中性子検出装置及びその使用方法
【課題】時間分解能が高い中性子検出装置を提供する。
【解決手段】基板と、この基板の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップラインと、このストリップラインの両端にそれぞれ設けられた電極部とを有する中性子検出素子２と、中性子検出素子２のストリップラインの抵抗値の変化を表す信号を出力する検出回路３と、所定の目標バイアス電流を中性子検出素子２に供給する電源４と、中性子検出素子２の目標バイアス電流での抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域内の温度を目標温度として、中性子検出素子２の温度制御を行う温度制御装置５と、を有する。
【解決手段】基板と、この基板の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップラインと、このストリップラインの両端にそれぞれ設けられた電極部とを有する中性子検出素子２と、中性子検出素子２のストリップラインの抵抗値の変化を表す信号を出力する検出回路３と、所定の目標バイアス電流を中性子検出素子２に供給する電源４と、中性子検出素子２の目標バイアス電流での抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域内の温度を目標温度として、中性子検出素子２の温度制御を行う温度制御装置５と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導材料を用いた中性子検出装置及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超伝導転移温度の高い材料を利用した装置の開発が行われている。超伝導転移温度の高い超伝導材料として、超伝導転移温度が３９ＫであるＭｇＢ2が知られている。そして、例えば、10Ｂを構成材料として含むエネルギギャップの大きな10Ｂを濃縮したＭｇＢ2を中性子検出プレートとし、この検出プレートに、中性子が入射した際発生するα線により発生するフォノンを検出するように構成されたものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
また、10Ｂを濃縮したＭｇＢ2薄膜により形成した中性子検出素子であって、その平面形状を幅が１〔μｍ〕、総距離３８〔ｃｍ〕のメアンダ形状とした構成のものがある（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００４】
また、メンブレン構造のＳｉＮ／Ｓｉ基板状に作成したＭｇＢ2検出素子を冷凍機中に取り付けて温度コントローラにより動作温度の制御を行うとともに、一定のバイアス電流をＭｇＢ2検出素子に入力し、出力電圧を低雑音増幅器により増幅してデジタルオシロスコープで観測する構成のものがある（例えば、非特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４８６１号公報
【非特許文献１】三木茂人他、超伝導ＭｇＢ2薄膜を用いた中性子検出器の開発I、応用物理学関係連合講演会講演予稿集、ＶＯＬ．５１、ＮＯ．１、２００４、ｐ２７８
【非特許文献２】三木茂人他、超伝導ＭｇＢ2薄膜を用いた中性子検出器の開発II、応用物理学関係連合講演会講演予稿集、ＶＯＬ．６５、ＮＯ．１、２００４、ｐ１８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ランダムに飛来する多数の中性子を高精度に検出するためには、中性子検出素子の時間分解能を高めることが有効である。また、飛行時間法（Time Of Flight）により中性子のエネルギーを高精度に検出するためにも中性子検出素子の時間分解能を高めることが有効である。しかし、中性子検出装置の時間分解能を高めるための具体的な方法は、これまで明らかにされていなかった。このような現状に対して、本願の発明者らは、中性子検出素子の時間分解能を高めるためには、中性子検出素子に供給するバイアス電流と、中性子検出素子の温度との両方を適切に管理することが有効であることを発見した。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、時間分解能が高い中性子検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る中性子検出装置の特徴構成は、基板と、この基板の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップラインと、このストリップラインの両端にそれぞれ設けられた電極部とを有する中性子検出素子と、前記中性子検出素子のストリップラインの抵抗値の変化を表す信号を出力する検出回路と、所定の目標バイアス電流を前記中性子検出素子に供給する電源と、前記中性子検出素子の前記目標バイアス電流での抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域内の温度を目標温度として、前記中性子検出素子の温度制御を行う温度制御装置と、を有する点にある。
【０００９】
この特徴構成によれば、所定の目標バイアス電流での中性子検出素子の抵抗−温度特性に応じて、ストリップラインの温度変化に対する抵抗変化が最も大きくなるように目標温度が設定されるので、中性子の衝突によるストリップラインの温度上昇に伴う抵抗値の変化を表す信号を大きくすることができる。したがって、中性子検出素子に供給する所定の目標バイアス電流に応じて、時間分解能が高くなる目標温度を設定して中性子検出素子の温度制御を行うことができ、中性子検出装置の時間分解能を高めることが可能となる。また、このように中性子検出装置の時間分解能を高めることにより、飛行時間法（Time Of Flight）により中性子のエネルギーを検出する際のエネルギー分解能を高めることが可能となり、或いは、同じエネルギー分解能で中性子源から中性子検出装置までの距離を短くすることが可能となる。更に、中性子源から中性子検出装置までの距離を短くすることにより、中性子検出素子の面積が同じでも中性子源から放射状に飛来する中性子を数多く捕らえることが可能となる。
【００１０】
ここで、前記検出回路は、前記中性子検出素子に直列に接続され、前記中性子検出素子と同じバイアス電流が前記電源から供給されるコイルと、このコイルの両端の電位差を増幅して出力する平衡差動増幅器を有する構成とすると好適である。
【００１１】
この構成によれば、中性子が衝突して中性子検出素子のストリップラインの抵抗値が変化することによってコイルを流れる電流が変化した際に、当該コイルに生じる逆起電力の変化を検出し、その信号を出力することができる。
【００１２】
また、前記検出回路は、前記中性子検出素子の前記電極部間に生じる電位差を増幅して出力する不平衡片線接地増幅器を有する構成としても好適である。
【００１３】
この構成によれば、中性子が衝突して中性子検出素子のストリップラインの抵抗値が変化した際に、当該抵抗値の変化により生じる中性子検出素子の前記電極部間の電位差の変化を検出し、その信号を出力することができる。
【００１４】
また、前記検出回路から出力される信号を記録する記録装置と、前記検出回路から出力される信号に基づいて前記記録装置へのトリガ信号を出力するトリガ出力装置と、を備える構成とすると好適である。
【００１５】
この構成によれば、前記検出回路から出力される信号を記録装置により適切に記録することができる。
【００１６】
また、前記基板は、サファイア基板である構成としても好適である。
【００１７】
この構成によれば、基板を熱伝導性が高いものとすることができるので、時間分解能が高い中性子検出装置とすることが可能となる。
【００１８】
また、前記超伝導材料は、ＭｇＢ2薄膜である構成としても好適である。
【００１９】
この構成によれば、ストリップラインを構成する超伝導材料が、高い温度で超伝導転移温度を示すＭｇＢ2で構成されることになるので、中性子検出素子の温度制御を行う温度制御装置を大規模なものとする必要がない利点がある。
【００２０】
また、前記ストリップラインは、前記基板の表面に沿った平面形状がメアンダ形状に形成されている構成としても好適である。
【００２１】
この構成によれば、ストリップラインがメアンダ形状に形成されるので、細幅のストリップラインが面状に形成されることになる。その結果、ストリップラインを構成する超伝導材料と中性子とが核反応する確率を高めることができる。
【００２２】
また、前記ストリップラインは、平面視で線幅が１〔μｍ〕以上３〔μｍ〕以下である構成としても好適である。
【００２３】
