Transition Edge Sensor (TES) 超伝導体検出器を用いたフォトン検出 佐藤広海、大野雅史、有吉誠一郎、三島賢二、清水裕彦 イメージ情報研究ユニット 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 Superconducting Tunnel Junctions (STJ) 超伝導トンネル接合素子 Transition Edge Sensor (TES) 超伝導転移端温度計

超伝導体を用いた検出器 それでも開発するのは何故か？ ★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

Superconducting Tunnel Junctions STJ Superconducting Tunnel Junctions

STJの構造 STJ 100mm x 100mm PAD （検出器となる部分） 5mm 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 100mm x 100mm PAD STJ （検出器となる部分）

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 放射線検出器としての動作原理 直接吸収型 基板吸収型 放射線からのエネルギーの付与 ↓ 超伝導体中のクーパー対を解離 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 ・温度：転移温度の　　　　　およそ1/10 Nbの場合：0.35K ・磁場：～100G

STJの特徴 Charge carrier: 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 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 = Fano factor Energy 4.3eV @ 5.9 keV 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 エネルギー分解能 [eV] 放射線のエネルギー eV keV MeV 10 100 meV 1 1000 0.1 10000 研究スタート 半導体検出器 STJ(Nb)マルチトンネリング STJ(Nb) STJ(Al) カウンター エネルギー測定 直接吸収型 基板吸収型 可視 紫外 赤外 テラヘルツ光 Ｘ線 650GHz

X線の検出 Nb/Al/AlOx/Al/Nb 55Fe 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 1光子 2光子 3光子 50μm角

硬X線の検出 基板吸収型検出法を用いた検出 KEK-PF BL-14A

Transition Edge Sensor 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 Dc-SQUID フォトン 熱浴 熱リンク TES 温度 抵抗 T0 V0 極低温での物質の格子比熱 ：温度の３乗に比例して小さくなる 極低温での物質の電子比熱 ：温度に比例して小さくなる →　mK程度の温度上昇 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 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） 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 （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 DE(eV) τ(ms) Thermometer Tc(mK) Rn(W) Absorber SRON 4.5 (3.9) 100 TiAu 96 0.25 Cu NIST 4.5 750 MoCu 93 0.017 None/TES GSFC 6.1 310 MoAu 106 0.010 None/TES Jyvaskyla 9.2 260 TiAu 150 0.25 Bi 東大 9.4 400 IrAu 110 0.15 None/TES 5.9keV X線による評価 東大　中沢・高橋研 ～　昨年度より、当研究室でも開発を開始　～

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。） ADC Channel Counts Proton 269 eV Proton 400 eV それぞれ2時間の測定によって得られたスペクトル 0.010cps 0.016cps

【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）