超伝導トンネル接合X線検出器用極低温動作型前置増幅器の開発

超导隧道结X射线探测器低温前置放大器的研制

基本信息

批准号：
08780477
负责人：
前畑京介
金额：
$ 0.64万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

超伝導トンネル接合(STJ)を利用した高エネルギー分解能X線計測のためには、STJ素子からの信号を非常に高いS/N比で処理する高性能前置増幅器の開発が必要になる。STJ検出器は静電容量が大きく前置増幅器初段FETに電子雑音を誘発するため大面積化が困難であり、良好な特性が得られたSTJ検出器の有効面積は100x100μm^2程度であった。本研究では、このようなSTJ検出器特有の種々の雑音の寄与を考慮した電荷有感型前置増幅器の信号処理特性を解析し、高エネルギー分解能STJ検出器用極低温動作型前置増幅器の設計及び製作を行った。前置増幅器の性能は初段FETの特性と帰還抵抗Rf及び帰還コンデンサーCfで決定する。本研究では市販の半導体検出器用電荷収集型前置増幅器CANBERRA 2003BTの初段FET、Rf及びCfを取り外し、その部分を前置ヘリウム3クライオスタットの液体窒素シールド板上に設けた極低温ステージに取り付け、室温部分から極低温部への導入端子及び配線は雑音の影響を極力低減する構造にした。初段FETとしては、110K程度の低温領域において良好な特性を有する2SK190を使用し、実効的に高いトランスコンダクタンスを得るために4個の並列接続とした。ドレン電流による発熱と極低温ステージとの熱接触とのバランスによりFET最適動作温度を制御した。本研究で製作した極低温動作型前置増幅器を200x200μm^2の大面積Nb系STJ検出器に接続し、5.9keVのX線に対する検出器の応答を調べた。このとき、前置増幅器の電子雑音に相当するパルサーの半値幅は80eVと非常に良い特性を示した。200x200μm^2の大面積STJ検出器の5.9keVのX線に対するエネルギー分解能として100eV以下という非常に優れた性能が得られ、Si半導体検出器の性能を越える大面積STJ検出器の開発の可能性が示された。

使用超导隧道结 (STJ) 进行高能分辨率 X 射线测量需要开发高性能前置放大器，以极高的信噪比处理来自 STJ 元件的信号。 STJ探测器的电容较大，会在前置放大器的第一级FET中产生电子噪声，因此很难将其面积做得很大。特性良好的STJ探测器的有效面积约为100x100μm^2。在本研究中，我们将分析考虑到STJ探测器特有的各种噪声的贡献的电荷敏感前置放大器的信号处理特性，并设计并生产用于高能量分辨率STJ探测器的低温前置放大器。前置放大器的性能由第一级FET、反馈电阻Rf和反馈电容Cf的特性决定。在这项研究中，我们拆除了用于半导体探测器的市售电荷收集前置放大器 CANBERRA 2003BT 的第一级 FET、Rf 和 Cf，并将它们安装在安装在室温下的 helium-3 低温恒温器的液氮屏蔽板上的低温台上。引入端子和低温段至低温段的接线均经过精心设计，尽可能减少噪声的影响。作为第一级FET，我们使用2SK190，它在110K左右的低温区域具有良好的特性，并将其中四个并联以获得有效的高跨导。 FET 的最佳工作温度是通过平衡漏极电流产生的热量以及与低温级的热接触来控制的。本研究制作的低温前置放大器与200x200μm^2大面积铌基STJ探测器连接，研究了探测器对5.9keV X射线的响应。此时，脉冲星的半宽度（对应于前置放大器的电子噪声）为80 eV，表现出非常好的特性。 200x200μm^2大面积STJ探测器对于5.9keV X射线具有小于100eV的极其优异的能量分辨率，有可能开发出超越Si半导体探测器性能的大面积STJ探测器。