この構成によれば、ストリップラインを、中性子が衝突することによる温度上昇範囲に応じた適切な幅とすることができ、ストリップラインの温度上昇に伴う抵抗値の変化を表す信号が適切に検出できるようにすることができる。
【００２４】
本発明に係る中性子検出装置の使用方法の特徴構成は、前記目標バイアス電流及び前記目標温度に関し、所定のバイアス電流の供給下で、前記中性子検出素子の温度を常伝導状態が発現する温度から超伝導状態が発現する温度まで変更し、それぞれの温度において所定時間内に前記中性子検出装置が検出する中性子数を観測し、前記中性子検出素子の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域と、前記観測数増加領域からの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域とが認められ、前記観測数増加領域と観測数減少領域との間に中性子観測数の最大ピークが認められるバイアス電流を、前記目標バイアス電流とする点にある。
【００２５】
この特徴構成によれば、中性子検出装置による中性子観測数が最大となるように、目標バイアス電流を適切に設定することができる。したがって、中性子検出装置の時間分解能を高めることが可能となる。
【００２６】
ここで、前記目標バイアス電流が前記中性子検出素子に供給される状態で、前記中性子観測数の最大ピークが認められる前記中性子検出素子の温度を当該目標バイアス電流での前記目標温度とすると好適である。
【００２７】
このようにすれば、中性子検出装置による中性子観測数が最大となるように目標温度を適切に設定することができる。したがって、中性子検出装置の時間分解能を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
１．第一の実施形態
以下に、本発明の第一の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る中性子検出装置１の概略構成を示す図である。この図に示すように、中性子検出装置１は、中性子検出素子２、検出回路３、電源４、温度制御装置５、トリガ出力装置６、及び記録装置７を備えている。また、図２は、中性子検出素子２の具体的構成を示す図であり、図３は、中性子検出素子２のストリップライン２１の具体的構成を示す図である。なお、図２に示す例では、中性子検出素子２は、２組のストリップライン２１及び電極部２３等を備えた構成となっている。
【００２９】
図２に示すように、中性子検出素子２は、基板２２と、この基板２２の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップライン２１と、このストリップライン２１の両端にそれぞれ設けられた電極部２３とを有する。本例では、基板２２は、縦及び横の長さがそれぞれ１０〔ｍｍ〕であり、厚さが０．５〔ｍｍ〕の熱伝導性が高いサファイア基板としている。ストリップライン２１は、基板２２の表面に設けられた超伝導材料、具体的にはＭｇＢ2薄膜で構成される。またこの薄膜を構成するＭｇＢ2には、10Ｂを濃縮したものを用いる。図３に示すように、ストリップライン２１は、基板２２の表面に沿った平面形状がメアンダ形状に形成されている。本例では、ストリップライン２１は、平面視で線幅が１〔μｍ〕、線間距離が１〔μｍ〕、厚さ（膜厚）が２００〔ｎｍ〕とされている。そして、全体として縦及び横の長さがそれぞれ５０〔μｍ〕とされており、有効エリア外形が５０〔μｍ〕角とされている。
【００３０】
電極部２３は、ストリップライン２１の両端にそれぞれ電気的に接続されている。各電極部２３は、電源ライン２４及び信号出力ライン２５にそれぞれ接続されている。電源ライン２４及び信号出力ライン２５の寸法は、図２に示すとおりである。本例では、電源ライン２４のみを用いることとしている。そして、各ストリップライン２１に接続される２つの電極部２３のうち、一方の電極部２３は、電源ライン２４、コイル３２及び保護抵抗３１を介して電源４に電気的に接続され、他方の電極部２３は、電源ライン２４を介して接地されている。なお、信号出力ライン２５は、いずれにも接続されない。したがって、本実施形態の構成では、信号出力ライン２５は不要である。なお、電源ライン２４に代えて信号出力ライン２５を用いる構成とすることも可能である。
【００３１】
ここで、中性子検出素子２のストリップライン２１は、後述する温度制御装置５により所定の目標温度Ｔｃとなるように温度制御される。この状態で、ストリップライン２１に中性子が衝突すると、ストリップライン２中の10Ｂと中性子とが核反応を起こし、その核反応による発熱によってストリップライン２１の抵抗値が変化する。図４は、ストリップライン２１を構成するＭｇＢ2薄膜の抵抗−温度特性の一例を示す図である。この図に示すように、ストリップライン２１を構成するＭｇＢ2薄膜は、常伝導状態が発現する温度Ｔ０から超伝導状態が発現する温度Ｔ１までの転移温度領域内では、わずかな温度変化に対して抵抗値が大きく変化する。例えば、図４に示す目標温度Ｔｃから、中性子の衝突による核反応により当該衝突部分周辺のストリップライン２１の温度がＴｄまで上昇した場合には、ストリップライン２１の抵抗値はＲｃからＲｄまで一時的に増加する。その後、ストリップライン２１の温度がＴｄからＴｃに戻ると、ストリップライン２１の抵抗値もＲｄからＲｃに戻る。したがって、このようなストリップライン２１の抵抗値の一時的な変化を検出することにより、ストリップライン２１への中性子の衝突を検出することができる。
【００３２】
検出回路３は、中性子検出素子２のストリップライン２１の抵抗値の変化を表す信号を出力するための回路である。本実施形態においては、検出回路３は、電源４に対して、中性子検出素子２と直列に接続された保護抵抗３１及びコイル３２と、コイル３２に並列に接続された平衡差動増幅器３３と、コイル３２及び中性子検出素子２と並列に接続された平滑コンデンサ３４とを有して構成されている。ここで、コイル３２には、中性子検出素子２と同じバイアス電流が電源４から供給されることになる。そして、平衡差動増幅器３３は、コイル３２の両端の電位差を増幅して出力する。すなわち、中性子検出素子２のストリップライン２１に中性子が衝突し、上記のようにストリップライン２１の抵抗値が一時的に変化すると、コイル３２を流れる電流も一時的に変化する。それにより、コイル３２に生じる逆起電力が変化する。平衡差動増幅器３３は、このようにしてコイル３２の両端に生じる逆起電力による電位差を増幅して記録装置７に出力する。本例では、平衡差動増幅器３３として、常温（３００〔Ｋ〕前後）で用いられる、増幅率が２００、周波数レンジが１〔ｋＨｚ〕〜１００〔ＭＨｚ〕のオペアンプを用いている。なお、平衡差動増幅器３３としてコンパレータを用いることも可能である。電源４は、所定の目標バイアス電流Ｉｃを中性子検出素子２等に供給する定電流電源としている。
【００３３】
温度制御装置５は、中性子検出素子２を所定の目標温度Ｔｃに保つための温度制御を行う装置である。この温度制御装置５は、冷凍機等を備え、中性子検出素子２の少なくともストリップライン２１の全体を均一に冷却することができる構成を有している。ここで、温度制御装置５は、図４に示すように、中性子検出素子２の目標バイアス電流Ｉｃでの抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域（以下「目標温度領域Ａｔ」）内で決定された所定の目標温度Ｔｃを制御目標として温度制御を行う。この際、目標温度Ｔｃは、ストリップライン２１の温度上昇範囲（図４の例では温度ＴｃからＴｄまでの間の温度範囲）が目標温度領域Ａｔ内に収まるように設定すると好適である。本例では、目標温度Ｔｃは２７〔Ｋ〕前後に設定される。なお、目標温度Ｔｃの決定方法については、後に詳細に説明する。
【００３４】
記録装置７は、検出回路３の平衡差動増幅器３３から出力される信号を記録する装置である。本例では、この記録装置７として、サンプリング周波数を５〔ＧＨｚ〕に設定したデジタルオシロスコープを用いている。また、記録装置７としてのデジタルオシロスコープは、２０ＭＨｚ又は２００ＭＨｚのローパスフィルターを備えている。また、トリガ出力装置６は、検出回路３から出力される信号に基づいて記録装置７へのトリガ信号を出力する装置である。本例では、トリガ出力装置６として、検出回路３から特定幅のパルス信号が出力された場合にトリガ信号を出力するアンプ（タイミングアンプ）を用いている。なお、トリガ出力装置６を備えない構成とすることも可能である。
【００３５】
次に、本実施形態に係る中性子検出装置１の使用方法について説明する。ここでは、中性子検出装置１の目標バイアス電流Ｉｃ及び目標温度Ｔｃを以下に説明する方法に従って決定し、電源４により供給する電流値を目標バイアス電流Ｉｃとし、温度制御装置５の制御目標の温度を目標温度Ｔｃとして中性子検出装置１を使用する。
