超伝導トンネル接合素子を用いた可視光・分子線検出器の基礎研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09490038
• 研究機関: 理化学研究所
• 研究代表者: 清水 裕彦 理化学研究所, 情報基盤研究部・イメージ情報技術開発室, 研究員 (50249900)
• 研究分担者: 奥 隆之 理化学研究所, 情報基盤研究部・イメージ情報技術開発室, 基礎科学特別研究員 (10301748) ; 大谷 知行 理化学研究所, 研究基盤ツール開発推進グループ, 研究協力員(研究職) (50281663) ; 佐藤 広海 理化学研究所, 情報基盤研究部・イメージ情報技術開発室, 基礎科学特別研究員 (20300874) ; 川井 和彦 理化学研究所, 研究基盤ツール開発推進グループ, 研究協力員(研究職) (00312265) ; 池田 時浩 理化学研究所, 情報基盤研究部・イメージ情報技術開発室, 基礎科学特別研究員 (80301745)
• キーワード: 超伝導トンネル接合素子 / 光検出器 / 低温計測

研究概要

本研究は超伝導トンネル接合素子の光子、分子線に対する応用を研究し、実用型検出器まで発展させるために解決すべき問題点を明らかにすることを目的とする。単一光子分光機能や信号雑音比に優れた分子線検出等が当面想定される応用である。超伝導トンネル接合素子は1K未満という極低温で動作する素子であり、研究内容は素子の試作と微弱な信号を極低温部から常温部まで導く特殊回路の開発が柱となる。
まず、理化学研究所内の超伝導トンネル接合素子作製専用プロセスラインを用いて可視光を検出できる水準の超伝導トンネル接合素子作成を行った。超伝導トンネル接合素子の層構造としてはアルミニウムの準粒子トラップ層を持つNb/Al/AlO_x/Al/Nb、Nb/Ta/Al/AlO_x/Al/Nb/Ta/Nbを採用し、Si基板及びサファイヤ基板上に形成されたAl_2O_3バッファ層の上にスパッタすることによって形成した。その際、トンネル障壁側面の不完全性に起因する漏れ電流を再現性よく低減させるために、超伝導トンネル接合素子側面を酸素プラズマで酸化するという新たな作成方法を開発することによって、漏れ電流を平均1桁以上低減するとともに再現性を確保することに成功した。これらの検出器としての特性はまず5.9keVのX線を用いて確認した結果、20μm×20μm〜500μm×500μmの様々な大きさの接合全てで出力信号を確認し、エネルギー分解能は41eVに及ぶ性能を示し、世界最高レベルの性能を有することが確認された。また信号処理回路として信号増幅器を超伝導化することによって可視光光子や分子線等からの微弱信号を最適条件下で常温部まで導く回路の開発を行い動作を確認した。これらを組み合わせて実際に可視光光子や分子線等の検出実験が進行中である。

研究成果

• [文献書誌] W.Ootani,T.Ikeda,H.Kato,K.Kawai,H.Miyasaka,T.Oku,C.Otani,H.Sato,H.M.Shimizu,Y.Takizawa,H.Watanabe他4名: "Development of X-ray Detectors Based on Nb/A1/A1O_x/A1/Nb Superconducting Tunnel Junctions"Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A. (出版中). (2000)
• [文献書誌] T.Oku,T.Ikeda,H.Kato,K.Kawai,H.Miyasaka,W.Ootani,C.Otani,H.Sato,H.M.Shimizu,Y.Takizawa,H.Watanabe他4名: "High Resolution X-ray Detectors Based on Superconducting Tunnel Junctions with SQUID Readout"Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A. (出版中). (2000)
• [文献書誌] H.Sato,T.Ikeda,H.Kato,K.Kawai,H.Miyasaka,T.Oku,W.Ootani,C.Otani,H.M.Shimizu,Y.Takizawa,W.Watanabe他4名: "Development of Superconducting Tunnel Junctions with Al Trapping Layers for X-ray Detectors"Proceedings of 4th European Conference on Applied Superconductivity. (出版中). (2000)
• [文献書誌] T.Ikeda,H.Kato,K.Kawai,H.Miyasaka,T.Oku,W.Ootani,C.Otani,H.Sato,H.M.Shimizu,Y.Takizawa,H.Watanabe他4名: "A Compact High-Resolution X-ray Detector System Using STJ and a SQUID Amplifier"Proceedings of 4th European Conference on Applied Superconductivity. (出版中). (2000)
• [文献書誌] C.Otani,T.Ikeda,H.Kato,K.Kawai,H.Miyasaka,T.Oku,W.Ootani,H.Sato,H.M.Shimizu,Y.Takizawa,H.Watanabe他4名: "Properties of Substrate Phonon Events in Superconducting Tunnel Junctions Induced by X-ray Absorption"Japanese Journal of Applied Physics. (出版中). (2000)
• [文献書誌] H.Sato,T.Ikeda,H.Kato,K.Kawai,H.Miyasaka,T.Oku,W.Ootani,C.Otani,H.M.Shimizu,Y.Takizawa,H.Watanabe他4名: "Development of Superconducting Tunnel Junctions with an Aluminum-Oxide Insulation Layer for X-ray Detection"IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 9. 4475-4478 (1999)