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 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 09490038
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 広領域
• 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, 室長(研究職) (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, 情報基盤研究部イメージ情報技術開発室, 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, 研究協力員(研究職) (20300874) ; 川井 和彦 理化学研究所, 情報基盤研究部イメージ情報技術開発室, 研究協力員(研究職) (00312265) ; 池田 時浩 理化学研究所, 原子物理研究室, 研究員 (80301745)
• 研究期間 (年度): 1997 – 1999
• キーワード: 超伝導トンネル接合素子 / 光子検出器 / 分子線検出器 / 低温計測

研究概要

本研究は、超伝導トンネル接合素子の可視光光子及び分子線検出器としての応用における基本的な問題及び実際の応用段階で問題となる事柄を明らかにすることを目的とする。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X線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微弱な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。その後、接合表面に存在するSiO_2層を除去した構造の素子を作成することによって、検出可能な光子エネルギー領域を低エネルギー領域に拡張した。そしておよそ50eV程度までの光子の検出を実験的に証明した。これらの研究を通じて、超伝導トンネル接合素子の可視光・分子線などの低エネルギー量子の検出のための基礎技術が開発された。

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/Al/AlOx/Al/Nb Superconducting Tunnel Junctions"Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A. (出版中). (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [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)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [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 Al Trapping Layers for X-ray Detectors"Proceedings of 4th European Conference on Applied Superconductivity. (出版中). (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [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)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [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)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [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 Superconduting Tunnel Junctions with an Aluminum-Oxide Insulation Layer for X-ray Detection"IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 9. 4475-4478 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Sato, T.Ikeda, H.Kato, K.Kawai, H.Miyasaki, T.Oku, W.Ootani, C.Otani, H.M.Shimizu and H.Watanabe: "Development of Superconducting Tunnel Junctions with an Aluminum-Oxide Insulation Layer for X-ray Detectors"IEEE Trans.Appl.Supercond. 9. 4475-4478 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Ikeda, H.Kato, K.Kawai, H.Miyasaka, T.Oku, W.Ootani, C.Otani, H.Sato, H.M.Shimizu and H.Watanabe: "Development of a Compact System for High-resolution X-ray Detection using a SQUID Amplifier"IEEE Trans.Appl.Supercond. 9. 3858-3861 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [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, H.Nakagawa, H.Akoh, M.Aoyagi, T.Taino: "High-resolution X-ray Detectors based on Superconducting Tunnel Junction with SQUID Readout"Nucl.Instrum.Methods Phys Res. A444. 136-139 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [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, H.Nakagawa, H.Akoh, M.Aoyagi, T.Taino: "Development of X-ray Detectors based on Nb/Al/AlOx/Al/Nb Superconducting Tunnel Junctions"Nucl.Instrum.Methods Phys Res.. A444. 249-252 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Sato, Y.Takizawa, W.Ootani, T.Ikeda, T.Oku, C.Otani, H.Watanabe, K.Kawai, H.Kato, H.M.Shimizu, H.Nakagawa, H.Akoh, M.Aoyagi and T.Taino: "Improved Fabrication Method for Nb/Al/AlOx/Al/Nb Superconduting Tunnel Junctions as X-ray Detectors"Jpn.J.Appl.Phys.. 39. 5090-5094 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [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.Nakagawa, H.Akoh, M.Aoyagi and T.Taino: "Properties of Substrate Phonon Events in Superconducting Tunnel Junctions Induced by X-ray Absorption"Jpn.J.Appl.Phys.. 39. 1710-1718 (2000)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Sato, T.Ikeda, K.Kawai, H.Miyasaka, T.Oku, W.Ootani, C.Otani, H.M.Shimizu, Y.Takizawa, H.Watanabe, K.Morimoto and F.Tokanai: "Detection of Heavy Ions by a Superconducting Tunnel Junction"Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.. A459. 206-210 (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.M.Shimizu, T.Ikeda, H.Kato, K.Kawai, H.Miyasaka, T.Oku, W.Ootani, C.Otani, H.Sato, Y.Takizawa, H.Watanabe: "Development of Superconducting Tunnel Junctions for the Detection of X-rays and Heavy Ions"IEICE Trans.Electron.. E84-C. 35-42 (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Ikeda, H.Kato, H.Sato, K.Kawai, H.Miyasaka, T.Oku, W.Ootani, C.Otani, H.M.Shimizu, Y.Takizawa, H.Watanabe, H.Nakagawa, H.Akoh, M.Aoyagi, T.Taino: "A High-resolution X-ray Detection System using STJ and SQUID Amplifier"IEEE Trans.Appl.Supercond.. (in press). (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [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, H.Nakagawa, H.Akoh M.Aoyagi, T.Taino: "Spectral Features of Substrate Phonon Events Obtained with Superconduting Tunnel Junctions by Illuminating with X-rays"IEEE Trans.Appl.Supercond. (in press). (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Sato, T.Ikeda, K.Kawai, H.Miyasaka, T.Oku, W.Ootani, C.Otani, H.M.Shimizu, Y.Takizawa, H.Watanabe, K.Morimoto, F.Tokanai, H.Akoh, H.Nakagawa, M.Aoyagi and T.Taino: "Detection of Heavy Ions using Nb-based Superconducting Tunnel Junction"IEEE Trans.Appl.Supercond. (in press). (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Takizawa, T.Ikeda, T.Oku, C.Otani, K.Kawai, H.Sato, H.M.Shimizu, H.Miyasaka, H.Watanabe, W.Ootani, H.Akoh, H.Nakagawa, M.Aoyagi and T.Taino: "Development of Superconduting Tunnel Junctions for Ultra Soft X-ray Detectors"IEEE Trans.Appl.Supercond. (in press). (2001)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より