【００３６】
まず、目標バイアス電流Ｉｃを決定するために、所定のバイアス電流の供給下で、中性子検出素子２の温度を常伝導状態が発現する温度Ｔ０から超伝導状態が発現する温度Ｔ１まで（図４参照）変更し、それぞれの温度において所定時間内に中性子検出装置１が検出する中性子数を観測する。図５は、この観測実験の結果の一例を示す図である。この図に示す例では、所定のバイアス電流として、５０〔μＡ〕、１００〔μＡ〕、１５０〔μＡ〕、２００〔μＡ〕の４通りの電流値について観測を行った。そして、これら４通りのそれぞれのバイアス電流の供給下で、２７．４〔Ｋ〕から２６〔Ｋ〕まで０．１〔Ｋ〕刻みで温度を変更し、各温度について１時間ずつ観測を行った。この観測実験には、単位時間あたりにほぼ一定数の中性子を発生させる中性子源を使用した。その結果、バイアス電流が５０〔μＡ〕である場合を除いて、中性子検出素子２の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域Ｃｕと、この観測数増加領域Ｃｕからの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域Ｃｄとが認められ、観測数増加領域Ｃｕと観測数減少領域Ｃｄとの間に中性子観測数の最大ピークＰｍが認められることが分かった。そして、本使用方法では、このような最大ピークＰｍが認められるバイアス電流値を目標バイアス電流Ｉｃとする。図５に示す観測実験の結果に基づけば、１００〜２００〔μＡ〕の中の任意の電流値を目標バイアス電流Ｉｃとする。
【００３７】
ここで、バイアス電流が５０〔μＡ〕である場合には、観測数増加領域Ｃｕ、観測数減少領域Ｃｄ、及び最大ピークＰｍが明確に認められない観測結果が得られた。これは、電源４から供給するバイアス電流の値が小さいために、中性子検出素子２のストリップライン２１の抵抗値の変化を表す信号が弱く、信号を検出できない場合が多いためと考えられる。一方、バイアス電流が１００〔μＡ〕以上の場合には、それぞれ観測数増加領域Ｃｕ、観測数減少領域Ｃｄ、及び最大ピークＰｍが明確に認められたが、バイアス電流が大きくなるほど、観測数減少領域Ｃｄのカーブが緩くなっていることが分かった。このような現象が生じる要因は、図６に示すように、バイアス電流が大きくなるほど、ストリップライン２１の抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が小さくなるためと考えられる。このようなストリップライン２１の抵抗−温度特性に基づけば、バイアス電流が小さいほど、温度変化に対する抵抗変化が大きくなるため、中性子検出装置１の検出感度を高くできることが分かる。以上のことから、目標バイアス電流Ｉｃの値は、信号の大きさを確保することと、ストリップライン２１の抵抗−温度特性とのトレードオフの関係から、最適の値を決定すると良い。本例における、１００〔μＡ〕、１５０〔μＡ〕、２００〔μＡ〕の３つのバイアス電流値の中では、１００〔μＡ〕が目標バイアス電流Ｉｃとして最適であると考えられる。なお、本例では、５０〔μＡ〕刻みでバイアス電流を変更したが、更に細かくバイアス電流を変更することにより、更に最適な目標バイアス電流Ｉｃを決定することも可能である。
【００３８】
そして、本使用方法では、上記のように決定された目標バイアス電流Ｉｃが中性子検出素子２に供給される状態で、中性子観測数の最大ピークＰｍが認められる中性子検出素子２の温度を当該目標バイアス電流Ｉｃでの目標温度Ｔｃとする。図５に示す例では、目標バイアス電流Ｉｃが１００〔μＡ〕の場合には２７〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとし、目標バイアス電流Ｉｃが１５０〔μＡ〕の場合には２６．９〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとし、目標バイアス電流Ｉｃが２００〔μＡ〕の場合には２６．９〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとするのが好適である。なお、本例では、０．１〔Ｋ〕刻みで温度を変更したが、更に細かく温度を変更することにより、更に最適な目標温度Ｔｃを決定することも可能である。このようにして決定された目標温度Ｔｃは、結果として、各目標バイアス電流Ｉｃでの抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域（目標温度領域Ａｔ）内の温度であって、ストリップライン２１の温度上昇範囲（図４の例では温度ＴｃからＴｄまでの間の温度範囲）が目標温度領域Ａｔ内に収まるように設定されることになる。
【００３９】
図７は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、目標バイアス電流Ｉｃを１００〔μＡ〕、目標温度Ｔｃを２７〔Ｋ〕とした場合の中性子の検出時の信号波形の一例を示す図である。この図に示す例では、２つの信号波形が観測され、先に現れている第一の信号波形のピークの振幅Ａ１は０．０１１６〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗ１は４．１４〔ｎｓ〕であった。また、第二の信号波形のピークの振幅Ａ２は０．００８３〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗ２は４．６４〔ｎｓ〕であった。これまでに知られている装置により得られる信号波形の半値幅が５００〔ｎｓ〕〜１０〔μｓ〕程度であることから、本実施形態に係る中性子検出装置１が、これまでに知られている装置と比較して、格段に時間分解能が高いことが分かる。
【００４０】
２．第二の実施形態
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図８は、中性子検出素子２のストリップライン２１の具体的構成を示す図である。この図に示すように、本実施形態においては、中性子検出素子２のストリップライン２１は、平面視で線幅が３〔μｍ〕、線間距離が３〔μｍ〕とされている。そして、全体として縦及び横の長さがそれぞれ２００〔μｍ〕とされており、有効エリア外形が２００〔μｍ〕角とされている。このように、ストリップライン２１の線幅を広くしたことにより、線幅が１〔μｍ〕の場合と比較してストリップライン２１の単位長さ当りのインピーダンスを低くすることができる。したがって、ストリップライン２１の抵抗値の変化を表す信号の強度を確保しつつ、有効エリア外形を大きくすることが可能となる。なお、中性子検出素子２及び中性子検出装置１のその他の構成は、上記第一の実施形態と同様である。
【００４１】
図９は、本実施形態に係る中性子検出装置１について、所定の目標バイアス電流Ｉｃの供給下で、中性子検出素子２の温度を常伝導状態が発現する温度Ｔ０から超伝導状態が発現する温度Ｔ１まで（図４参照）変更し、それぞれの温度において所定時間内に中性子検出装置１が検出する中性子数を観測した結果の一例を示す図である。この図に示す例では、目標バイアス電流Ｉｃを１５０〔μＡ〕とし、２８〔Ｋ〕から２６〔Ｋ〕まで０．１〔Ｋ〕刻みで温度を変更し、各温度について１時間ずつ観測を行った。この観測実験には、単位時間あたりにほぼ一定数の中性子を発生させる中性子源を使用した。その結果、中性子検出素子２の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域Ｃｕと、この観測数増加領域Ｃｕからの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域Ｃｄとが認められ、観測数増加領域Ｃｕと観測数減少領域Ｃｄとの間に中性子観測数の最大ピークＰｍが認められることが分かった。また、中性子観測数の最大ピークＰｍが認められる中性子検出素子２の温度は２７〔Ｋ〕であることが分かった。したがって、目標バイアス電流Ｉｃが１５０〔μＡ〕の場合には２７〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとするのが好適である。
【００４２】
図１０は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、目標バイアス電流Ｉｃを１５０〔μＡ〕、目標温度Ｔｃを２７〔Ｋ〕とした場合の中性子の検出波形の一例を示す図である。この図に示す例では、信号波形のピークの振幅Ａは０．００４６８〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗは１７．８１〔ｎｓ〕であった。図１１は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、複数の中性子の検出結果について、信号波形のピークの振幅Ａと半値幅Ｗとの関係をプロットして表した図である。この図では、信号波形のピークの振幅Ａを縦軸とし、半値幅Ｗを横軸としている。この図に示すように、信号波形のピークの振幅Ａは、約０．０２５〜０．０７〔Ｖ〕の範囲内となり、半値幅Ｗは約１５〜１９〔ｎｓ〕の範囲内となることが分かった。これらの結果から、本実施形態に係る中性子検出装置１が、これまでに知られている装置と比較して、格段に時間分解能が高いことが分かる。
