超伝導トンネル接合素子を用いた紫外線1光子分光検出器の開発

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12440057
• 研究機関: 理化学研究所
• 研究代表者: 大谷 知行 理化学研究所, 川瀬独立主幹研究ユニット, ユニット研究員 (50281663)
• 研究分担者: 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, 研究員 (20300874) ; 滝澤 慶之 理化学研究所, 情報基盤研究部イメージ情報技術開発室, 研究協力員(研究職) (70312246) ; 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(副主任研究員) (50249900) ; 池田 時浩 理化学研究所, 原子物理研究室, 研究員 (80301745) ; 奥 隆之 理化学研究所, 川瀬独立主幹研究ユニット, 研究協力員(研究職) (10301748)
• キーワード: 超伝導トンネル接合素子 / 検出器 / 紫外線 / 1光子分光

研究概要

平成13年度は、平成12年度に整備した紫外線導入システムを用いた紫外線光子の1光子検出を試みたが、紫外線光子の検出には至らなかった。これには2つの原因が考えられた。
1つは、Heガスフロー型の紫外線光源からのHeガスがクライオスタットの最低温度部に多量に侵入して最低温度部の温度が上昇してしまうためである。これに対しては、光源側のガスが漏れにくいペンシルビームコリメータを新たに導入し、検出器の置かれた最低温度部への熱流入を押さえることに成功した。
もう一つの原因は、読み出し雑音が約8eVと紫外線光子の検出のためには大きすぎるということであった。軟X線光源を用いた予備実験の結果、この雑音成分の大部分はクライオスタット内のステンレス同軸信号配線の高い浮遊容量(約200pF)に起因することがわかった。そこで、この配線を低抵抗(〜1-3Ω)の単線に置き換え、浮遊容量を約60gFに低減した。この結果、読みだし雑音を2.1eV相当にまで低減すること成功した。これにより、紫外線光子により発生する信号出力が雑音成分に埋もれることなく検出される目処が立った。
さらに、並行して素子作製プロセスの改良を進め、新たに陽極酸化法を導入することにより、素子の漏れ電流を1nA以下に抑えたまま臨界電流値を約10倍にすることに成功した。臨界電流値の上昇は、トンネル障壁の厚みがさらに薄くなっていることを意味し、これにより、発生準粒子のトンネル確率が飛躍的に向上し、出力信号のが大きくなることが期待され、より高いS/Nでの紫外線光子検出が可能になると考えられる。
以上のように、平成12年度は、読み出し系と素子作製においてほぼ究極的と言える極めて重要となる要素技術を開発することができた。これらを用いて、すでに紫外線用素子の作製をすすめており、平成14年度に高いエネルギー分解能(波長分解能)の検出器の実現をめざす。

研究成果

• [文献書誌] C.Otani, Y.Takizawa, H.Sato他9名: "Development of Superconducting Tunnel Junctions as an Enagy-Dispersive Detector for UV and Visible Photons"Physica C : Superconductivity. (出版中). (2002)
• [文献書誌] 清水裕彦: "超伝導トンネル接合素子の開発と応用"日本物理学会誌. 56. 675-683 (2001)
• [文献書誌] T.Oku, T.Ikeda, C.Otani他11名: "Development of a superconducting analog-to-digital converter as a readout for high-resolution X-ray detectorsbased on a superconducting tunnel junction"IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Conputer Science. (出版中). (2002)