学位論文要旨詳細

学位論文要旨


No		113416
著者（漢字）		浮辺,雅宏
著者（英字）
著者（カナ）		ウキベ,マサヒロ
標題（和）		超伝導トンネル接合素子を用いた高分解能X線検出器の研究
標題（洋）
報告番号		113416
報告番号		甲13416
学位授与日		1998.03.30
学位種別		課程博士
学位種類		博士(工学)
学位記番号		博工第4134号
研究科		工学系研究科
専攻		システム量子工学専攻
論文審査委員		主査：　東京大学　教授　中沢,正治　東京大学　教授　宮,健三　東京大学　助教授　寺井,隆幸　東京大学　助教授　高橋,浩之　九州大学　教授　石橋,健二　東京都立大学　助教授　大橋,隆哉
内容要旨		1.はじめに　超伝導トンネル接合(STJ)素子を使用した放射線検出器が高エネルギー分解能のX線スペクトロスコピィ実現のため精力的に研究され、最近では5.89keVのX線に対してAl系STJ素子によって27eVのエネルギー分解能が得られている。しかし、STJ素子を実際に実験現場での測定に供するまでには至っていない。そこで本研究では、実際のX線スペクトロスコピィに供する事のできるSTJ型X線検出器の開発をめざした。Nb系STJ素子がジョセフソン素子として製造法が確立しており、多くの研究者により研究がなされていることから本検出器の実用化には最適であるので、X線検出用素子として使用した。本検出器の実用化に際して要求される主な研究課題は以下である。　1)外部からの放射線入射が可能であること　2)エネルギー分解能が良好であること　3)検出器のX線に対する検出特性が分かっていること　4)実使用に当たっての評価　本研究では外部放射線入射型クライオスタットの作製、STJ素子に最適な前置増幅器の開発及びその雑音の評価法の確立等を行い高分解能STJ検出器を実現した。また本検出器により測定した5〜18keVのX線スペクトルを基に信号生成過程のモデルを作成し、検出器の検出特性を理論的に求めその量子効率、スペクトル形状等を定量的に評価した。さらに本検出器を蛍光X線分析に使用しその能力を検証した。 2.高分解能STJ検出器2.1.外部放射線入射型クライオスタット　X線入射用のBe窓の至近にSTJ素子を設置できるよう熱遮蔽を工夫し、外部線源との距離を25mmまで近くできるようにした外部放射線入射型³Heクライオスタットを製作し、外部からのX線を測定可能とした。 2.2.前置増幅器の最適化　本検出器で使用するSTJ素子の特性に合わせて、低雑音で放射線信号の増幅を行う電荷増幅型前置増幅器の開発研究を行った。STJ素子は極めて大きな静電容量を持つため、検出器全体のエネルギー分解能が回路雑音に大きく依存する。選択した低雑音で相互コンダクタンス(g_m)の大きいJFETを適切な温度に冷却して初段回路に使用することでSTJ素子用前置増幅器の最適化を行った。5種類のJFETそれぞれについて、4個を並列に接続したモジュールをクライオスタット内に設置し130K程度に冷却し、雑音特性(ENC:等価雑音電荷)測定実験を行うことにより、最適JFETの選択を行った。各JFETの測定結果から2SK190が非常に良い雑音特性を示すことが分かった。 2.3.雑音特性の評価式　種々のSTJ素子に対応して前置増幅器の最適化を可能とするため、従来から提案されている雑音評価式によりENCの導出評価を行ったが実験結果とは良く一致しなかった。このためRadeka等の式をもとに、検出器の静電容量が大きくなるとその効果が増大するJFET空乏層中の生成再結合雑音に着目し、大容量を持つSTJ素子に対応した電荷型前置増幅器の雑音の一般的な評価式を開発した。本式は5項からなり、1項から5項はそれぞれJFETの熱雑音、STJ素子の散弾雑音と熱雑音、JFETの1/f雑音そしてJFETの生成再結合雑音である。この式による計算結果と実験結果は非常に良く一致した。 2.4.最適化前置増幅器の応用　最適化された前置増幅器をバイアス電流1.44nAで動作する178mx178mNb/Al-AlO_x/Al/Nb STJ素子(No.17)に適用し、Nb系STJ素子としては最良の5.9keV X線に対するFWHMエネルギー分解能,66eV,を得た。そのX線スペクトルを図1に示す。図1 5.9keV X線スペクトル3.検出器のX線検出特性　STJ型検出器を実際に使うために必要な量子効率、スペクトル形状の評価はこれまで定量性の点で十分ではなかった。そこで、上記の高分解能STJ検出器で測定した5〜18keVにわたるX線スペクトルとの整合性を考慮しながら信号生成過程モデルにより固有peak効率及びスペクトル形状を以下のように定量的に評価した。 3.1.