Study of X-ray detector using Superconducting Tunnel Junction with Silicon Pixel Absorber

Research Project

Project/Area Number	22K12676
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	志岐成友国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (50342796)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	超伝導検出器 / フォノン / Ｘ線検出器 / モンテカルロシミュレーション / 機器分析 / 放射光
Outline of Research at the Start	「SPA-STJ検出器において、SPAのフォノンの閉じ込め効率を上げ、STJ内に励起される準粒子数を増やせば、エネルギー分解能が改善するか？」という問いに対して、試作・評価・シミュレーションの三つの側面から迫る。試作は産総研の超伝導デバイス専用クリーンルーム（CRACITY）を用いて行う。試作した素子の評価は、現有する機器を用いて、0.3K における電流電圧特性およびＸ線検出特性の評価を通じて行う。シミュレーションは購入したマルチコアＰＣを用い、Ｘ線吸収に引き続いて起こる電子・フォノン・準粒子の挙動を Geant4 / G4CMP を用いたモンテカルロシミュレーションにより行う。
Outline of Annual Research Achievements	X線吸収分光法は、着目する元素の吸収端近傍における吸収スペクトルを詳細に測定することにより、電子状態や結合距離などナノ構造を分析する手法である。XRD, XPS やEELS と異なり、特定元素周辺のナノ構造をバルク/表面・導体/絶縁体の状態を問わず分析できることが利点で、半導体・電極材料・触媒などの材料開発に欠かせない分析手段の一つである。特に部分蛍光収量法により特性X線を分離できれば微量元素も分析できる。部分蛍光収量法によるX線吸収分光法の検出器には、感度、エネルギー分解能、計数率が優れていることが求められる。一般には半導体検出器が用いられるが、エネルギー分解能が100eV程度であるため、微量元素の分離検出は難しいことが多い。ここで超伝導トンネル接合(STJ: superconducting tunnel junction)検出器を用いると、15eV 程度の優れたエネルギー分解能、1 mm2 の大面積、1Mcps の高計数率により、元素ごとの特性X線を分離して超高感度分析が可能となる。 STJ検出器にシリコンピクセル吸収体(SPA: Silicon pixel absorber)を付与すると、Ｘ線吸収スペクトルが測定できる帯域を従来の 1 keV 以下から 15 keV 付近にまで拡大でき、分析できる元素が大幅に拡大する。しかし、SPAを有するSTJ検出器についての研究は、動作原理や最適な形状など、基礎的な部分についてさえ不十分であり、過去に試作されたSPA-STJ検出器のエネルギー分解能は半導体検出器と同等で、実用の一歩手前である。そこで本研究は、SPA-STJ検出器のエネルギー分解能を向上させることを目的として、SPAの形状がエネルギー分解能に与える影響を、試作とシミュレーションの両面から研究する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究は「SPA-STJ検出器において、SPAのフォノンの閉じ込め効率を上げ、STJ内に励起される準粒子数を増やせば、エネルギー分解能が改善するか？」という問いを掲げ、検出器の試作と、シミュレーションの両面から迫る。具体的な研究の内容は(1)検出器の試作と評価(2)モンテカルロ法を用いたフォノン伝搬ミュレーションの二点である。 (1)検出器の試作と評価吸収体と基板をつなぐ梁の部分の断面積を減らした検出器チップを試作し、性能評価する予定であった。試作に利用を予定していたCRAVITY(現Qufab)の超伝導デバイス製造装置群の調子が悪く、試作が実施できなかった。このため、試作費は使用せず翌年度に繰り越した。過去に試作した検出器チップのうち、梁の断面積が小さいものをピックアップし、再評価を実施した。エネルギー分解能は悪いが、読み出しノイズは従来18eVであったものが、10eVにまで改善した。 (2 モンテカルロ法を用いたフォノン伝播シミュレーション本年度は設備費を用いてシミュレーション用のコンピュータを導入する予定であった。実際に、多コアのCPUを有するコンピュータを購入し、シミュレーション実施環境を整えた。
Strategy for Future Research Activity	SPA-STJ検出器の試作と評価、およびモンテカルロ法を用いたフォノン伝搬ミュレーションを継続する。従来STJ検出器の一画素の大きさは100ミクロン角程度が上限であった。昨年度、本課題とは独立な研究の中で、ゼロ磁場中で冷却することにより、検出器サイズを大きくしても問題が無いことが明らかになった。この結果を踏まえ、試作内容の中に、ピクセルサイズを大きくすることにより梁の断面積の相対的な割合を減らすことを含める。