【００４３】
また、上記第一の実施形態の観測結果と本実施形態の観測結果とから、ストリップライン２１の平面視での線幅が１〔μｍ〕以上３〔μｍ〕以下である場合には、良好に中性子の検出を行うことができることが実証された。
【００４４】
３．第三の実施形態
次に、本発明の第三の実施形態について説明する。図１２は、本実施形態に係る中性子検出装置１の概略構成を示す図である。この図に示すように、本実施形態に係る中性子検出装置１は、検出回路３の構成が上記第一の実施形態とは異なる。
【００４５】
本実施形態においては、検出回路３は、電源４に対して、中性子検出素子２と直列に接続された保護抵抗３１及びコイル３２と、コイル３２及び中性子検出素子２と並列に接続された平滑コンデンサ３４と、中性子検出素子２に並列に接続された不平衡片線接地増幅器３５と、不平衡片線接地増幅器３５の反転入力端子（＋）の電源４側に直列に接続されたカップリングコンデンサ３６とを有して構成されている。また、不平衡片線接地増幅器３５の非反転入力端子（−）は接地されている。そして、不平衡片線接地増幅器３５は、中性子検出素子２の電極部２３間に生じる電位差を増幅して出力する。すなわち、中性子検出素子２のストリップライン２１に中性子が衝突し、上記のようにストリップライン２１の抵抗値が一時的に変化すると、中性子検出素子２の電極部２３間の電位も一時的に変化する。不平衡片線接地増幅器３５は、このようにして中性子検出素子２の電極部２３間に生じる電位差の変化を増幅して記録装置７に出力する。本例では、不平衡片線接地増幅器３５として、中性子検出素子２と同様に冷却される低温低雑音のオペアンプを用いている。本例では、不平衡片線接地増幅器３５として、常温（２３〔Ｋ〕前後）で用いられる、周波数レンジが１０〔ｋＨｚ〕〜１〔ＧＨｚ〕のオペアンプを用いている。この不平衡片線接地増幅器３５の増幅率は、例えば１〔ＧＨｚ〕で１２．５である。なお、不平衡片線接地増幅器３５としてコンパレータを用いることも可能である。また、本実施形態においては、コイル３２はチョークコイルとして機能するが、コイル３２を備えない構成とすることも可能である。
【００４６】
本実施形態における中性子検出素子２の構成は、上記第一の実施形態と同様に図２に示す構成となっている。ただし、上記第一の実施形態では、電源ライン２４のみを用いたが、本実施形態においては、電源ライン２４及び信号出力ライン２５の双方を用いる。すなわち、本実施形態においては、各ストリップライン２１に接続される２つの電極部２３のうち、一方の電極部２３は、電源ライン２４、コイル３２及び保護抵抗３１を介して電源４に接続されるとともに、信号出力ライン２５及びカップリングコンデンサ３６を介して不平衡片線接地増幅器３５に接続される。他方の電極部２３は、電源ライン２４及び信号出力ライン２５を介して接地されている。
【００４７】
図１３は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、目標バイアス電流Ｉｃを１００〔μＡ〕、目標温度Ｔｃを２６．９〔Ｋ〕とした場合の中性子の検出波形の一例を示す図である。この図に示す例では、信号波形のピークの振幅Ａは０．００２８２〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗは２．３３〔ｎｓ〕であった。この結果から、本実施形態に係る中性子検出装置１が、これまでに知られている装置と比較して、格段に時間分解能が高いことが分かる。また、本実施形態に係る中性子検出装置１は、ストリップライン２１の抵抗変化による中性子検出素子２の電極部２３間の電位の変化を直接検出する構成としているため、上記の各実施形態と比較しても時間分解能が非常に高い装置となっている。
【００４８】
４．その他の実施形態
（１）上記の実施形態では、中性子検出素子２の目標温度Ｔｃを２７〔Ｋ〕前後とする場合の例について説明した。しかし、この値は中性子検出素子２の目標温度Ｔｃの単なる一例であり、中性子検出素子２の材質が異なれば、当然に異なる目標温度Ｔｃが設定されることになる。
【００４９】
（２）上記の実施形態では、中性子検出素子２を単独で用いる場合の例について説明した。しかし、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、複数の中性子検出素子２を、基板２２上に一列に配列し、或いは平面的に配列することにより、例えば位置分解能が１〜１０００〔μｍ〕程度で、一次元又は二次元の中性子の飛来位置を検出可能な中性子検出装置とすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、時間分解能が高い中性子検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す図
【図２】中性子検出素子の具体的構成を示す図
【図３】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出素子のストリップラインの具体的構成を示す図
【図４】ストリップラインを構成するＭｇＢ2薄膜の抵抗−温度特性の一例を示す図
【図５】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出装置による、所定のバイアス電流の供給下での各温度における所定時間内の中性子の検出数を観測した観測実験の結果の一例を示す図
【図６】ストリップラインの抵抗−温度特性のバイアス電流による変化の一例を示す図
【図７】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出装置による中性子検出時の信号波形の一例を示す図
【図８】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出素子のストリップラインの具体的構成を示す図
【図９】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出装置による、所定のバイアス電流の供給下での各温度における所定時間内の中性子の検出数を観測した観測実験の結果の一例を示す図
【図１０】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出装置による中性子検出時の信号波形の一例を示す図
【図１１】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出装置において、複数の中性子の検出結果について、信号波形のピークの振幅と半値幅との関係をプロットして表した図
【図１２】本発明の第三の実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す図
【図１３】本発明の第三の実施形態に係る中性子検出装置による中性子検出時の信号波形の一例を示す図
【符号の説明】
【００５２】
１：中性子検出装置
２：中性子検出素子
３：検出回路
４：電源
５：温度制御装置
６：トリガ出力装置
７：記録装置
２１：ストリップライン
２２：基板
２３：電極部
３２：コイル
３３：平衡差動増幅器
Ｉｃ：目標バイアス電流
Ｔｃ：目標温度
Ａｔ：目標温度領域（温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域）
Ｔ０：常伝導状態が発現する温度
Ｔ１：超伝導状態が発現する温度
Ｃｕ：観測数増加領域
Ｃｄ：観測数減少領域
Ｐｍ：最大ピーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導材料を用いた中性子検出装置及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超伝導転移温度の高い材料を利用した装置の開発が行われている。超伝導転移温度の高い超伝導材料として、超伝導転移温度が３９ＫであるＭｇＢ2が知られている。そして、例えば、10Ｂを構成材料として含むエネルギギャップの大きな10Ｂを濃縮したＭｇＢ2を中性子検出プレートとし、この検出プレートに、中性子が入射した際発生するα線により発生するフォノンを検出するように構成されたものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