信号生成過程のモデル化　STJ素子に吸収されたX線が信号として検出されるまでの過程は(1)光電子エスケープ、(2)準粒子再結合、(3)準粒子拡散、(4)トンネリング過程の4つの過程に分けられる。従来の研究は主に第2〜4過程にのみ着目して行われてきたが、本研究では最初の段階として第1過程での光電子の素子へのエネルギー付与分布を解析的なモデルにより計算しSTJ素子の固有peak効率を評価した。次の段階としてそのエネルギー付与分布と、また別に作製した付与エネルギーにより生成された準粒子の拡散を考慮した解析モデルによりX線スペクトル形状を導出し実験値との比較によりモデルの検証を行った。 3.2.エネルギー付与分布計算　2.37〜18.98keVのX線が光電効果によって発生させた光電子のNb系素子へのエネルギー付与分布は以下のようにして求めた。まず、L殻の電子励起で生じる1次光電子の平均のエネルギーを求め、その放出角度の確率分布をK殻近似で決定した。次に光電子が発生させるhotspotの形状をすべての電子が深さR₁まで直線的に進み、かつそこから半径R₂の球状に等方散乱を行うとする電子の拡散モデルを用いて、その大きさをBetheの関係式を低エネルギー領域に拡張したRao-Wittryの阻止能を用いて決定した。また、hotspot内での電子の複雑な運動は1次光電子が発生点で一回だけ散乱後、hotspot境界まで直線状に進むと仮定する1回散乱モデルで近似した。さらに光電子の発生点とその放出角度から決定したhotspotの幾何的な条件から求めた光電子が素子中を通過する長さをもとに、光電子が付与するエネルギーは連続減衰近似に従うとして阻止能を用いて求めた。その光電子が素子中を距離Xだけ通過する際、エネルギーEを付与する確率は遮蔽ラザフォード微分散乱断面積をもとにして求めた。この計算で、光電子がすべてのエネルギーを素子に付与する確率が固有peak効率になる。このようして得られた各エネルギーのX線に対する素子の固有peak効率を図2に、また、5keV X線の素子へのエネルギー付与分布を図3に示す。図2固有peak効率のエネルギー依存性図3 5keV X線のエネルギー付与分布3.4.スペクトル形状の再現　素子に付与されたX線エネルギーは、第3過程において多くがギャップエネルギー程度のエネルギーを持つ準粒子に変換される。この準粒子の振る舞いも素子のX線に対する応答を決定している。準粒子の素子中での振る舞いは、素子周辺、素子電極内での捕獲を考慮した拡散方程式を解くことで得られる。得られた応答特性はN₀個の準粒子のみが存在したときのものであるから、STJ素子のように第1過程でのエネルギー付与、つまり素子で発生する準粒子の数に分布がある場合は、各々の数の準粒子に対しての応答の重ね合わせたものが素子のX線に対する応答となる。そこで、正方形電極における準粒子の拡散を解き、それと先に求めたX線のエネルギー付与分布を組み合わせることで、測定に使用した素子のX線スペクトルを計算した。得られた5keV X線に対するスペクトルを図4に示す。図4計算された5keV X線に対するスペクトル3.5.計算結果の評価　これらの計算結果と放射光を使用して測定した5〜18keVの単色X線スペクトルを比較した。その結果を図5、6に示す。固有peak効率は12keV以上のエネルギーの領域を除いてはその両者で極めてよく一致し、スペクトル形状もX線peakの低エネルギー側の長い裾をほぼ再現できたので本計算のモデルが妥当であると確認した。図5実験結果と計算結果の比較(固有peak効率)図6実験結果と計算結果の比較(5keV X線スペクトル)4.蛍光X線分析への応用　STJ型X線検出器の実際のX線計測への適応性の検証を放射光施設であるSPring-8で行った。178m x 178m Nb/Al-AlO_x/Al/Nb STJ素子を蛍光X線分析用X線検出器に使用し、通常X線検出に使われているSi(Li)検出器と比較した。分析結果の一例として、試料にゆで卵の黄身を用いたときの蛍光X線スペクトルを図7に示す。検出効率など解決すべき点はあるものの、本検出器により半導体検出器より高いエネルギー分解能で各蛍光X線を弁別できることを実証できた。図7蛍光X線スペクトルの一例(試料:ゆで卵の黄身)5.結論　STJ素子に最適化した4個の2SK190を初段に用いた冷却型前置増幅器と1.44nAのバイアス電流で動作する178m x 178m Nb/Al-AlO_x/Al/Nb STJ素子によって、Nb系としては最良の66eVという高エネルギー分解能を実現した。またSTJ素子用前置増幅器の雑音を予測する雑音評価式を作成し、実験値との比較によりその妥当性を確認した。STJ素子のX線信号生成過程、特にX線により発生した1次光電子のエスケープ、準粒子の拡散過程のモデル化により素子の固有peak効率等の検出特性を計算、測定した5〜18keVの単色X線スペクトルをもとに評価した。その結果12keV以下のX線についてはほぼ実験値と計算値は一致し、本モデルの妥当性を確認した。STJ型X線検出器を実際に蛍光X線分析に適用し、その検出性能の検証を行った。その結果、本検出器が半導体検出器以上の高エネルギー分解能で蛍光X線を弁別できることを実証できた。
