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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024138100
(43)【公開日】2024-10-07
(54)【発明の名称】粒子検出装置および画像生成装置
(51)【国際特許分類】
G01T 1/16 20060101AFI20240927BHJP
H01L 29/06 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
G01T1/16 B
H01L29/06 601N
【審査請求】有
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024120361
(22)【出願日】2024-07-25
(62)【分割の表示】P 2021060979の分割
【原出願日】2021-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】318010018
【氏名又は名称】キオクシア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100118843
【弁理士】
【氏名又は名称】赤岡 明
(74)【代理人】
【識別番号】100120385
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 健之
(72)【発明者】
【氏名】山根 武
(57)【要約】
【課題】熱流入を抑制することが可能でかつ超伝導ナノストリップの多線配置が可能な粒子検出装置を提供する。
【解決手段】本実施形態による粒子検出装置は、複数の超伝導ナノストリップを含み粒子発生源からの粒子を検出する検出器と、前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられたチャネルを有し、対応する超伝導ナノストリップからのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換機構と、前記変換機構からの出力を集約する集約機構と、超伝導転移温度以下の第１温度に維持する第１温度維持部と、前記第１温度維持部を格納する第１低温容器と、前記変換機構、前記第１低温容器を格納し、前記粒子発生源からの前記粒子が通過する開口部を有する真空容器と、を備え、前記検出器は前記第１低温容器内に格納されて前記第１温度維持部に接続され、前記変換機構は前記第１温度以上に維持され、前記集約機構は前記第１低温容器の外に配置される。
【選択図】図１
【解決手段】本実施形態による粒子検出装置は、複数の超伝導ナノストリップを含み粒子発生源からの粒子を検出する検出器と、前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられたチャネルを有し、対応する超伝導ナノストリップからのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換機構と、前記変換機構からの出力を集約する集約機構と、超伝導転移温度以下の第１温度に維持する第１温度維持部と、前記第１温度維持部を格納する第１低温容器と、前記変換機構、前記第１低温容器を格納し、前記粒子発生源からの前記粒子が通過する開口部を有する真空容器と、を備え、前記検出器は前記第１低温容器内に格納されて前記第１温度維持部に接続され、前記変換機構は前記第１温度以上に維持され、前記集約機構は前記第１低温容器の外に配置される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の超伝導ナノストリップを含み粒子発生源からの粒子を検出する検出器と、
前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられたチャネルを有し、対応する超伝導ナノストリップからのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換機構と、
前記変換機構からの出力を集約する集約機構と、
前記検出器と前記変換機構とを接続するケーブルと、
超伝導転移温度以下の第１温度に維持する第１温度維持部と、
前記第１温度維持部を格納する第１低温容器と、
前記第１温度以上の第２温度に維持する第２温度維持部と、
前記第２温度維持部を格納するとともに前記第１低温容器を格納する第２低温容器と、
前記第２低温容器を格納し、前記粒子発生源からの前記粒子が通過する開口部を有する真空容器と、
を備え、
前記検出器は前記第１低温容器内に格納されて前記第１温度維持部に接続され、
前記ケーブルは前記第２温度に維持される部分を含み、
前記変換機構は前記第２温度以上に維持され、
前記集約機構は前記第２低温容器の外に配置される粒子検出装置。
前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられたチャネルを有し、対応する超伝導ナノストリップからのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換機構と、
前記変換機構からの出力を集約する集約機構と、
前記検出器と前記変換機構とを接続するケーブルと、
超伝導転移温度以下の第１温度に維持する第１温度維持部と、
前記第１温度維持部を格納する第１低温容器と、
前記第１温度以上の第２温度に維持する第２温度維持部と、
前記第２温度維持部を格納するとともに前記第１低温容器を格納する第２低温容器と、
