Development of the ultra-high resolution radiation measurement with superconducting quantum detectors

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K13812
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 美馬 覚 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 研究員 (50721578)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 超伝導検出器 / 超伝導 / MKID / 粒子検出 / 超伝導工学

Outline of Annual Research Achievements

検出器に用いる超電導材料としては高純度の結晶材料が手に入りやすい、ニオブとニオブチタンを採用している。超電導検出器MKIDのデザインは研究室で行い、超電導体の基材へのはり付け及び加工（エッチング）を企業に依頼した。当初、検出器加工はレーザー加工を検討していたが、加工した検出器の構造の保持、及び表面処理に技術的に課題が大きいことから、回路基板の加工などで使用されるエッチング法で加工している。
検出器の伝送線路の幅は、加工からの要請を満たしつつ、電磁波の漏れ出しの小さな構造になるようにした。 最小の構造が100 μm幅と50 μm幅になる両タイプの回路デザインを試作した。また、加工の限界から超伝導材料は20 μmと10 μmの物にした。
検出器の評価には、調達しているFPGAボードに高エネルギー加速器研究機構（KEK）で開発したADC/DACボードを使用した。ボードにはKEKで作成したファームウェアを搭載しており、超伝導検出器のMKIDの共振器特性と、放射線などのイベントをとらえるイベントトリガーモードが使用できる。
検出器の冷却には、理研の研究室が保有する希釈冷凍機を用いた。この冷却システムは0.1ケルビンまで冷却が可能である。冷凍機内部に低温用の低雑音アンプを設置して、検出器を評価できるセットアップを作成した。超伝導検出器を冷凍機内部に搭載語、外部にあるRFの回路システムを介してFPGAボードに接続することで、検出器の評価ができる。
冷却試験では、各共振器を探してその特性の評価を行った。検出器の特性は超伝導体事態の内部損失を表すQ値で評価を行った。Q値は10,000程度となった。Q値が1,000を越える共振が確認されており、超電導板材を直接加工する方式で超伝導検出器が動作することを検証できた。