルを介して接続し、前記直流バイアス電流源から臨界電流より低い直流バイアス電流を各超伝導ストリップに供給することを特徴とする。
また、本発明は、上記粒子・光子検出器において、前記粒子は荷電粒子を含むことを特徴とする。

本発明によれば、直流バイアス電流がバイアス抵抗を流れない回路構成であるためバイアス抵抗でジュール発熱は発生せず、かつ、バイアス抵抗によって、光子や粒子を検出した際の並列ストリップ線へのバイアス電流の流出を抑制することができるので、検出器の特性を劣化させることなく、直流バイアス電流の値を大きくして感度を上げることができる。

図１は、従来の直流バイアスを用いた並列超伝導ストリップ粒子検出器の説明図である。直流バイアス電流はコイルを介して各超伝導ストリップに供給される。粒子や光子が超伝導ストリップに衝突し、超伝導ストリップが常伝導転移すると、直流バイアス電流の一部がコンデンサを介して電流パルスとして負荷へ出力される。ここで、並列に接続された超伝導ストリップの抵抗がゼロであるので、直流バイアス電流の一部は同時に、並列に接続された超伝導ストリップに流出する。図２は、本発明の直流バイアスを用いた並列超伝導ストリップ粒子検出器の一実施例を説明した図である。超伝導ストリップに粒子や光子が衝突した際に、各超伝導ストリップを流れていた直流バイアス電流が、並列に接続された超伝導ストリップに流出することを抑制するために、超伝導ストリップに直列に有限の抵抗（バイアス抵抗）を接続している。ジュール発熱を回避するため、直流バイアス電流がバイアス抵抗を流れないようにコンデンサとコイルを配置する。超伝導ストリップに直列に接続されたコンデンサとバイアス抵抗は、これらの順序が逆であっても同様の効果が得られる。コイルは、超伝導ストリップとコンデンサまたはバイアス抵抗との間に接続する。図３は、図１の従来の検出器で測定した測定結果（■でプロット）と図２の本発明の検出器で測定した測定結果（●でプロット）を比較したグラフである。

図２は、本発明の直流バイアスを用いた並列超伝導ストリップ粒子検出器の一実施例を示した図である。図に示すごとく、本発明では、複数の超伝導ストリップの一方の端子は共通に接地され、各超伝導ストリップの他方の端子にコンデンサとバイアス抵抗を直列に接続されたものが、負荷に対して共通に接続されており、負荷において読み出しを行う。直流バイアス電流源は、コイルを介して各超伝導ストリップの他方の端子とコンデンサまたはバイアス抵抗の間に接続されており、直流バイアス電流源からは臨界電流以下のバイアス電流が供給される。
図２に示した本発明の検出器では、直流のバイアス電流がバイアス抵抗を流れない回路構成によってジュール発熱は発生せず、バイアス抵抗によって、光子や粒子を検出した際の並列ストリップ線へのバイアス電流の流出を抑制することが可能となった。従来の図１の回路構成では、並列ストリップ線のカスケードスイッチングのために、十分な検出感度が得られる領域までバイアス電流を印加することが不可能であったが、本発明により、量子効率１００％を保証する領域までバイアス電流を印加してもストリップ線のカスケードスイッチは観測されず、大きな有感面積と１００％の検出感度を同時に実現することが可能となった。
図２では、超伝導ストリップに直列に接続されたコンデンサとバイアス抵抗の配置は、「超伝導ストリップ−コンデンサ−バイアス抵抗」の順で、コイルは超伝導ストリップとコンデンサの間に接続したものが図示されているが、配置が「超伝導ストリップ−バイアス抵抗−コンデンサ」の順である場合にも、コイルを超伝導ストリップとバイアス抵抗の間に接続すれば同様の効果が得られる。すなわち、バイアス抵抗によって、超伝導ストリップに粒子や光子が衝突した際に、各超伝導ストリップを流れていた直流バイアス電流が、並列に接続された超伝導ストリップに流出することを抑制することができ、さらに、コンデンサとコイルの配置によって、直流バイアス電流がバイアス抵抗を流れないようにしてジュール発熱を回避することができるのである。
図３は、横軸がバイアス電流／臨界電流、縦軸が計数率［ｓ^-1］を表し（ここで臨界電流とは、超伝導状態に保たれた超伝導ストリップ線にこれ以上直流バイアス電流を流すと抵抗が生じて常伝導状態に転移する電流値のことを意味する）、■でプロットしたものが図１の従来の検出器で測定した測定結果であり、●でプロットしたものが図２の本発明の検出器で測定した測定結果を表すグラフである。図３によれば、本発明の検出器により量子効果１００％を保証する領域まで検出できることが確認でき、従来なし得なかった１００メガダルトンを超える質量を持つウイルスの凝集体の検出に成功した。

遺伝子治療におけるウイルスベクターの品質管理、ウイルスディスプレイによる抗体医薬品の開発、抗体医薬品の凝集形成評価、工業用ナノ粒子の凝集形成評価等の巨大分子を評価する手法として、エレクトロスプレーイオン化法を用いた質量分析が行われており、当該手法は、多価のイオンを生成するために、超伝導検出器のような超高感度な検出器を必要としないが、分子の質量によって帯電量が異なっており、質量を一意に決定することが従来の検出器では困難であった。しかしながら、本発明の検出器であれば、巨大分子の１価であっても十分に検出感度があり、質量を一意に決定することが可能である。また、二次電子生成を基本原理とする検出器において、２メガダルトンの１価を測定可能な検出器が従来市販されているが、本発明の検出器により実証された１００メガダルトンの１価の検出は、それらの性能を大きく上回る。

Claims

超伝導状態に保たれた超伝導ストリップに粒子又は光子が衝突すると該衝突により超伝導状態から常伝導状態に転移することにより抵抗変化を生じて生成される電気信号により粒子又は光子を検出する粒子・光子検出器であって、
複数の超伝導ストリップの一端を共通に接地し、各超伝導ストリップの他端にコンデンサとバイアス抵抗を直列に接続したものを並列に合成して前記電気信号として出力するとともに、
直流バイアス電流源を、各超伝導ストリップとこれに直列に接続された前記コンデンサまたはバイアス抵抗との間にコイルを介して接続し、前記直流バイアス電流源から臨界電流より低い直流バイアス電流を各超伝導ストリップに供給することを特徴とする粒子・光子検出器。
前記粒子は荷電粒子を含むことを特徴とする請求項１記載の粒子・光子検出器。