前記第２低温容器を格納し、前記粒子発生源からの前記粒子が通過する開口部を有する真空容器と、
を備え、
前記検出器は前記第１低温容器内に格納されて前記第１温度維持部に接続され、
前記ケーブルは前記第２温度に維持される部分を含み、
前記変換機構は前記第２温度以上に維持され、
前記集約機構は前記第２低温容器の外に配置される粒子検出装置。
【請求項2】
前記検出器と前記変換機構を接続する前記ケーブルの中間点にコネクタを備え、前記コネクタは前記第２温度維持部に接続されて前記第２温度に維持され、
前記ケーブルは、前記検出器と前記コネクタとを接続する第１ケーブルと、前記コネクタと前記変換機構とを接続する第２ケーブルと、を含む、
請求項１記載の粒子検出装置。
前記ケーブルは、前記検出器と前記コネクタとを接続する第１ケーブルと、前記コネクタと前記変換機構とを接続する第２ケーブルと、を含む、
請求項１記載の粒子検出装置。
【請求項3】
前記検出器と前記変換機構を接続する前記ケーブルの中間点にコネクタを備え、前記コネクタは第２温度維持部に接続されて前記第２温度に維持され、前記検出器と前記コネクタを接続するケーブルを伝播する熱量は、前記コネクタと前記変換機構を接続するケーブルを伝播する熱量より小さい、請求項１記載の粒子検出装置。
【請求項4】
前記集約機構は、動作温度が室温近傍となる、請求項１乃至３のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項5】
前記変換機構は前記第２低温容器の外に配置され、前記集約機構は前記真空容器内に格納される請求項１乃至４のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項6】
前記変換機構は前記第２低温容器の外に配置され、前記集約機構は前記真空容器の外に配置される請求項１乃至４のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項7】
前記変換機構は前記真空容器の外に配置される、請求項６記載の粒子検出装置。
【請求項8】
前記変換機構は前記第２低温容器内に格納され前記第２温度維持部に接続され、前記集約機構は前記真空容器外に配置される、請求項１乃至４のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項9】
前記変換機構は前記第２低温容器内に格納され前記第２温度維持部に接続され、前記集約機構は前記真空容器内に格納される、請求項１乃至４のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項10】
複数の超伝導ナノストリップを含み粒子発生源からの粒子を検出する検出器と、
前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられたチャネルを有し、対応する超伝導ナノストリップからのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換機構と、
前記変換機構からの出力を集約する集約機構と、
前記検出器と前記変換機構とを接続するケーブルと、
超伝導転移温度以下の第１温度に維持する第１温度維持部と、
前記第１温度維持部を格納する第１低温容器と、
前記第１温度以上の第２温度に維持する第２温度維持部と、
前記第１低温容器および第２温度維持部を格納し、前記粒子発生源からの前記粒子が通過する開口部を有する真空容器と、
を備え、
前記検出器は前記第１低温容器内に格納されて前記第１温度維持部に接続され、
前記ケーブルは前記第２温度に維持される部分を含み、
前記変換機構は前記第２温度以上に維持され、
前記集約機構は前記第１低温容器の外に配置され、動作温度が室温近傍となる、粒子検出装置。
前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられたチャネルを有し、対応する超伝導ナノストリップからのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換機構と、
前記変換機構からの出力を集約する集約機構と、
前記検出器と前記変換機構とを接続するケーブルと、
超伝導転移温度以下の第１温度に維持する第１温度維持部と、
前記第１温度維持部を格納する第１低温容器と、
前記第１温度以上の第２温度に維持する第２温度維持部と、
前記第１低温容器および第２温度維持部を格納し、前記粒子発生源からの前記粒子が通過する開口部を有する真空容器と、
を備え、
前記検出器は前記第１低温容器内に格納されて前記第１温度維持部に接続され、
前記ケーブルは前記第２温度に維持される部分を含み、
前記変換機構は前記第２温度以上に維持され、
前記集約機構は前記第１低温容器の外に配置され、動作温度が室温近傍となる、粒子検出装置。
【請求項11】
前記検出器に接続するケーブルは、前記ケーブルの導電部の断面積と、前記ケーブル両端における温度差と、前記導電部の熱伝導率との積を、前記ケーブルの長さで除した値が、前記第１温度維持部における冷却能力の１／１０以下である請求項１乃至１０のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項12】
前記変換機構から出力されるデジタル信号は、パルス幅が５０ｎｓｅｃ以上である請求項１乃至１１のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項13】