また、10Ｂを濃縮したＭｇＢ2薄膜により形成した中性子検出素子であって、その平面形状を幅が１〔μｍ〕、総距離３８〔ｃｍ〕のメアンダ形状とした構成のものがある（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００４】
また、メンブレン構造のＳｉＮ／Ｓｉ基板状に作成したＭｇＢ2検出素子を冷凍機中に取り付けて温度コントローラにより動作温度の制御を行うとともに、一定のバイアス電流をＭｇＢ2検出素子に入力し、出力電圧を低雑音増幅器により増幅してデジタルオシロスコープで観測する構成のものがある（例えば、非特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４８６１号公報
【非特許文献１】三木茂人他、超伝導ＭｇＢ2薄膜を用いた中性子検出器の開発I、応用物理学関係連合講演会講演予稿集、ＶＯＬ．５１、ＮＯ．１、２００４、ｐ２７８
【非特許文献２】三木茂人他、超伝導ＭｇＢ2薄膜を用いた中性子検出器の開発II、応用物理学関係連合講演会講演予稿集、ＶＯＬ．６５、ＮＯ．１、２００４、ｐ１８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ランダムに飛来する多数の中性子を高精度に検出するためには、中性子検出素子の時間分解能を高めることが有効である。また、飛行時間法（Time Of Flight）により中性子のエネルギーを高精度に検出するためにも中性子検出素子の時間分解能を高めることが有効である。しかし、中性子検出装置の時間分解能を高めるための具体的な方法は、これまで明らかにされていなかった。このような現状に対して、本願の発明者らは、中性子検出素子の時間分解能を高めるためには、中性子検出素子に供給するバイアス電流と、中性子検出素子の温度との両方を適切に管理することが有効であることを発見した。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、時間分解能が高い中性子検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る中性子検出装置の特徴構成は、基板と、この基板の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップラインと、このストリップラインの両端にそれぞれ設けられた電極部とを有する中性子検出素子と、前記中性子検出素子のストリップラインの抵抗値の変化を表す信号を出力する検出回路と、所定の目標バイアス電流を前記中性子検出素子に供給する電源と、前記中性子検出素子の前記目標バイアス電流での抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域内の温度を目標温度として、前記中性子検出素子の温度制御を行う温度制御装置と、を有する点にある。
【０００９】
この特徴構成によれば、所定の目標バイアス電流での中性子検出素子の抵抗−温度特性に応じて、ストリップラインの温度変化に対する抵抗変化が最も大きくなるように目標温度が設定されるので、中性子の衝突によるストリップラインの温度上昇に伴う抵抗値の変化を表す信号を大きくすることができる。したがって、中性子検出素子に供給する所定の目標バイアス電流に応じて、時間分解能が高くなる目標温度を設定して中性子検出素子の温度制御を行うことができ、中性子検出装置の時間分解能を高めることが可能となる。また、このように中性子検出装置の時間分解能を高めることにより、飛行時間法（Time Of Flight）により中性子のエネルギーを検出する際のエネルギー分解能を高めることが可能となり、或いは、同じエネルギー分解能で中性子源から中性子検出装置までの距離を短くすることが可能となる。更に、中性子源から中性子検出装置までの距離を短くすることにより、中性子検出素子の面積が同じでも中性子源から放射状に飛来する中性子を数多く捕らえることが可能となる。
【００１０】
ここで、前記検出回路は、前記中性子検出素子に直列に接続され、前記中性子検出素子と同じバイアス電流が前記電源から供給されるコイルと、このコイルの両端の電位差を増幅して出力する平衡差動増幅器を有する構成とすると好適である。
【００１１】
この構成によれば、中性子が衝突して中性子検出素子のストリップラインの抵抗値が変化することによってコイルを流れる電流が変化した際に、当該コイルに生じる逆起電力の変化を検出し、その信号を出力することができる。
【００１２】
また、前記検出回路は、前記中性子検出素子の前記電極部間に生じる電位差を増幅して出力する不平衡片線接地増幅器を有する構成としても好適である。
【００１３】
この構成によれば、中性子が衝突して中性子検出素子のストリップラインの抵抗値が変化した際に、当該抵抗値の変化により生じる中性子検出素子の前記電極部間の電位差の変化を検出し、その信号を出力することができる。
【００１４】
また、前記検出回路から出力される信号を記録する記録装置と、前記検出回路から出力される信号に基づいて前記記録装置へのトリガ信号を出力するトリガ出力装置と、を備える構成とすると好適である。
【００１５】
この構成によれば、前記検出回路から出力される信号を記録装置により適切に記録することができる。
【００１６】
また、前記基板は、サファイア基板である構成としても好適である。
【００１７】
この構成によれば、基板を熱伝導性が高いものとすることができるので、時間分解能が高い中性子検出装置とすることが可能となる。
【００１８】
また、前記超伝導材料は、ＭｇＢ2薄膜である構成としても好適である。
【００１９】
この構成によれば、ストリップラインを構成する超伝導材料が、高い温度で超伝導転移温度を示すＭｇＢ2で構成されることになるので、中性子検出素子の温度制御を行う温度制御装置を大規模なものとする必要がない利点がある。
【００２０】
また、前記ストリップラインは、前記基板の表面に沿った平面形状がメアンダ形状に形成されている構成としても好適である。
【００２１】
この構成によれば、ストリップラインがメアンダ形状に形成されるので、細幅のストリップラインが面状に形成されることになる。その結果、ストリップラインを構成する超伝導材料と中性子とが核反応する確率を高めることができる。
【００２２】
また、前記ストリップラインは、平面視で線幅が１〔μｍ〕以上３〔μｍ〕以下である構成としても好適である。
【００２３】
この構成によれば、ストリップラインを、中性子が衝突することによる温度上昇範囲に応じた適切な幅とすることができ、ストリップラインの温度上昇に伴う抵抗値の変化を表す信号が適切に検出できるようにすることができる。
【００２４】
本発明に係る中性子検出装置の使用方法の特徴構成は、前記目標バイアス電流及び前記目標温度に関し、所定のバイアス電流の供給下で、前記中性子検出素子の温度を常伝導状態が発現する温度から超伝導状態が発現する温度まで変更し、それぞれの温度において所定時間内に前記中性子検出装置が検出する中性子数を観測し、前記中性子検出素子の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域と、前記観測数増加領域からの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域とが認められ、前記観測数増加領域と観測数減少領域との間に中性子観測数の最大ピークが認められるバイアス電流を、前記目標バイアス電流とする点にある。
【００２５】
この特徴構成によれば、中性子検出装置による中性子観測数が最大となるように、目標バイアス電流を適切に設定することができる。したがって、中性子検出装置の時間分解能を高めることが可能となる。
【００２６】
ここで、前記目標バイアス電流が前記中性子検出素子に供給される状態で、前記中性子観測数の最大ピークが認められる前記中性子検出素子の温度を当該目標バイアス電流での前記目標温度とすると好適である。
【００２７】
このようにすれば、中性子検出装置による中性子観測数が最大となるように目標温度を適切に設定することができる。したがって、中性子検出装置の時間分解能を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
１．第一の実施形態
以下に、本発明の第一の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る中性子検出装置１の概略構成を示す図である。この図に示すように、中性子検出装置１は、中性子検出素子２、検出回路３、電源４、温度制御装置５、トリガ出力装置６、及び記録装置７を備えている。また、図２は、中性子検出素子２の具体的構成を示す図であり、図３は、中性子検出素子２のストリップライン２１の具体的構成を示す図である。なお、図２に示す例では、中性子検出素子２は、２組のストリップライン２１及び電極部２３等を備えた構成となっている。
