超伝導体検出器を用いたフォトン検出イメージ情報研究ユニット佐藤広海、大野雅史、有吉誠一郎、三島賢二、清水裕彦計算宇宙物理研究室滝澤慶之大阪電気通信大学志岐成友、倉門雅彦超伝導トンネル接合素子 Superconducting Tunnel Junctions (STJ) 超伝導転移端温度計 Transition Edge Sensor (TES) 超伝導体を用いた検出器 ★不利な点 ●極低温（数10～数100 mK） → クライオスタット、寒剤が必用 ●極低温で動作する電子回路の入手が困難 ●熱容量の関係で、配線数を増やせない → 多ピクセル化が困難 ●検出面積が狭い（通常、数100μｍ角程度）それでも開発するのは何故か？既存の検出器にない優れた特徴を有している → 上記の不利な点を帳消しにするような「究極の測定」が実現可能 ●今まで測れなかったものが「測れる」 ●既存の検出器をはるかに凌ぐ「測定精度」「検出効率」超伝導検出器の特徴超伝導トンネル接合素子：STJ 超伝導転移端温度計：TES １．優れたエネルギー分解能半導体検出器より優れた、かつ可視光領域までエネルギー分解能を有する検出器２．不感領域が存在しない低エネルギーフォトン、荷電粒子のエネルギー測定が可能３．高い耐放射線性能数Gradのdose量に対しても特性が劣化しない STJ Superconducting Tunnel Junctions STJの構造 Z 転移温度 (K) ギャップエネルギー(meV) Al 13 1.20 0.34 Nb 41 9.23 3.1 Ta 73 4.48 1.4 5mm 100μm 100mm x 100mm PAD 5mm STJ （検出器となる部分）放射線検出器としての動作原理放射線からのエネルギーの付与直接吸収型 ↓ ・温度：転移温度のおよそ1/10 超伝導体中のクーパー対を解離 Nbの場合：0.35K ↓ 発生した準粒子（電子）がトンネル効果でもう一方の超伝導体電極へ ↓ 信号動作条件基板吸収型・磁場：～100G STJの特徴 Charge carrier: クーパー対の解離によって発生した準粒子（電子）解離エネルギー (1.7D) = 2.6 meV @ Nb FWHM = 2.35 (1.7D) F E = 4.3eV @ 5.9 keV Fano factor Energy 半導体検出器に比べてエネルギー分解能の良い放射線検出器吸収率（Nb 200nm+Al 50nm）： 5％＠5.9 keV, 55％＠1keV, 100％＠300eV エネルギー分解能の比較テラヘルツ光赤外可視紫外Ｘ線エネルギー測定カウンターエネルギー分解能 [eV] 10000 半導体検出器 1000 研究スタート STJ(Nb)マルチトンネリング 100 STJ(Nb ) STJ(Al) 10 650GHz 1 0.1 meV 10 100 eV 10 100 放射線のエネルギー keV 10 100 MeV X線の検出 55Fe Nb/Al/AlOx/Al/Nb X線源使用極端紫外線の検出 KEK-PFで実験 (BL-12A) 100μm角可視光の検出 50μm角 1光子 2光子 3光子硬X線の検出基板吸収型検出法を用いた検出 KEK-PF BL-14A TES Transition Edge Sensor TESの動作原理構成：フォトンの吸収体＋高感度温度計（TES）フォトン入射時の吸収体の温度上昇を、高感度な温度計（TES）で測定極低温での物質の格子比熱抵抗：温度の３乗に比例して小さくなるフォトン極低温での物質の電子比熱 T0 TES 温度：温度に比例して小さくなる T0 → mK程度の温度上昇熱リンク熱浴 V0 Dc-SQUID 超伝導体のTc付近における抵抗値の急峻な温度依存性を利用 TESの特徴 ★エネルギー分解能 DE( FWHM )  2.36 4kTc2C (1 /  ) n / 2 C : 熱容量 α：転移の急峻さを表すパラメタ（=d[logR]/d[logT]）ｎ：定数（=5） ●Tc, Cが小さいほど、またαが大きいほど良い分解能が実現 ★信号の時定数 C eff  G(1   / n) （数10～数100μs） G：TESと熱浴の間の熱コンダクタンス開発の現状 5.9keV X線による評価 SRON NIST GSFC Jyvaskyla 東大 DE(eV) (ms) Thermometer Tc(mK) 4.5 (3.9) 100 TiAu 96 4.5 750 MoCu 93 6.1 310 MoAu 106 9.2 260 TiAu 150 9.4 400 IrAu 110 東大中沢・高橋研～昨年度より、当研究室でも開発を開始～ Rn(W) Absorber 0.25 Cu 0.017 None/TES 0.010 None/TES 0.25 Bi 0.15 None/TES まとめ STJやTESは、半導体検出器に比べて優れたエネルギー分解能を実現している。超伝導検出器は、スイッチポンの汎用検出器となるのには、まだ時間がかかるが、科学応用の様に、手間をかけてもより精度の良いデータが必要な場合に、威力を発揮する検出器である。・・・とは言うものの、より使いやすいものにする努力は必要 ★ 今後の開発項目 ●検出面積の拡張 ●多素子化へ向けての超伝導回路開発 ●無冷媒冷凍器を使用したより簡便なシステムの構築【参考】低エネルギー陽子のエネルギー測定「不感領域がない」という特徴を活かして、低エネルギー粒子のエネルギー測定が可能 STJを用いて、イオン源からの陽子のエネルギースペクトルを測定した。（TESでも実験を計画中。）それぞれ2時間の測定によって得られたスペクトル Proton 400 eV Counts Counts Proton 269 eV 0.010cps ADC Channel 0.016cps ADC Channel 【参考】 STJによるテラヘルツイメージングテラヘルツ光は、電波と光の間にあたるこれまで未利用の波長領域の光であり、被爆や損傷を与えることなく物質内部の形状や性情を観測・分析できる可能性をもち、さまざまな分野での応用が期待されている。 STJは高感度なテラヘルツ光検出器となる。実験のセットアップ STJを用いた世界初のテラヘルツ透過画像（SUICAカード）