前記複数の超伝導ナノストリップは複数のグループに分割され、前記変換機構は前記グループに対応して分割されて並列配置され、
各グループに属する超伝導ナノストリップから発生するアナログ信号は、各グループに対応する変換機構に入力される請求項１乃至１２のいずれか１項記載の粒子検出装置。
各グループに属する超伝導ナノストリップから発生するアナログ信号は、各グループに対応する変換機構に入力される請求項１乃至１２のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項14】
前記検出器と前記変換機構を接続するケーブルはフレキシブル基板である請求項１乃至１３のいずれか１項記載の粒子検出装置。
【請求項15】
前記変換機構は、前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられ、対応する超伝導ナノストリップからの信号を出力し、前記対応する超伝導ナノストリップに直流を印加するバイアスティと、前記バイアスティの出力を増幅するアンプと、前記アンプの出力が閾値以上であるか否かを比較し、前記閾値以上であるときにデジタル信号を出力するコンパレータと、前記コンパレータからの出力をカウントするカウンタと、を備えている請求項１乃至１４のいずか１項記載の粒子検出装置。
【請求項16】
請求項１乃至１５のいずれか１項記載の粒子検出装置と、前記粒子発生源と、前記粒子検出装置の前記検出器と試料を相対的に移動させるコントローラと、前記集約機構の出力に基づいて前記試料の画像を生成する画像生成部と、備えた画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、粒子検出装置および画像生成装置に関する。
【背景技術】
【0002】
超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ(Superconducting Single Photon Detector)）を用いた粒子検出装置が知られている。この粒子検出装置は、ＳＳＰＤを構成する複数の超伝導ナノストリップの一つにＸ線フォトンが衝突した際にパルス信号が発生し、この発生したパルス信号のパルス数をカウントすることによってフォトン数（粒子数）を検出する。
【0003】
しかし、ＳＳＰＤは超伝導転移温度以下の極低温の容器に維持される。このため、パルス信号をカウントする機構（カウンタ）を室温側に設置した場合は、室温からの容器への熱流入が大きくなる。特にＳＳＰＤを画像生成装置に用いる場合には、超伝導ナノストリップの本数を１００本以上にすることが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－１６５４３号公報
【特許文献2】特許第５４１９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本実施形態は、熱流入を抑制することが可能な粒子検出装置およびその粒子検出装置を用いた画像生成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本実施形態による粒子検出装置は、複数の超伝導ナノストリップを含み粒子発生源からの粒子を検出する検出器と、前記複数の超伝導ナノストリップに対応して設けられたチャネルを有し、対応する超伝導ナノストリップからのアナログ信号をデジタル信号に変換する変換機構と、前記変換機構からの出力を集約する集約機構と、超伝導転移温度以下の第１温度に維持する第１温度維持部と、前記第１温度維持部を格納する第１低温容器と、前記変換機構、前記第１低温容器を格納し、前記粒子発生源からの前記粒子が通過する開口部を有する真空容器と、を備え、前記検出器は前記第１低温容器内に格納されて前記第１温度維持部に接続され、前記変換機構は前記第１温度以上に維持され、前記集約機構は前記第１低温容器の外に配置される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】第１実施形態による粒子検出装置を示す断面図。
【図2】第１実施形態の粒子検出装置を示す回路図。
【図3】粒子検出装置の動作原理を説明する斜視図。
【図4】粒子検出装置の動作原理を説明する波形図。
【図5】粒子検出装置の出力を示す波形図。
【図6】第１実施形態の第１変形例による粒子検出装置を示す断面図。
【図7】第１実施形態の第２変形例による粒子検出装置を示す断面図。
【図8】第１実施形態の第３変形例による粒子検出装置を示す断面図。
【図9】第１実施形態の第４変形例による粒子検出装置を示す断面図。
【図10】第１実施形態の第５変形例による粒子検出装置を示す断面図。
【図11】第１実施形態の第６変形例による粒子検出装置を示す回路図。
【図12】第２実施形態による粒子検出装置を示す断面図。
【図13】第３実施形態による粒子検出装置を示す回路図。
【図14】第４実施形態による粒子検出装置を示す回路図。
【図15】第５実施形態による粒子検出装置を示す断面図。
【図16】第５実施形態の一変形例による粒子検出装置を示す断面図。
【図17】第５実施形態の他の変形例による粒子検出装置を示す断面図。
【図18】第６実施形態による画像生成装置を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【0009】
（第１実施形態）
第１実施形態による粒子検出装置の構成を図１に示す。第１実施形態の粒子検出装置１００は、超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）１１０と、定電流電源１２０と、変換機構１３０と、集約機構１４０と、冷却機構１５０と、コンピュータ１６０と、を備えている。