【００２９】
図２に示すように、中性子検出素子２は、基板２２と、この基板２２の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップライン２１と、このストリップライン２１の両端にそれぞれ設けられた電極部２３とを有する。本例では、基板２２は、縦及び横の長さがそれぞれ１０〔ｍｍ〕であり、厚さが０．５〔ｍｍ〕の熱伝導性が高いサファイア基板としている。ストリップライン２１は、基板２２の表面に設けられた超伝導材料、具体的にはＭｇＢ2薄膜で構成される。またこの薄膜を構成するＭｇＢ2には、10Ｂを濃縮したものを用いる。図３に示すように、ストリップライン２１は、基板２２の表面に沿った平面形状がメアンダ形状に形成されている。本例では、ストリップライン２１は、平面視で線幅が１〔μｍ〕、線間距離が１〔μｍ〕、厚さ（膜厚）が２００〔ｎｍ〕とされている。そして、全体として縦及び横の長さがそれぞれ５０〔μｍ〕とされており、有効エリア外形が５０〔μｍ〕角とされている。
【００３０】
電極部２３は、ストリップライン２１の両端にそれぞれ電気的に接続されている。各電極部２３は、電源ライン２４及び信号出力ライン２５にそれぞれ接続されている。電源ライン２４及び信号出力ライン２５の寸法は、図２に示すとおりである。本例では、電源ライン２４のみを用いることとしている。そして、各ストリップライン２１に接続される２つの電極部２３のうち、一方の電極部２３は、電源ライン２４、コイル３２及び保護抵抗３１を介して電源４に電気的に接続され、他方の電極部２３は、電源ライン２４を介して接地されている。なお、信号出力ライン２５は、いずれにも接続されない。したがって、本実施形態の構成では、信号出力ライン２５は不要である。なお、電源ライン２４に代えて信号出力ライン２５を用いる構成とすることも可能である。
【００３１】
ここで、中性子検出素子２のストリップライン２１は、後述する温度制御装置５により所定の目標温度Ｔｃとなるように温度制御される。この状態で、ストリップライン２１に中性子が衝突すると、ストリップライン２中の10Ｂと中性子とが核反応を起こし、その核反応による発熱によってストリップライン２１の抵抗値が変化する。図４は、ストリップライン２１を構成するＭｇＢ2薄膜の抵抗−温度特性の一例を示す図である。この図に示すように、ストリップライン２１を構成するＭｇＢ2薄膜は、常伝導状態が発現する温度Ｔ０から超伝導状態が発現する温度Ｔ１までの転移温度領域内では、わずかな温度変化に対して抵抗値が大きく変化する。例えば、図４に示す目標温度Ｔｃから、中性子の衝突による核反応により当該衝突部分周辺のストリップライン２１の温度がＴｄまで上昇した場合には、ストリップライン２１の抵抗値はＲｃからＲｄまで一時的に増加する。その後、ストリップライン２１の温度がＴｄからＴｃに戻ると、ストリップライン２１の抵抗値もＲｄからＲｃに戻る。したがって、このようなストリップライン２１の抵抗値の一時的な変化を検出することにより、ストリップライン２１への中性子の衝突を検出することができる。
【００３２】
検出回路３は、中性子検出素子２のストリップライン２１の抵抗値の変化を表す信号を出力するための回路である。本実施形態においては、検出回路３は、電源４に対して、中性子検出素子２と直列に接続された保護抵抗３１及びコイル３２と、コイル３２に並列に接続された平衡差動増幅器３３と、コイル３２及び中性子検出素子２と並列に接続された平滑コンデンサ３４とを有して構成されている。ここで、コイル３２には、中性子検出素子２と同じバイアス電流が電源４から供給されることになる。そして、平衡差動増幅器３３は、コイル３２の両端の電位差を増幅して出力する。すなわち、中性子検出素子２のストリップライン２１に中性子が衝突し、上記のようにストリップライン２１の抵抗値が一時的に変化すると、コイル３２を流れる電流も一時的に変化する。それにより、コイル３２に生じる逆起電力が変化する。平衡差動増幅器３３は、このようにしてコイル３２の両端に生じる逆起電力による電位差を増幅して記録装置７に出力する。本例では、平衡差動増幅器３３として、常温（３００〔Ｋ〕前後）で用いられる、増幅率が２００、周波数レンジが１〔ｋＨｚ〕〜１００〔ＭＨｚ〕のオペアンプを用いている。なお、平衡差動増幅器３３としてコンパレータを用いることも可能である。電源４は、所定の目標バイアス電流Ｉｃを中性子検出素子２等に供給する定電流電源としている。
【００３３】
温度制御装置５は、中性子検出素子２を所定の目標温度Ｔｃに保つための温度制御を行う装置である。この温度制御装置５は、冷凍機等を備え、中性子検出素子２の少なくともストリップライン２１の全体を均一に冷却することができる構成を有している。ここで、温度制御装置５は、図４に示すように、中性子検出素子２の目標バイアス電流Ｉｃでの抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域（以下「目標温度領域Ａｔ」）内で決定された所定の目標温度Ｔｃを制御目標として温度制御を行う。この際、目標温度Ｔｃは、ストリップライン２１の温度上昇範囲（図４の例では温度ＴｃからＴｄまでの間の温度範囲）が目標温度領域Ａｔ内に収まるように設定すると好適である。本例では、目標温度Ｔｃは２７〔Ｋ〕前後に設定される。なお、目標温度Ｔｃの決定方法については、後に詳細に説明する。
【００３４】
記録装置７は、検出回路３の平衡差動増幅器３３から出力される信号を記録する装置である。本例では、この記録装置７として、サンプリング周波数を５〔ＧＨｚ〕に設定したデジタルオシロスコープを用いている。また、記録装置７としてのデジタルオシロスコープは、２０ＭＨｚ又は２００ＭＨｚのローパスフィルターを備えている。また、トリガ出力装置６は、検出回路３から出力される信号に基づいて記録装置７へのトリガ信号を出力する装置である。本例では、トリガ出力装置６として、検出回路３から特定幅のパルス信号が出力された場合にトリガ信号を出力するアンプ（タイミングアンプ）を用いている。なお、トリガ出力装置６を備えない構成とすることも可能である。
【００３５】
次に、本実施形態に係る中性子検出装置１の使用方法について説明する。ここでは、中性子検出装置１の目標バイアス電流Ｉｃ及び目標温度Ｔｃを以下に説明する方法に従って決定し、電源４により供給する電流値を目標バイアス電流Ｉｃとし、温度制御装置５の制御目標の温度を目標温度Ｔｃとして中性子検出装置１を使用する。
【００３６】
まず、目標バイアス電流Ｉｃを決定するために、所定のバイアス電流の供給下で、中性子検出素子２の温度を常伝導状態が発現する温度Ｔ０から超伝導状態が発現する温度Ｔ１まで（図４参照）変更し、それぞれの温度において所定時間内に中性子検出装置１が検出する中性子数を観測する。図５は、この観測実験の結果の一例を示す図である。この図に示す例では、所定のバイアス電流として、５０〔μＡ〕、１００〔μＡ〕、１５０〔μＡ〕、２００〔μＡ〕の４通りの電流値について観測を行った。そして、これら４通りのそれぞれのバイアス電流の供給下で、２７．４〔Ｋ〕から２６〔Ｋ〕まで０．１〔Ｋ〕刻みで温度を変更し、各温度について１時間ずつ観測を行った。この観測実験には、単位時間あたりにほぼ一定数の中性子を発生させる中性子源を使用した。その結果、バイアス電流が５０〔μＡ〕である場合を除いて、中性子検出素子２の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域Ｃｕと、この観測数増加領域Ｃｕからの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域Ｃｄとが認められ、観測数増加領域Ｃｕと観測数減少領域Ｃｄとの間に中性子観測数の最大ピークＰｍが認められることが分かった。そして、本使用方法では、このような最大ピークＰｍが認められるバイアス電流値を目標バイアス電流Ｉｃとする。図５に示す観測実験の結果に基づけば、１００〜２００〔μＡ〕の中の任意の電流値を目標バイアス電流Ｉｃとする。
【００３７】
