超伝導トンネル接合X線検出器用極低温動作型前置増幅器の開発

• Project/Area Number: 08780477
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: エネルギー学一般・原子力学
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 前畑 京介 九州大学, 工学部, 助手 (30190317)
• Project Period (FY): 1996
• Project Status: Completed (Fiscal Year 1996)
• Budget Amount: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 1996: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 極低温動作型前置増幅器 / Nb型超伝導トンネル接合 / 大面積接合 / 高エネルギー分解能X線検出器

Research Abstract

超伝導トンネル接合(STJ)を利用した高エネルギー分解能X線計測のためには、STJ素子からの信号を非常に高いS/N比で処理する高性能前置増幅器の開発が必要になる。STJ検出器は静電容量が大きく前置増幅器初段FETに電子雑音を誘発するため大面積化が困難であり、良好な特性が得られたSTJ検出器の有効面積は100x100μm^2程度であった。本研究では、このようなSTJ検出器特有の種々の雑音の寄与を考慮した電荷有感型前置増幅器の信号処理特性を解析し、高エネルギー分解能STJ検出器用極低温動作型前置増幅器の設計及び製作を行った。前置増幅器の性能は初段FETの特性と帰還抵抗Rf及び帰還コンデンサーCfで決定する。本研究では市販の半導体検出器用電荷収集型前置増幅器CANBERRA 2003BTの初段FET、Rf及びCfを取り外し、その部分を前置ヘリウム3クライオスタットの液体窒素シールド板上に設けた極低温ステージに取り付け、室温部分から極低温部への導入端子及び配線は雑音の影響を極力低減する構造にした。初段FETとしては、110K程度の低温領域において良好な特性を有する2SK190を使用し、実効的に高いトランスコンダクタンスを得るために4個の並列接続とした。ドレン電流による発熱と極低温ステージとの熱接触とのバランスによりFET最適動作温度を制御した。本研究で製作した極低温動作型前置増幅器を200x200μm^2の大面積Nb系STJ検出器に接続し、5.9keVのX線に対する検出器の応答を調べた。このとき、前置増幅器の電子雑音に相当するパルサーの半値幅は80eVと非常に良い特性を示した。200x200μm^2の大面積STJ検出器の5.9keVのX線に対するエネルギー分解能として100eV以下という非常に優れた性能が得られ、Si半導体検出器の性能を越える大面積STJ検出器の開発の可能性が示された。