第１実施形態による粒子検出装置の構成を図１に示す。第１実施形態の粒子検出装置１００は、超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）１１０と、定電流電源１２０と、変換機構１３０と、集約機構１４０と、冷却機構１５０と、コンピュータ１６０と、を備えている。
【0010】
冷却機構１５０は、第１低温容器１５２と、この第１低温容器１５２を内部に収納した第２低温容器１５４と、この第２抵抗容器１５４を内部に収納した真空容器１５６と、冷凍機１７０と、を備えている。
【0011】
冷凍機１７０は、第１温度維持部１７２と、第２温度維持部１７４と、を備え、二段で冷凍する。第１温度維持部１７２は、第１低温容器１５２に格納される。第２温度維持部１７４は第２低温容器１５４に格納される。ＳＳＰＤ１１０は、第１温度維持部１７２に接続され、ＳＳＰＤ１１０を構成する超伝導材料の超伝導転移温度以下である温度Ｔ１に維持される。
【0012】
変換機構１３０は第２温度維持部１７４に接続され、温度Ｔ１以上の温度Ｔ２に維持される。例えば超伝導材料がニオブの場合、温度Ｔ１は超伝導転移温度の２０％～超伝導転移温度の範囲（１．８４～９．２Ｋ）であり、例えば４Ｋ程度が考えられる。温度Ｔ２は１００Ｋ以下であり、例えば６５Ｋ程度が考えられる。
第１低温容器１５２、第２低温容器１５４には検出される粒子が透過し、熱を遮断する窓１５２ａ、１５４ａがそれぞれ設けられている。検出される粒子が硬Ｘ線フォトンの場合、窓にはアルミニウム箔などが用いられる。同様に真空容器１５６には開口部１５６ａが設けられている。また、真空容器１５６には粒子発生源１８０が格納される真空容器１９０に接続される。真空容器１５６の真空度は１．０×１０－６ｍｂａｒ以下が望ましい。
第１低温容器１５２、第２低温容器１５４には検出される粒子が透過し、熱を遮断する窓１５２ａ、１５４ａがそれぞれ設けられている。検出される粒子が硬Ｘ線フォトンの場合、窓にはアルミニウム箔などが用いられる。同様に真空容器１５６には開口部１５６ａが設けられている。また、真空容器１５６には粒子発生源１８０が格納される真空容器１９０に接続される。真空容器１５６の真空度は１．０×１０－６ｍｂａｒ以下が望ましい。
【0013】
図２に示すように、ＳＳＰＤ１１０は、シリコンウェハなどの基板２０１上に、Ｎ（Ｎ≧２）本のライン状の超伝導ナノストリップ２０２がお互いに平行でかつ等間隔に形成されている。ここでＮは自然数である。超伝導ナノストリップ２０２を構成する超伝導材料として例えばニオブなどが用いられる。
【0014】
変換機構１３０は、図２に示すように、Ｎ本の超伝導ナノストリップ２０２のそれぞれに対応して設けられたバイアスティ２０４、アンプ２０５、およびコンパレータ２０６を備えている。これらのバイアスティ２０４、アンプ２０５、およびコンパレータ２０６は、例えばプリント基板２０３上に配置される。また、変換機構１３０は、プリント基板２０３上に配置され、Ｎ本の超伝導ナノストリップ２０２に対応して設けられたＮ個のチャネルを有し、Ｎ個のコンパレータ２０６に接続されるカウンタ２０７を備えている。
【0015】
超伝導ナノストリップ２０２のそれぞれは、一端が接地され、他端が対応するバイアスティ２０４のＲＦ・ＤＣ端子に接続される。バイアスティ２０４のＤＣ端子は定電流電源１２０に接続される。バイアスティ２０４のＲＦ端子は対応するアンプ２０５の入力端子に接続される。アンプ２０５の出力端子は、対応するコンパレータ２０６の入力端子に接続される。コンパレータ２０６の出力端子は、カウンタ２０７の入力端子に接続される。
【0016】
集約機構１４０は、例えばプリント基板２０８上に配置された集配信回路２０９を備えている。集配信回路２０９は、入力端子にカウンタ２０７の出力信号を受ける。集配信回路２０９の出力端子はコンピュータ１６０に接続される。なおカウンタ２０７および集配信回路２０９は半導体回路であり、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)やＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuits)などにより作製される。また集約機構１４０は第２低温容器１５４の外でかつ真空容器１５６の内である領域に格納される。このとき、集配信回路２０９は例えばペルチェ素子２１０によって冷却される。
【0017】
（粒子検出装置の動作原理）
次に、粒子検出装置１００の動作原理について、図３および図４を参照して説明する。図３に示すように、粒子発生源１８０から発生したＸ線フォトンなどの粒子３０１が１本の超伝導ナノストリップ２０２に衝突する。超伝導ナノストリップ２０２には定電流電源１２０からバイアスティ２０４を介して予め超伝導の臨界電流を超えない程度の電流が矢印３０２のように流れている。バイアスティ２０４は高周波信号に影響を与えることなく直流を印加するためのデバイスとして機能する。超伝導ナノストリップ２０２の粒子３０１が衝突した位置近傍では超伝導から常伝導に転移した領域３０３が形成される。領域３０３は常伝導状態であるため抵抗値を持ち、領域３０３を迂回するように電流３０４が流れる。すると、この迂回によって電流が密になった領域３０５は超伝導の臨界電流を超える。このため、領域３０５が常伝導に転移し超伝導ナノストリップ２０２が分断されて電気抵抗が発生し一時的に電圧が上昇する。その後、冷却により領域３０５が再び超伝導状態に戻る。この電圧変化によってパルス信号が発生する。パルス信号はアンプ２０５にて増幅され、増幅されたパルス信号４０１の高さがしきい値４０２以上である場合、パルス幅４０３が例えば１００ナノ秒程度の矩形波４０４がコンパレータ２０６から出力される。