審査要旨		今から30〜40年前に放射線検出器は、NaIシンチレータから半導体検出器へ、エネルギー分解能の抜本的向上という革命的出来事があった。NaIシンチレータの分解能は、半値巾で約10%、それが半導体検出器になると約0.2%に迄改良されたのであるが、今回は超伝導トンネル接合素子(ジョセフソン素子)を用いて同じことが起きようとしている。例えば、Fe-55のエックス線(5.9keV)に対し半導体検出器だと、半値巾は既に実現されている理想値で100eVであるが、超伝導ジョセフソン素子を用いると1〜2eVに迄いくだろうと言われている。　超伝導のジョセフソン素子が発見された1962年から、常にこの素子を放射線測定器に使う可能性は言われ続けてきたが、その可能性が議論できるような素子が出始めてきたのはつい最近のことである。国内では、新日鉄のグループが国際的にも秀れたNb系の超伝導トンネル接合素子を作っており、本論文はこの新日鉄のジョセフソン素子を使って、どれ程の高分解能の放射線測定器になり得るかを検討評価したものである。結論としては、Nb系ジョセフソン素子としては、国際的にも最高級のエネルギー分解能の実現を示した論文であり、論文自身は7章から構成されている。　第1章は、序論であり、本研究の経緯や超伝導トンネル接合素子(Super conducting Tunneling Junction,STJ素子という)の放射線検出器としての動作原理や研究の現状についてレビューし、STJ素子中にエックス線が入ったときの物理的現象の概略と新日鉄の素子を用いて実際の実験に利用できるようなSTJ検出器の開発を目的にすると述べている。　第2章は、このような超伝導状態を実現するために必要なクライオスタットについてまとめている。実用的な放射線検出器を作るという観点より、外部から放射線が入射して、超伝導検出器で計数できるように窓材を工夫しているほか、電気的雑音や熱雑音、音響雑音などにも配慮した構造としている。　第3章は、最適な前置増幅器の設計について検討しており、STJ素子の静電容量が大きいことに対応した電荷型前置増幅器が要求されており、このことに対し低雑音で相互コンダクタンスの大きくかつ消費電力の少ないJFET素子のうちから、2SK190という製品を見つけ出し、これを4つ並列接続して目的を達成している。また、雑音について定量的な評価を行ない、新しく生成再結合雑音とでも呼ぶ頃を見つけ、大きな容量をもつ検出器では重要と指摘するとともに、実測値とのよい一致を示している。　第4章は、STJ検出器によるエックス線検出特性について述べており、電流対電圧特性、エックス線入射時のピーク位置や検出効率の入射エネルギー依存性、バイアス電流依存性について、実験的に評価している。特に、この実験的評価において、鉄55の5.9keVエックス線に対し半値巾66eVというNb系では世界一、超伝導検出器として世界でもトップレベルのデータを出している。　第5章は、STJ検出器内で生じている信号形成過程の理論的解析で、準粒子再結合、拡散過程の重要性を指摘している。また、光電ピーク効率の実験値との詳細な比較を行ない、スペクトル形状全体に渡って計算による再現を試み、簡単なモデルにしてはまずまずの一致度を示し、今後のモデル化の方向性について示している。　第6章は、STJ検出器の実際の測定への応用であり、この検出器を遠路はるばると東海村から播磨の大型放射光施設Spring8まで運び、そこで蛍光エックス線分析に利用してみた例について示している。この利用では、低い検出効率や散乱線の効果等により微量元素分析には到らなかったが、多くの経験を積み、今後の改善点を示している。　第7章は、結論と今後の課題につき述べ、66eVという最高性能を示してはいるが、理想からすればまだ20倍以上も悪いので、今後はSTJ素子自身の製作にも挑戦したいとしている。　本研究により、超伝導エックス線検出器の研究は、格段の進歩を示し、高分解能検出器としてSpring-8の現場にまで利用できるようになり、放射線計測上、誠に大きな成果を挙げたと言えよう。　よって、本研究は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。
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