Study of X-ray detector using Superconducting Tunnel Junction with Silicon Pixel Absorber

X線吸収分光法は、着目する元素の吸収端近傍における吸収スペクトルを詳細に測定することにより、電子状態や結合距離などナノ構造を分析する手法である。XRD, XPS やEELS と異なり、特定元素周辺のナノ構造をバルク/表面・導体/絶縁体の状態を問わず分析できることが利点で、半導体・電極材料・触媒などの材料開発に欠かせない分析手段の一つである。特に部分蛍光収量法により特性X線を分離できれば微量元素も分析できる。部分蛍光収量法によるX線吸収分光法の検出器には、感度、エネルギー分解能、計数率が優れていることが求められる。一般には半導体検出器が用いられるが、エネルギー分解能が100eV程度であるため、微量元素の分離検出は難しいことが多い。ここで超伝導トンネル接合(STJ: superconducting tunnel junction)検出器を用いると、15eV 程度の優れたエネルギー分解能、1 mm2 の大面積、1Mcps の高計数率により、元素ごとの特性X線を分離して超高感度分析が可能となる。STJ検出器にシリコンピクセル吸収体(SPA: Silicon pixel absorber)を付与すると、Ｘ線吸収スペクトルが測定できる帯域を従来の 1 keV 以下から 15 keV 付近にまで拡大でき、分析できる元素が大幅に拡大する。しかし、SPAを有するSTJ検出器についての研究は、動作原理や最適な形状など、基礎的な部分についてさえ不十分であり、過去に試作されたSPA-STJ検出器のエネルギー分解能は半導体検出器と同等で、実用の一歩手前である。そこで本研究は、SPA-STJ検出器のエネルギー分解能を向上させることを目的として、SPAの形状がエネルギー分解能に与える影響を、試作とシミュレーションの両面から研究する。

X線吸収分光法は、着目する元素の吸収端近傍における吸収スペクトルを詳細に測定することにより、電子状態や結合距離などナノ構造を分析する手法である。XRD, XPS やEELS と異なり、特定元素周辺のナノ構造をバルク/表面・導体/絶縁体の状態を問わず分析できることが利点で、半導体・電極材料・触媒などの材料開発に欠かせない分析手段の一つである。特に部分蛍光収量法により特性X線を分離できれば微量元素も分析できる。部分蛍光収量法によるX線吸収分光法の検出器には、感度、エネルギー分解能、計数率が優れていることが求められる。一般には半導体検出器が用いられるが、エネルギー分解能が100eV程度であるため、微量元素の分離検出は難しいことが多い。ここで超伝導トンネル接合(STJ: superconducting tunnel junction)検出器を用いると、15eV 程度の優れたエネルギー分解能、1 mm2 の大面積、1Mcps の高計数率により、元素ごとの特性X線を分離して超高感度分析が可能となる。STJ検出器にシリコンピクセル吸収体(SPA: Silicon pixel absorber)を付与すると、Ｘ線吸収スペクトルが測定できる帯域を従来の 1 keV 以下から 15 keV 付近にまで拡大でき、分析できる元素が大幅に拡大する。しかし、SPAを有するSTJ検出器についての研究は、動作原理や最適な形状など、基礎的な部分についてさえ不十分であり、過去に試作されたSPA-STJ検出器のエネルギー分解能は半導体検出器と同等で、実用の一歩手前である。そこで本研究は、SPA-STJ検出器のエネルギー分解能を向上させることを目的として、SPAの形状がエネルギー分解能に与える影響を、試作とシミュレーションの両面から研究する。