超伝導トンネル接合素子を用いた硬X線検出器の基礎開発

采用超导隧道结器件的硬X射线探测器的基础研制

• 批准号: 14654041
• 负责人: 大谷 知行
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: The Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14654041/
• 关键词: 超伝導トンネル接合素子; 基板吸収検出器; X線; 硬X線検出器; 分光

平成15年度は、吸収体として最適な基板材料の検討のために、異方性の強い非線形光学結晶であるLiNbO_3を取り上げ、X線照射実験を行い、標準的に用いられているサファイヤ基板と比較した。このような異方性結晶では強いフォノンフォーカス効果が期待できるため、従来の基板材料に比べて発生フォノンを効率よく集めてエネルギー分解能が向上する可能性がある。用いた基板は、LiとNbの組成比が1:1であるストイキオメトリックな単結晶LiNbO_3基板(Z軸カット)である。これにより、格子欠陥等によるフォノン散乱の効果を抑え、X線光子の吸収により発生する基板フォノンを効率よく伝搬すると期待される。まず、理研プロセスラインで5-200μm角のサイズのSTJ素子(膜構造はNh/Al/A10x/Al/Nb)を作成し、液体^4He温度(4.2K)、減圧^4He温度(約1.5K)、及び、減圧^3He温度(0.35K)における電流-電圧特性を測定し、従来の基板材料と同レベルのよい品質の素子を得た。次に、5.9keVのX線をSTJ素子面側から照射し、発生フォノンの性質の評価実験を行った。その結果、サファイヤ基板では、基板フォノンの最大波高が、超伝導電極に直接吸収された時の波高の30%程度であるのに対し、LiNbO_3では60%にも達することがわかった(素子サイズは50μm)。仮にX線吸収位置から見た立体角に比例した数のフォノンが収集されるとすると、他の界面で反射されることなく直接STJ素子に入射するフォノンの最大波高値は原理的に50%を越えない。このことから、LiNbO_3内ではZ軸方向に強い異方性を持ち、入射側とは反対の基板界面で反射されたフォノンも検出されたと考えられる。このように、異方性結晶が基板フォノンの効率よい収集に有効であり、エネルギー分解能の向上を図る上で有効であることが確認できた。

15 year は pp.47-53, suction 収 と し て optimum な substrate material の beg の 検 た め に, different sex strong の い nonlinear optical crystal で あ る LiNbO_3 を take り げ, X-ray irradiation be 験 を line い, standard に い ら れ て い る サ フ ァ イ ヤ substrate と compare し た. こ の よ う な square difference crystallization で は strong い フ ォ ノ ン フ ォ ー カ ス unseen fruit が expect で き る た め, 従 の substrate material に than べ て 発 raw フ ォ ノ ン を sharper rate よ く set め て エ ネ ル ギ ー can decompose が upward す る possibility が あ る. With い た substrate は, Li と Nb の composition than が 1:1 で あ る ス ト イ キ オ メ ト リ ッ ク な 単 crystal LiNbO_3 substrate (Z axis カ ッ ト) で あ る. こ れ に よ り, grid owe 陥 に よ る フ ォ ノ ン scattered の unseen fruit を え suppression, X-ray photons の 収 に よ り 発 raw す る substrate フ ォ ノ ン を sharper rate よ く 伝 move す る と expect さ れ る. ま ず, riken プ ロ セ ス ラ イ ン で 5-200 microns Angle の サ イ ズ の STJ element child (membrane structure は Nh/Al/A10x/Al/Nb) を ^ 4 he make し, liquid temperature (4.2 K), subtract 圧 ^ 4 he temperature (about 1.5 K), and び, subtract 圧 ^ 3 he temperature (0.35 K) に お け る current - electric 圧 characteristic を measurement Determine the <s:1> and 従 to make the <s:1> substrate material と the same as the レベ, <s:1>, よ and よ quality <s:1> elements を to obtain た. Youdaoplaceholder0, 5.9keV <s:1> X-ray をSTJ surface side フォノ ら irradiation <s:1>, occurrence フォノ <e:1> <s:1> properties <e:1> evaluation 価 experiment を work った. そ の results, サ フ ァ イ ヤ substrate で は, substrate フ ォ ノ ン の most big Bob が, super 伝 conductive extremely high に direct absorption 収 さ れ た の wave high の 30% degree で あ る の に し seaborne, LiNbO_3 で は 60% に も da す る こ と が わ か っ た (element child サ イ ズ は 50 microns). 仮 に X-ray absorption 収 position か ら see た solid Angle proportion に し た number の フ ォ ノ ン が 収 set さ れ る と す る と, he で の interface reflection さ れ る こ と な く STJ directly element child に incident す る フ ォ ノ ン の the big wave principle of high numerical は に 50% を more え な い. こ の こ と か ら, LiNbO_3 で は Z axis に strong い different party を hold ち, incident side と は anti polices で の substrate interface reflection さ れ た フ ォ ノ ン も 検 out さ れ た と exam え ら れ る. こ の よ う に crystallization, different sex が substrate フ ォ ノ ン の sharper rate よ い 収 set に have sharper で あ り, エ ネ ル ギ ー can decompose の upward を 図 る で have sharper で あ る こ と が confirm で き た.

项目成果

Ariyoshi S., Matsuo H., Otani C., 他4名: "Nb-based Superconducting Tunnel Junctions as Submillimeter-wave Direct Detectors"IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 13・2. 1128-1131 (2003)

Ariyoshi S.、Matsuo H.、Otani C. 和其他 4 人：“基于铌的超导隧道结作为亚毫米波直接探测器”IEEE 应用超导汇刊 13・2 (2003)。

Sato H., Takizawa Y., Otani C., Siki S., 他2名: "Detection of hard X-rays using superconducting tunnel junctions"Nuclear Instruments and Methods of Physical Research A. (in press). (2004)

Sato H.、Takizawa Y.、Otani C.、Siki S. 和另外 2 人：“使用超导隧道结检测硬 X 射线”核仪器和物理研究方法 A.（出版中）。

C.Otani, Y.Takizawa, H.Sato他9名: "Development of Superconducting Tunnel Junctions as an Energy-Dispersive Detector for UV and Visible Photons"Physica C : Superconductivity. 372-376. 399-402 (2002)

C.Otani、Y.Takizawa、H.Sato 和其他 9 人：“作为紫外和可见光子能量色散探测器的超导隧道结的开发”Physica C：超导性 372-376 (2002)。

滝澤慶之, 清水裕彦 他5名: "超伝導トンネル接合撮像型検出器が拓く次世代望遠鏡"放射線、特集・宇宙と放射線計測. 29・2. 147-157 (2002)

Yoshiyuki Takizawa、Hirohiko Shimizu 等 5 人：“超导隧道结成像探测器开辟的下一代望远镜”辐射，专题：空间和辐射测量 29・2（2002）。

Y.Takizawa, T.Takahashi他3名: "Conceptual design of combined visible -Xray Wide-Band telescope"Proc. SPIE, Highly Innovative Space Telescope Concepts. 4849. 227-234 (2002)

Y.Takizawa、T.Takahashi 和其他 3 人：“组合可见光 X 射线宽带望远镜的概念设计”Proc. SPIE，高度创新的太空望远镜概念。 4849. 227-234 (2002)