ここで、バイアス電流が５０〔μＡ〕である場合には、観測数増加領域Ｃｕ、観測数減少領域Ｃｄ、及び最大ピークＰｍが明確に認められない観測結果が得られた。これは、電源４から供給するバイアス電流の値が小さいために、中性子検出素子２のストリップライン２１の抵抗値の変化を表す信号が弱く、信号を検出できない場合が多いためと考えられる。一方、バイアス電流が１００〔μＡ〕以上の場合には、それぞれ観測数増加領域Ｃｕ、観測数減少領域Ｃｄ、及び最大ピークＰｍが明確に認められたが、バイアス電流が大きくなるほど、観測数減少領域Ｃｄのカーブが緩くなっていることが分かった。このような現象が生じる要因は、図６に示すように、バイアス電流が大きくなるほど、ストリップライン２１の抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が小さくなるためと考えられる。このようなストリップライン２１の抵抗−温度特性に基づけば、バイアス電流が小さいほど、温度変化に対する抵抗変化が大きくなるため、中性子検出装置１の検出感度を高くできることが分かる。以上のことから、目標バイアス電流Ｉｃの値は、信号の大きさを確保することと、ストリップライン２１の抵抗−温度特性とのトレードオフの関係から、最適の値を決定すると良い。本例における、１００〔μＡ〕、１５０〔μＡ〕、２００〔μＡ〕の３つのバイアス電流値の中では、１００〔μＡ〕が目標バイアス電流Ｉｃとして最適であると考えられる。なお、本例では、５０〔μＡ〕刻みでバイアス電流を変更したが、更に細かくバイアス電流を変更することにより、更に最適な目標バイアス電流Ｉｃを決定することも可能である。
【００３８】
そして、本使用方法では、上記のように決定された目標バイアス電流Ｉｃが中性子検出素子２に供給される状態で、中性子観測数の最大ピークＰｍが認められる中性子検出素子２の温度を当該目標バイアス電流Ｉｃでの目標温度Ｔｃとする。図５に示す例では、目標バイアス電流Ｉｃが１００〔μＡ〕の場合には２７〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとし、目標バイアス電流Ｉｃが１５０〔μＡ〕の場合には２６．９〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとし、目標バイアス電流Ｉｃが２００〔μＡ〕の場合には２６．９〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとするのが好適である。なお、本例では、０．１〔Ｋ〕刻みで温度を変更したが、更に細かく温度を変更することにより、更に最適な目標温度Ｔｃを決定することも可能である。このようにして決定された目標温度Ｔｃは、結果として、各目標バイアス電流Ｉｃでの抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域（目標温度領域Ａｔ）内の温度であって、ストリップライン２１の温度上昇範囲（図４の例では温度ＴｃからＴｄまでの間の温度範囲）が目標温度領域Ａｔ内に収まるように設定されることになる。
【００３９】
図７は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、目標バイアス電流Ｉｃを１００〔μＡ〕、目標温度Ｔｃを２７〔Ｋ〕とした場合の中性子の検出時の信号波形の一例を示す図である。この図に示す例では、２つの信号波形が観測され、先に現れている第一の信号波形のピークの振幅Ａ１は０．０１１６〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗ１は４．１４〔ｎｓ〕であった。また、第二の信号波形のピークの振幅Ａ２は０．００８３〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗ２は４．６４〔ｎｓ〕であった。これまでに知られている装置により得られる信号波形の半値幅が５００〔ｎｓ〕〜１０〔μｓ〕程度であることから、本実施形態に係る中性子検出装置１が、これまでに知られている装置と比較して、格段に時間分解能が高いことが分かる。
【００４０】
２．第二の実施形態
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図８は、中性子検出素子２のストリップライン２１の具体的構成を示す図である。この図に示すように、本実施形態においては、中性子検出素子２のストリップライン２１は、平面視で線幅が３〔μｍ〕、線間距離が３〔μｍ〕とされている。そして、全体として縦及び横の長さがそれぞれ２００〔μｍ〕とされており、有効エリア外形が２００〔μｍ〕角とされている。このように、ストリップライン２１の線幅を広くしたことにより、線幅が１〔μｍ〕の場合と比較してストリップライン２１の単位長さ当りのインピーダンスを低くすることができる。したがって、ストリップライン２１の抵抗値の変化を表す信号の強度を確保しつつ、有効エリア外形を大きくすることが可能となる。なお、中性子検出素子２及び中性子検出装置１のその他の構成は、上記第一の実施形態と同様である。
【００４１】
図９は、本実施形態に係る中性子検出装置１について、所定の目標バイアス電流Ｉｃの供給下で、中性子検出素子２の温度を常伝導状態が発現する温度Ｔ０から超伝導状態が発現する温度Ｔ１まで（図４参照）変更し、それぞれの温度において所定時間内に中性子検出装置１が検出する中性子数を観測した結果の一例を示す図である。この図に示す例では、目標バイアス電流Ｉｃを１５０〔μＡ〕とし、２８〔Ｋ〕から２６〔Ｋ〕まで０．１〔Ｋ〕刻みで温度を変更し、各温度について１時間ずつ観測を行った。この観測実験には、単位時間あたりにほぼ一定数の中性子を発生させる中性子源を使用した。その結果、中性子検出素子２の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域Ｃｕと、この観測数増加領域Ｃｕからの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域Ｃｄとが認められ、観測数増加領域Ｃｕと観測数減少領域Ｃｄとの間に中性子観測数の最大ピークＰｍが認められることが分かった。また、中性子観測数の最大ピークＰｍが認められる中性子検出素子２の温度は２７〔Ｋ〕であることが分かった。したがって、目標バイアス電流Ｉｃが１５０〔μＡ〕の場合には２７〔Ｋ〕を目標温度Ｔｃとするのが好適である。
【００４２】
図１０は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、目標バイアス電流Ｉｃを１５０〔μＡ〕、目標温度Ｔｃを２７〔Ｋ〕とした場合の中性子の検出波形の一例を示す図である。この図に示す例では、信号波形のピークの振幅Ａは０．００４６８〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗは１７．８１〔ｎｓ〕であった。図１１は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、複数の中性子の検出結果について、信号波形のピークの振幅Ａと半値幅Ｗとの関係をプロットして表した図である。この図では、信号波形のピークの振幅Ａを縦軸とし、半値幅Ｗを横軸としている。この図に示すように、信号波形のピークの振幅Ａは、約０．０２５〜０．０７〔Ｖ〕の範囲内となり、半値幅Ｗは約１５〜１９〔ｎｓ〕の範囲内となることが分かった。これらの結果から、本実施形態に係る中性子検出装置１が、これまでに知られている装置と比較して、格段に時間分解能が高いことが分かる。
【００４３】
また、上記第一の実施形態の観測結果と本実施形態の観測結果とから、ストリップライン２１の平面視での線幅が１〔μｍ〕以上３〔μｍ〕以下である場合には、良好に中性子の検出を行うことができることが実証された。
【００４４】
３．第三の実施形態
次に、本発明の第三の実施形態について説明する。図１２は、本実施形態に係る中性子検出装置１の概略構成を示す図である。この図に示すように、本実施形態に係る中性子検出装置１は、検出回路３の構成が上記第一の実施形態とは異なる。
【００４５】
本実施形態においては、検出回路３は、電源４に対して、中性子検出素子２と直列に接続された保護抵抗３１及びコイル３２と、コイル３２及び中性子検出素子２と並列に接続された平滑コンデンサ３４と、中性子検出素子２に並列に接続された不平衡片線接地増幅器３５と、不平衡片線接地増幅器３５の反転入力端子（＋）の電源４側に直列に接続されたカップリングコンデンサ３６とを有して構成されている。また、不平衡片線接地増幅器３５の非反転入力端子（−）は接地されている。そして、不平衡片線接地増幅器３５は、中性子検出素子２の電極部２３間に生じる電位差を増幅して出力する。すなわち、中性子検出素子２のストリップライン２１に中性子が衝突し、上記のようにストリップライン２１の抵抗値が一時的に変化すると、中性子検出素子２の電極部２３間の電位も一時的に変化する。不平衡片線接地増幅器３５は、このようにして中性子検出素子２の電極部２３間に生じる電位差の変化を増幅して記録装置７に出力する。本例では、不平衡片線接地増幅器３５として、中性子検出素子２と同様に冷却される低温低雑音のオペアンプを用いている。本例では、不平衡片線接地増幅器３５として、常温（２３〔Ｋ〕前後）で用いられる、周波数レンジが１０〔ｋＨｚ〕〜１〔ＧＨｚ〕のオペアンプを用いている。この不平衡片線接地増幅器３５の増幅率は、例えば１〔ＧＨｚ〕で１２．５である。なお、不平衡片線接地増幅器３５としてコンパレータを用いることも可能である。また、本実施形態においては、コイル３２はチョークコイルとして機能するが、コイル３２を備えない構成とすることも可能である。
