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

硅像素吸收体超导隧道结X射线探测器研究

基本信息

批准号：
22K12676
负责人：
志岐成友
金额：
$ 2.58万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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射线吸收光谱是一种通过详细测量感兴趣元素吸收边缘附近的吸收光谱来分析电子状态和键距等纳米结构的方法。与 XRD、XPS 和 EELS 不同，它的优点是能够分析特定元素周围的纳米结构，无论块体、表面、导体或绝缘体的状态如何，使其成为半导体等材料开发不可或缺的分析工具、电极材料、催化剂之一。特别是，如果可以使用部分荧光产率法分离特征 X 射线，则可以分析痕量元素。使用部分荧光产率法的X射线吸收光谱检测器需要具有优异的灵敏度、能量分辨率和计数率。通常使用半导体探测器，但其能量分辨率在100 eV左右，因此通常很难分离和检测痕量元素。如果这里使用超导隧道结（STJ）探测器，由于其约15 eV的优异能量分辨率、1 mm2的大面积以及1 Mcps的高计数率，它可以分离出每个元素的特征X射线超高灵敏度分析成为可能。通过在STJ探测器中添加硅像素吸收体（SPA），可以测量X射线吸收光谱的波段可以从传统的1 keV以下扩展到15 keV左右，大大扩展了可以测量的元素范围。分析了。然而，对于带有SPA的STJ探测器，即使在工作原理和最佳形状等基础方面的研究也还不够，过去原型的SPA-STJ探测器的能量分辨率与半导体探测器相当，还差一步。从实际使用来看。因此，在本研究中，为了提高SPA-STJ探测器的能量分辨率，我们将采用原型和仿真方法研究SPA形状对能量分辨率的影响。