次に、粒子検出装置１００の動作原理について、図３および図４を参照して説明する。図３に示すように、粒子発生源１８０から発生したＸ線フォトンなどの粒子３０１が１本の超伝導ナノストリップ２０２に衝突する。超伝導ナノストリップ２０２には定電流電源１２０からバイアスティ２０４を介して予め超伝導の臨界電流を超えない程度の電流が矢印３０２のように流れている。バイアスティ２０４は高周波信号に影響を与えることなく直流を印加するためのデバイスとして機能する。超伝導ナノストリップ２０２の粒子３０１が衝突した位置近傍では超伝導から常伝導に転移した領域３０３が形成される。領域３０３は常伝導状態であるため抵抗値を持ち、領域３０３を迂回するように電流３０４が流れる。すると、この迂回によって電流が密になった領域３０５は超伝導の臨界電流を超える。このため、領域３０５が常伝導に転移し超伝導ナノストリップ２０２が分断されて電気抵抗が発生し一時的に電圧が上昇する。その後、冷却により領域３０５が再び超伝導状態に戻る。この電圧変化によってパルス信号が発生する。パルス信号はアンプ２０５にて増幅され、増幅されたパルス信号４０１の高さがしきい値４０２以上である場合、パルス幅４０３が例えば１００ナノ秒程度の矩形波４０４がコンパレータ２０６から出力される。
【0018】
カウンタ２０７には、それぞれのチャネルのカウント値を記録する部位が設けられている。一つの矩形波４０４がカウンタ２０７に到達すると、対応するチャネルのカウント値が１個増加される。このようにカウンタ２０７には、Ｎ本の超伝導ナノストリップそれぞれのカウント値が記録される。
【0019】
集配信回路２０９は、コンピュータ１６０から開始の指令を受けると、カウンタ２０７に記録されている全チャネルのカウント値をゼロにリセットする。予め定められた一定の時間を経過するとカウンタ２０７からカウント値を読み出してコンピュータ１６０に全チャネルのカウント値を転送し、全チャネルのカウント値を再びゼロにリセットするという動作を繰り返す。
【0020】
コンピュータ１６０から終了の指令を受けると、動作を終了する。各チャネルに対応する超伝導ナノストリップの位置に対するカウント値をプロットすることにより、図５に示すようなＳＳＰＤ１１０に到達した粒子数の１次元位置分布が取得される。
【0021】
ＳＳＰＤ１１０を粒子発生源１８０に対して移動させながら１次元位置分布を取得することにより、ＳＳＰＤ１１０に到達した粒子数の２次元位置分布を取得することも可能である。この２次元位置分布は粒子がＸ線フォトンの場合はＸ線像に相当する。
【0022】
ＳＳＰＤ１１０から発生するパルス信号は、図４に示す半値幅４０５が例えば２ナノ秒程度（５００ＭＨｚの周波数に相当）のアナログ信号である。このため、ＳＳＰＤ１１０と変換機構１３０を接続するケーブル２１１として、高周波信号の損失が少なく省スペースで多線を配置できる高速伝送フレキシブル基板を用いる。なお高速伝送フレキシブル基板は、同軸ケーブルのようにグラウンド線が信号線を囲うように配置する構造になっている。導電部（信号線とグランウンド線）の断面積の合計をＳ、高速伝送フレキシブル基板の長さをＬ、導電部を構成する材質の熱伝導率をｋとすると、信号線とグランウンド線を伝播する熱量Ｗは以下の式（１）で表される。
ケーブル２１１の導電部以外（絶縁部）を伝播する熱量はほぼ無視できるため、熱量Ｗが冷凍機１７０の第１温度維持部１７２の冷却能力より十分小さく（例えば１／１０以下）になるように、ケーブル２１１の導電部の材質や断面積Ｓ、長さＬを決定する。
【数1】
【0023】
一方、集約機構１４０と変換機構１３０の通信に使われる信号はパルス幅が５マイクロ秒（２００ｋＨｚ）程度のデジタル信号である。一般的に、信号のエネルギー損失は、信号の周波数が高く、信号線１本あたりの導電部の断面積が小さく、距離が長い程大きい。またデジタル信号はアナログ信号に比べて、ある程度の損失があってもその値が「０」または「１」のため、影響が少ない。したがって変換機構１３０と集約機構１４０を接続するケーブル２１２には、高速伝送フレキシブル基板より導電部の断面積が小さいフレキシブル基板やフラットケーブル、またはツイストペアケーブルなどを用い、熱流入を極力抑える。
【0024】
次に、第１実施形態の効果について説明する。冷凍機１７０の第２温度維持部１７４の冷却能力は数十Ｗ程度であり、第１温度維持部１７２の冷却能力の１Ｗ以下に比べて極めて大きい。本実施形態では、変換機構１３０を第２温度維持部１７４に接続させることにより、変換機構１３０の発熱量が大きくても十分に冷却することが可能になる。また変換機構１３０を真空容器１５６の外に配置する場合に比べてＳＳＰＤ１１０と変換機構１３０を接続するケーブル２１１の長さが短くなり、信号線１本あたりの断面積が小さくても損失が十分に抑えられる。
【0025】
導電部の断面積の合計は上述のように第１温度維持部１７２の冷却能力によって決められるため、信号線１本あたりの断面積が小さくなると信号線の数を増やすことが可能になり、結果として超伝導ナノストリップ２０２の本数の多いＳＳＰＤ１１０を搭載することが可能になる。
【0026】
