Transcript 超伝導体検出器を用いたフォトン検出

超伝導体検出器を用いたフォトン検出
イメージ情報研究ユニット
佐藤広海、大野雅史、有吉誠一郎、三島賢二、清水裕彦
計算宇宙物理研究室
滝澤慶之
大阪電気通信大学
志岐成友、倉門雅彦
超伝導トンネル接合素子
Superconducting Tunnel Junctions (STJ)
超伝導転移端温度計
Transition Edge Sensor (TES)
超伝導体を用いた検出器
★不利な点
●極低温（数10～数100 mK） → クライオスタット、寒剤が必用
●極低温で動作する電子回路の入手が困難
●熱容量の関係で、配線数を増やせない → 多ピクセル化が困難
●検出面積が狭い（通常、数100μｍ角程度）
それでも開発するのは何故か？
既存の検出器にない優れた特徴を有している
→ 上記の不利な点を帳消しにするような「究極の測定」が実現可能
●今まで測れなかったものが「測れる」
●既存の検出器をはるかに凌ぐ「測定精度」「検出効率」
超伝導検出器の特徴
超伝導トンネル接合素子：STJ
超伝導転移端温度計：TES
１．優れたエネルギー分解能
半導体検出器より優れた、かつ可視光領域までエネルギー分解能
を有する検出器
２．不感領域が存在しない
低エネルギーフォトン、荷電粒子のエネルギー測定が可能
３．高い耐放射線性能
数Gradのdose量に対しても特性が劣化しない
STJ
Superconducting Tunnel Junctions
STJの構造
Z
転移温度
(K)
ギャップエネル
ギー(meV)
Al
13
1.20
0.34
Nb
41
9.23
3.1
Ta
73
4.48
1.4
5mm
100μm
100mm x 100mm
PAD
5mm
STJ
（検出器となる部分）
放射線検出器としての動作原理
放射線からのエネルギー
の付与
直接吸収型
↓
・温度：転移温度の
およそ1/10
超伝導体中のクーパー対
を解離
Nbの場合：0.35K
↓
発生した準粒子（電子）が
トンネル効果でもう一方の
超伝導体電極へ
↓
信号
動作条件
基板吸収型
・磁場：～100G
STJの特徴
Charge carrier: クーパー対の解離によって発生した
準粒子（電子）
解離エネルギー (1.7D) = 2.6 meV @ Nb
FWHM = 2.35 (1.7D) F E = 4.3eV @ 5.9 keV
Fano factor
Energy
半導体検出器に比べてエネルギー分解能
の良い放射線検出器
吸収率（Nb 200nm+Al 50nm） ： 5％＠5.9 keV, 55％＠1keV, 100％＠300eV
エネルギー分解能の比較
テラヘルツ光
赤外 可視
紫外
Ｘ線
エネルギー測定
カウン
ター
エネルギー分解能 [eV]
10000
半導体
検出器
1000
研究スタート
STJ(Nb)マルチ
トンネリング
100
STJ(Nb
)
STJ(Al)
10
650GHz
1
0.1
meV
10
100
eV
10
100
放射線のエネル
ギー
keV
10
100
MeV
X線の検出
55Fe
Nb/Al/AlOx/Al/Nb
X線源使用
極端紫外線の検出
KEK-PFで実験
(BL-12A)
100μm角
可視光の検出
50μm角
1光子
2光子
3光子
硬X線の検出
基板吸収型検出法を用いた検出
KEK-PF BL-14A
TES
Transition Edge Sensor
TESの動作原理
構成：フォトンの吸収体 ＋ 高感度温度計（TES）
フォトン入射時の吸収体の温度上昇を、高感度な温度計（TES）で測定
極低温での物質の格子比熱
抵
抗
：温度の３乗に比例して小さくなる
フォトン
極低温での物質の電子比熱
T0
TES
温度
：温度に比例して小さくなる
T0
→ mK程度の温度上昇
熱リンク
熱浴
V0
Dc-SQUID
超伝導体のTc付近における抵抗値の
急峻な温度依存性を利用
TESの特徴
★エネルギー分解能
DE( FWHM)  2.36 4kTc2C(1/  ) n / 2
C : 熱容量
α：転移の急峻さを表すパラメタ （=d[logR]/d[logT]）
ｎ：定数 （=5）
●Tc, Cが小さいほど、またαが大きいほど良い分解能が実現
★信号の時定数
C
eff 
G(1  / n)
（数10～数100μs）
G：TESと熱浴の間の熱コンダクタンス
開発の現状
5.9keV X線による評価
SRON
NIST
GSFC
Jyvaskyla
東大
DE(eV) (ms) Thermometer Tc(mK)
4.5 (3.9) 100
TiAu
96
4.5
750
MoCu
93
6.1
310
MoAu
106
9.2
260
TiAu
150
9.4
400
IrAu
110
東大 中沢・高橋研
～ 昨年度より、当研究室でも開発を開始 ～
Rn(W) Absorber
0.25
Cu
0.017 None/TES
0.010 None/TES
0.25
Bi
0.15
None/TES
まとめ
STJやTESは、半導体検出器に比べて優れたエネルギー分解能
を実現している。
超伝導検出器は、スイッチポンの汎用検出器となるのには、まだ時間が
かかるが、科学応用の様に、手間をかけてもより精度の良いデータが必
要な場合に、威力を発揮する検出器である。
・・・とは言うものの、より使いやすいものにする努力は必要
★ 今後の開発項目
●検出面積の拡張
●多素子化へ向けての超伝導回路開発
●無冷媒冷凍器を使用したより簡便なシステムの構築
【参考】
低エネルギー陽子のエネルギー測定
「不感領域がない」という特徴を活かして、低エネルギー粒子のエネルギー
測定が可能
STJを用いて、イオン源からの陽子のエネルギースペクトルを測定した。
（TESでも実験を計画中。）
それぞれ2時間の測定によって得られたスペクトル
Proton 400 eV
Counts
Counts
Proton 269 eV
0.010cps
ADC Channel
0.016cps
ADC Channel
【参考】
STJによるテラヘルツイメージング
テラヘルツ光は、電波と光の間にあたるこれまで未利用の波長領域の光であ
り、被爆や損傷を与えることなく物質内部の形状や性情を観測・分析できる可
能性をもち、さまざまな分野での応用が期待されている。
STJは高感度なテラヘルツ光検出器となる。
実験のセットアップ
STJを用いた世界初のテラヘルツ
透過画像（SUICAカード）