超伝導転移端センサが実現する粒子線治療用線量標準の高精度化

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02341
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 大野 雅史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90391896)
• 研究分担者: 松藤 成弘 国立研究開発法人放射線医学総合研究所, 放射線医学総合研究所 加速器工学部, チームリーダー(定常) (00280743) ; 浮辺 雅宏 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (00344226) ; 清水 森人 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (20613988) ; 大谷 知行 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, チームリーダー (50281663) ; 松崎 浩之 東京大学, 総合研究博物館, 教授 (60313194) ; 神代 暁 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (60356962) ; 坂間 誠 国立研究開発法人放射線医学総合研究所, 放射線医学総合研究所 病院, 主任研究員(定常) (80455386) ; 黒澤 忠弘 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (90356949) ; 佐藤 泰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (90357153)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 超伝導転移端センサ / 重粒子線 / カロリメータ / 線量計測

研究実績の概要

治療用重粒子線ビームの粒子1個ずつのエネルギーを精密に計測しうる超伝導転移端センサ素子の開発を進めた。窒化シリコン膜付き両面研磨シリコン基板上にスパッタリングにて超伝導Ir/Au薄膜からなる温度センサ部を積膜、パターニング後、同様にスパッタリングによりニオブ電極も作成する。このIr/Au薄膜の中央部に金バンプ製のポストを作成した後、基板裏面からシリコンをヒドラジン溶液を用いたエッチングにより除去して、Ir/Au薄膜がごく薄い窒化シリコンメンブレン上に支えられるような構造を形成させる。そして最後に、重金属バルクやグラファイトの重粒子線吸収体を金バンプポスト上に搭載し、ごく少量のエポキシでこれを固定して、検出素子を完成させる。以上のような素子作成プロセスを今年度において確立し、重粒子線吸収体としてスズやタンタル等の重金属バルクやグラファイトを適用した素子を試作し、その電流電圧特性および放射線検出性能を評価した。素子冷却に適用する寒剤フリー希釈冷凍機の機械振動低減を図り、コールドステージ上にある検出素子への振動伝搬をふせぎ、検出器の電流出力で生ずるノイズの低減に努めた。この結果、スズを重粒子吸収体に用いた素子において、X線γ線源等を用いた素子性能評価テストにおいてゲルマニウム半導体検出器のエネルギー分解能理論値より5倍以上優れたエネルギー分解能を達成するに至った。本検出素子においては、重粒子検出においても優れたエネルギー弁別特性と高いLETが期待される。さらにこの希釈冷凍機をベースとする検出システムを放射線医学総合研究所HIMACの重粒子線ビーム照射ポートに持ち込むことを想定し、ビームポート上での実験機器の配置の検討、および冷凍機を支える架台の設計に着手した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

素子冷却に用いる希釈冷凍機システムにおいて不具合が生じ、試作素子の性能評価に必要な最低到達温度および冷却保持時間が得られず、この冷凍機システムの性能改善のための保守、調整作業を行うため、研究費の一部を繰り越し、研究機関を延長した。その結果、冷凍機システムの冷却能力が復調し、素子性能評価が円滑に進められるようになり、試作素子において、期待通りの高い性能を実証することができたため、研究は順調に進展しているものと判断する。

今後の研究の推進方策

今後は、検出素子のさらなる性能向上、および冷凍機システムの振動低減もさらに進めて、より高いエネルギー分解能の実現を目指すと共に、早期に放射線医学総合研究所HIMACのビームを照射して、重粒子検出性能評価を行うことを目指す。なお、本検出実験を実施するため、HIAMCのH28年度共同利用実験課題へ応募した。

研究成果

• [学会発表] マイクロ波読出しによるＴＥＳ模擬信号の測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 入松川知也
  • 学会等名: 第６３回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学, 東京
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] ＴＥＳマイクロ波読出しにおけるランプ磁束変調を用いた入出力特性の線形化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 入松川知也
  • 学会等名: 超伝導エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 東北大学, 宮城
  • 年月日: 2015-10-08 – 2015-10-09
• [学会発表] TESマイクロ波線形化読出し回路の評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 入松川知也
  • 学会等名: 第７６回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場, 愛知
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] Superconducting transition edge sensor for heavy ion detection (2015)
  • 著者名/発表者名: Masashi Ohno, Tomoya Irimatsugawa, Yoneichi Hosono, Hiroyuki Takahashi, Yasuto Miyake, Hiroyuki Matsuzaki, Shuichi Hatakeyama
  • 学会等名: 16th Internatinal Workshop on Low temperature detectors
  • 発表場所: World trade Center, Grenoble, France
  • 年月日: 2015-07-20 – 2015-07-24
  • 国際学会
• [学会発表] 超伝導転移端マイクロカロリーメータによる高精度放射線計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大野 雅史
  • 学会等名: 第109回日本医学物理学術大会 ランチタイムレクチャー（教育講演）
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川
  • 年月日: 2015-04-16 – 2015-04-19
  • 招待講演
• [図書] 第109回日本医学物理学術大会教育講演資料集 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大野 雅史
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: 超伝導転移端マイクロカロリーメータによる高精度放射線計測