また集約機構１４０を第２低温容器１５４の外に配置することにより、第２温度維持部１７４の冷却能力に対する負担を低減できる。集約機構１４０を真空容器１５６内に格納することによってペルチェ素子２１０により結露することなく冷却することが可能になる。
【0027】
以上説明したように、第１実施形態によれば、発熱量の大きい半導体回路による変換機構１３０や集約機構１４０を用いて、超伝導ナノストリップ２０２の本数が多いＳＳＰＤ１１０のパルス数をカウントすることが可能になり、一度に、より広い範囲における粒子数の１次元位置分布を取得できる。すなわち、熱流入を抑制することが可能でかつ超伝導ナノストリップの多線配置が可能な粒子検出装置を提供することができる。
【0028】
なお、カウンタとして超伝導単一磁束量子回路を用い、ＳＳＰＤと同じく極低温環境下に設置して熱流入を抑える方法が考えられる。しかし、本実施形態と異なり、超伝導単一磁束量子回路は大規模な素子を作成した実績がないという問題がある。
【0029】
次に、第１実施形態の変形例による粒子検出装置について説明する。
（第１変形例）
第１変形例による粒子検出装置を図６に示す。この第１変形例の粒子検出装置１００Ａは、図１に示す第１実施形態の粒子検出装置１００において、変換機構１３０を第１温度維持部１７２に接続し、集約機構１４０は第２温度維持部１７４に接続した構成を備えている。
（第１変形例）
第１変形例による粒子検出装置を図６に示す。この第１変形例の粒子検出装置１００Ａは、図１に示す第１実施形態の粒子検出装置１００において、変換機構１３０を第１温度維持部１７２に接続し、集約機構１４０は第２温度維持部１７４に接続した構成を備えている。
【0030】
（第２変形例）
第２変形例による粒子検出装置を図７に示す。この第２変形例の粒子検出装置１００Ｂは、図６に示す第１変形例の粒子検出装置１００Ａにおいて、集約機構１４０を第２低温容器１５４の外でかつ真空容器１５６内に配置した構成を有している。
第２変形例による粒子検出装置を図７に示す。この第２変形例の粒子検出装置１００Ｂは、図６に示す第１変形例の粒子検出装置１００Ａにおいて、集約機構１４０を第２低温容器１５４の外でかつ真空容器１５６内に配置した構成を有している。
【0031】
（第３変形例）
第３変形例による粒子検出装置を図８に示す。この第３変形例の粒子検出装置１００Ｃは、図７に示す第２変形例の粒子検出装置１００Ｂにおいて、集約機構１４０を真空容器１５６の外に配置した構成を有している。
第３変形例による粒子検出装置を図８に示す。この第３変形例の粒子検出装置１００Ｃは、図７に示す第２変形例の粒子検出装置１００Ｂにおいて、集約機構１４０を真空容器１５６の外に配置した構成を有している。
【0032】
（第４変形例）
第４変形例による粒子検出装置を図９に示す。この第４変形例の粒子検出装置１００Ｄは、図６に示す第１変形例の粒子検出装置１００Ａにおいて、変換機構１３０を第２温度維持部１７４に接続した構成を有している。
第４変形例による粒子検出装置を図９に示す。この第４変形例の粒子検出装置１００Ｄは、図６に示す第１変形例の粒子検出装置１００Ａにおいて、変換機構１３０を第２温度維持部１７４に接続した構成を有している。
【0033】
（第５変形例）
第５変形例による粒子検出装置を図１０に示す。この第５変形例の粒子検出装置１００Ｅは、図９に示す第４変形例の粒子検出装置１００Ｄにおいて、集約機構１４０を真空容器１５６の外に配置した構成を有している。
第５変形例による粒子検出装置を図１０に示す。この第５変形例の粒子検出装置１００Ｅは、図９に示す第４変形例の粒子検出装置１００Ｄにおいて、集約機構１４０を真空容器１５６の外に配置した構成を有している。
【0034】
第１乃至第５変形例において、変換機構１３０や集約機構１４０の動作温度範囲や発熱量、第１温度維持部１７２や第２温度維持部１７４の冷却能力によって最適な配置を実現できる効果がある。
【0035】
図８または図１０に示す第３変形例および第５変形例のように、集約機構１４０を真空容器１５６の外に配置する場合は、集配信回路２０９の冷却用としてペルチェ素子２１０の代わりに冷却ファン、冷却水を用いる。この場合は冷却温度が高くなる一方、集配信回路２０９の状態を目視で確認でき、設定変更などを容易に行うことができる効果がある。
【0036】
図７に示す第２変形例のように、変換機構１３０を第１温度維持部１７２に接続し、集約機構１４０を第２低温容器１５４の外でかつ真空容器１５６内に設置する場合、もしくは第３変形例のように、真空容器１５６の外に設置する場合は、第２温度維持部１７４と第２低温容器１５４は必ずしも必要ない。
【0037】
（第６変形例）
図９に示す第４変形例のように、変換機構１３０と集約機構１４０の両方とも第２温度維持部１７４に接続する場合は、図１１に示す第６変形例のように変換機構１３０と集約機構１４０を１枚の基板上に作成し、カウンタと集配信回路を１個のＦＰＧＡもしくはＡＳＩＣ６０１で作製することも可能である。この場合、省スペースの効果がある。
図９に示す第４変形例のように、変換機構１３０と集約機構１４０の両方とも第２温度維持部１７４に接続する場合は、図１１に示す第６変形例のように変換機構１３０と集約機構１４０を１枚の基板上に作成し、カウンタと集配信回路を１個のＦＰＧＡもしくはＡＳＩＣ６０１で作製することも可能である。この場合、省スペースの効果がある。
【0038】
（第２実施形態）
第２実施形態による粒子検出装置について図１２を参照して説明する。この第２実施形態の粒子検出装置１００Ｆは、図１に示す二段式の冷凍機１１０の代わりに第１冷凍機７０２および第２冷凍機７０５を用いている。第１冷凍機７０２は、温度をＴ１に維持する第１温度維持部７０１を有し、第１温度維持部７０１は第１低温容器７０３に格納される。第２冷凍機７０５は、温度をＴ２に維持する第２温度維持部７０４を有する。第２温度維持部７０４は第２低温容器７０６に格納され、第１低温容器７０３と第２低温容器７０６は、真空容器内で並べて配置される。この場合、第２温度維持部７０４の冷却能力を拡大でき、変換機構１３０の発熱量に対する制限を緩和できる。
第２実施形態による粒子検出装置について図１２を参照して説明する。この第２実施形態の粒子検出装置１００Ｆは、図１に示す二段式の冷凍機１１０の代わりに第１冷凍機７０２および第２冷凍機７０５を用いている。第１冷凍機７０２は、温度をＴ１に維持する第１温度維持部７０１を有し、第１温度維持部７０１は第１低温容器７０３に格納される。第２冷凍機７０５は、温度をＴ２に維持する第２温度維持部７０４を有する。第２温度維持部７０４は第２低温容器７０６に格納され、第１低温容器７０３と第２低温容器７０６は、真空容器内で並べて配置される。この場合、第２温度維持部７０４の冷却能力を拡大でき、変換機構１３０の発熱量に対する制限を緩和できる。
【0039】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態による粒子検出装置について図１３を参照して説明する。図１および図２に示す第１実施形態の粒子検出装置１００においては、変換機構１３０は、１枚の基板２０３上にＮ個のバイアスティ２０４、アンプ２０５、コンパレータ２０６、１個のカウンタ２０７が配置されている。
次に、第３実施形態による粒子検出装置について図１３を参照して説明する。図１および図２に示す第１実施形態の粒子検出装置１００においては、変換機構１３０は、１枚の基板２０３上にＮ個のバイアスティ２０４、アンプ２０５、コンパレータ２０６、１個のカウンタ２０７が配置されている。
【0040】
これに対して、この第３実施形態の粒子検出装置は、変換機構１３０をｍ枚の基板に分割する。図１３に示すように、ｍ枚のプリント基板８０１のそれぞれに、バイアスティ２０４、アンプ２０５、コンパレータ２０６をｎ１、ｎ２、・・・、ｎｍ個ずつと、ｎ１、ｎ２、・・・、ｎｍ個のチャネルを持つカウンタ８０２を１個ずつ配置する。ここでＮ＝ｎ１＋ｎ２＋・・・＋ｎｍである。超伝導ナノストリップ２０２の１本につき１個のバイアスティ２０４、アンプ２０５、コンパレータ２０６に接続し、カウンタ８０２の１つのチャネルに接続する。ｍ個のカウンタ８０２のそれぞれから集約機構１４０上の集配信回路８０３に接続する。それぞれの機能やその他の構成は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【0041】
第３実施形態の粒子検出装置は、超伝導ナノストリップ２０２の本数Ｎがカウンタ８０２のチャネル数を超える場合においても適用することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。一度に取得できる粒子数の１次元位置分布の範囲をより拡大できる効果がある。
【0042】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態による粒子検出装置について図１４を参照して説明する。図１および図２に示す第１実施形態においては、変換機構１３０はバイアスティ２０４、アンプ２０５、コンパレータ２０６、カウンタ２０７から構成されている。
次に、第４実施形態による粒子検出装置について図１４を参照して説明する。図１および図２に示す第１実施形態においては、変換機構１３０はバイアスティ２０４、アンプ２０５、コンパレータ２０６、カウンタ２０７から構成されている。
【0043】
第４実施形態では、図１４に示すように変換機構９０１がそれぞれＮ個のバイアスティ２０４、アンプ２０５、コンパレータ２０６を含む。集約機構９０２はカウンタ９０３および集配信回路９０４を含む。このとき、カウンタ９０３はｍ個に分割してもよいし、図１２に示す第７変形例のように、カウンタ９０３と集配信回路９０４は１つのＦＰＧＡもしくはＡＳＩＣで作製してもよい。
【0044】
コンパレータ２０６から発生する信号は、パルス幅が１００ナノ秒程度の矩形波であり、ＳＳＰＤ１１０からパルス信号が発生されたか否かを示す２値データ、つまりデジタル信号である。多少損失があっても情報が失われないため、変換機構９０１と集約機構９０４を接続するケーブル９０５には断面積の小さいケーブルを使用できる。また上記のアンプ２０５において、変換機構９０１と集約機構９０４を接続するケーブルにおいて損失される分を十分に補う程度にパルス信号を増幅することが可能であれば、コンパレータ２０６を省略することや、コンパレータ２０６を変換機構ではなく集約機構に配置してもよい。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【0045】
第４実施形態により、第１実施形態と異なる形態で同様の効果を得ることが可能になる。この場合、コンパレータ、カウンタ、集配信回路として動作温度範囲が室温近傍のものを使用できる効果がある。
【0046】
【0047】
第５実施形態の粒子検出装置１００Ｇでは、ＳＳＰＤ１１０と変換機構１３０の中間点にコネクタ１０００を設け、コネクタ１０００を第２温度維持部１７４に接続し、コネクタの温度をＴ２に維持する。このときコネクタ１０００を省略してもよいが、第２温度維持部１７４に接続した部分におけるケーブル（導電部）の温度をＴ２に維持するため、ケーブルと第２温度維持部１７４の接続する面を十分に大きくする。変換機構１３０は第２低温容器１５４外であり真空容器１５６内に配置され、ペルチェ素子１００１により冷却される（図１５参照）。
【0048】
なお、図１６または図１７に示す第５実施形態の変形例のように、変換機構１３０や集約機構１４０は、真空容器１５６外に配置してもよく、この場合は冷却ファンや冷却水によって冷却される。ＳＳＰＤ１１０とコネクタ１０００を接続するケーブルを伝播する熱量をＷｓ、コネクタ１０００と変換機構１３０を接続するケーブル１００２を伝播する熱量をＷｃとする。ＷｃがＷｓより大きく、かつ第２温度維持部１７４の冷却能力より小さくなるようにケーブル１００２の導電部の長さ、断面積や材質、コネクタ１０００の取り付け位置を決定する。第２の温度維持部の冷却能力は十分に大きいため、ケーブル１００２の導電部断面積などを十分に大きくすることが可能になり、ケーブル１００２を伝わる信号の損失を十分に抑えることが可能になる。
【0049】
第５実施形態およびその変形例により、変換機構を低温容器外に配置することが可能になり、変換機構の動作温度に対する制限を緩和できる効果がある。
【0050】
（第６実施形態）
第６実施形態による画像生成装置について、図１８を参照して説明する。この第６実施形態の画像生成装置は、例えばＸ線を発生する粒子発生源１８０と、第１乃至第５実施形態の粒子検出装置およびそれらの変形例の粒子検出装置のいずれか（例えば第１実施形態の粒子検出装置１００）と、試料１０と上記粒子検出装置１００のＳＳＰＤ１１０とを相対移動させるコントローラ１１００と、備えている。試料１０を粒子発生源１８０とＳＳＰＤ１１０との間に配置し、粒子発生源１８０からＸ線を試料１０に照射し、試料１０を透過したＸ線をＳＳＰＤ１１０で検出する。このとき、コントローラ１１００を用いて、試料１０とＳＳＰＤ１１０とを相対移動させることにより、試料１０のＸ線画像を得ることができる。例えば、超伝導ナノストリップの長さと幅が同じ程度であり、相対移動が超伝導ナノストリップの延びている方向に沿った移動であれば、試料１０の２次元画像を得ることができる。相対移動がＳＳＰＤ１１０の中心と粒子発生源１８０の中心を結ぶ中心線に対して回転移動する場合は、試料１０の２次元画像を得ることができる。この画像はコンピュータ１６０によって生成される。なお、画像生成は、粒子検出装置１００の外に配置され図示しないコンピュータを用いて行ってもよい。
第６実施形態による画像生成装置について、図１８を参照して説明する。この第６実施形態の画像生成装置は、例えばＸ線を発生する粒子発生源１８０と、第１乃至第５実施形態の粒子検出装置およびそれらの変形例の粒子検出装置のいずれか（例えば第１実施形態の粒子検出装置１００）と、試料１０と上記粒子検出装置１００のＳＳＰＤ１１０とを相対移動させるコントローラ１１００と、備えている。試料１０を粒子発生源１８０とＳＳＰＤ１１０との間に配置し、粒子発生源１８０からＸ線を試料１０に照射し、試料１０を透過したＸ線をＳＳＰＤ１１０で検出する。このとき、コントローラ１１００を用いて、試料１０とＳＳＰＤ１１０とを相対移動させることにより、試料１０のＸ線画像を得ることができる。例えば、超伝導ナノストリップの長さと幅が同じ程度であり、相対移動が超伝導ナノストリップの延びている方向に沿った移動であれば、試料１０の２次元画像を得ることができる。相対移動がＳＳＰＤ１１０の中心と粒子発生源１８０の中心を結ぶ中心線に対して回転移動する場合は、試料１０の２次元画像を得ることができる。この画像はコンピュータ１６０によって生成される。なお、画像生成は、粒子検出装置１００の外に配置され図示しないコンピュータを用いて行ってもよい。
【0051】
この第６実施形態の画像生成装置は、第１乃至第５実施形態の粒子検出装置およびそれらの変形例の粒子検出装置のいずれかを用いているので、熱流入を抑制することが可能でかつ超伝導ナノストリップの多線配置が可能な画像生成装置を得ることができる。
【0052】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0053】
１１０：超伝導単一光子検出器、１２０：定電流電源、１３０：変換機構、１４０：集約機構、１５０：冷却機構、１５２：第１低温容器、１５４：第２低温容器、１５６：真空容器、１６０：コンピュータ、１７０：冷凍機、１７２：第１温度維持部、１７４：第２温度維持部、１５２ａ：窓、１５４ａ：窓、１５６ａ：開口部、２０１：基板、２０２：超伝導ナノストリップ、２０３：基板、２０４：バイアスティ、２０５：アンプ、２０６：コンパレータ、２０７：カウンタ、２０８：基板、２０９：集配信器、２１０：ペルチェ素子、２１１：ケーブル、２１２：ケーブル、３０１：粒子、３０２：矢印、３０３：常伝導転移領域、３０４：電流、３０５：常伝導転移領域、４０１：パルス信号、４０２：しきい値、４０３：パルス幅、４０４：矩形波、４０５：パルス幅、６０１：カウンタ・集配信器、７０１：第１温度維持部、７０２：第１冷凍機、７０３：第１低温容器、７０４：第２温度維持部、７０５：第２冷凍機、７０６：第２低温容器、８０１：基板、８０２：カウンタ、８０３：集配信器、９０１：変換機構、９０２：集約機構、９０３：カウンタ、９０４：集配信器、９０５：ケーブル、１０００：コネクタ、１００１：ペルチェ素子、１００２：ケーブル、１１００：コントローラ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