【００４６】
本実施形態における中性子検出素子２の構成は、上記第一の実施形態と同様に図２に示す構成となっている。ただし、上記第一の実施形態では、電源ライン２４のみを用いたが、本実施形態においては、電源ライン２４及び信号出力ライン２５の双方を用いる。すなわち、本実施形態においては、各ストリップライン２１に接続される２つの電極部２３のうち、一方の電極部２３は、電源ライン２４、コイル３２及び保護抵抗３１を介して電源４に接続されるとともに、信号出力ライン２５及びカップリングコンデンサ３６を介して不平衡片線接地増幅器３５に接続される。他方の電極部２３は、電源ライン２４及び信号出力ライン２５を介して接地されている。
【００４７】
図１３は、本実施形態に係る中性子検出装置１において、目標バイアス電流Ｉｃを１００〔μＡ〕、目標温度Ｔｃを２６．９〔Ｋ〕とした場合の中性子の検出波形の一例を示す図である。この図に示す例では、信号波形のピークの振幅Ａは０．００２８２〔Ｖ〕であり、半値幅Ｗは２．３３〔ｎｓ〕であった。この結果から、本実施形態に係る中性子検出装置１が、これまでに知られている装置と比較して、格段に時間分解能が高いことが分かる。また、本実施形態に係る中性子検出装置１は、ストリップライン２１の抵抗変化による中性子検出素子２の電極部２３間の電位の変化を直接検出する構成としているため、上記の各実施形態と比較しても時間分解能が非常に高い装置となっている。
【００４８】
４．その他の実施形態
（１）上記の実施形態では、中性子検出素子２の目標温度Ｔｃを２７〔Ｋ〕前後とする場合の例について説明した。しかし、この値は中性子検出素子２の目標温度Ｔｃの単なる一例であり、中性子検出素子２の材質が異なれば、当然に異なる目標温度Ｔｃが設定されることになる。
【００４９】
（２）上記の実施形態では、中性子検出素子２を単独で用いる場合の例について説明した。しかし、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、複数の中性子検出素子２を、基板２２上に一列に配列し、或いは平面的に配列することにより、例えば位置分解能が１〜１０００〔μｍ〕程度で、一次元又は二次元の中性子の飛来位置を検出可能な中性子検出装置とすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、時間分解能が高い中性子検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す図
【図２】中性子検出素子の具体的構成を示す図
【図３】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出素子のストリップラインの具体的構成を示す図
【図４】ストリップラインを構成するＭｇＢ2薄膜の抵抗−温度特性の一例を示す図
【図５】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出装置による、所定のバイアス電流の供給下での各温度における所定時間内の中性子の検出数を観測した観測実験の結果の一例を示す図
【図６】ストリップラインの抵抗−温度特性のバイアス電流による変化の一例を示す図
【図７】本発明の第一の実施形態に係る中性子検出装置による中性子検出時の信号波形の一例を示す図
【図８】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出素子のストリップラインの具体的構成を示す図
【図９】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出装置による、所定のバイアス電流の供給下での各温度における所定時間内の中性子の検出数を観測した観測実験の結果の一例を示す図
【図１０】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出装置による中性子検出時の信号波形の一例を示す図
【図１１】本発明の第二の実施形態に係る中性子検出装置において、複数の中性子の検出結果について、信号波形のピークの振幅と半値幅との関係をプロットして表した図
【図１２】本発明の第三の実施形態に係る中性子検出装置の概略構成を示す図
【図１３】本発明の第三の実施形態に係る中性子検出装置による中性子検出時の信号波形の一例を示す図
【符号の説明】
【００５２】
１：中性子検出装置
２：中性子検出素子
３：検出回路
４：電源
５：温度制御装置
６：トリガ出力装置
７：記録装置
２１：ストリップライン
２２：基板
２３：電極部
３２：コイル
３３：平衡差動増幅器
Ｉｃ：目標バイアス電流
Ｔｃ：目標温度
Ａｔ：目標温度領域（温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域）
Ｔ０：常伝導状態が発現する温度
Ｔ１：超伝導状態が発現する温度
Ｃｕ：観測数増加領域
Ｃｄ：観測数減少領域
Ｐｍ：最大ピーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップラインと、このストリップラインの両端にそれぞれ設けられた電極部とを有する中性子検出素子と、
前記中性子検出素子のストリップラインの抵抗値の変化を表す信号を出力する検出回路と、
所定の目標バイアス電流を前記中性子検出素子に供給する電源と、
前記中性子検出素子の前記目標バイアス電流での抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域内の温度を目標温度として、前記中性子検出素子の温度制御を行う温度制御装置と、
を有する中性子検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、前記中性子検出素子に直列に接続され、前記中性子検出素子と同じバイアス電流が前記電源から供給されるコイルと、このコイルの両端の電位差を増幅して出力する平衡差動増幅器とを有する請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項３】
前記検出回路は、前記中性子検出素子の前記電極部間に生じる電位差を増幅して出力する不平衡片線接地増幅器、を有する請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項４】
前記検出回路から出力される信号を記録する記録装置と、前記検出回路から出力される信号に基づいて前記記録装置へのトリガ信号を出力するトリガ出力装置と、を備える請求項１から３の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項５】
前記基板は、サファイア基板である請求項１から４の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項６】
前記超伝導材料は、ＭｇＢ2薄膜である請求項１から５の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項７】
前記ストリップラインは、前記基板の表面に沿った平面形状がメアンダ形状に形成されている請求項１から６の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項８】
前記ストリップラインは、平面視で線幅が１μｍ以上３μｍ以下である請求項１から７の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一項に記載の中性子検出装置の使用方法であって、
前記目標バイアス電流及び前記目標温度に関し、
所定のバイアス電流の供給下で、前記中性子検出素子の温度を常伝導状態が発現する温度から超伝導状態が発現する温度まで変更し、それぞれの温度において所定時間内に前記中性子検出装置が検出する中性子数を観測し、
前記中性子検出素子の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域と、前記観測数増加領域からの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域とが認められ、前記観測数増加領域と観測数減少領域との間に中性子観測数の最大ピークが認められるバイアス電流を、前記目標バイアス電流とする中性子検出装置の使用方法。
【請求項１０】
前記目標バイアス電流が前記中性子検出素子に供給される状態で、前記中性子観測数の最大ピークが認められる前記中性子検出素子の温度を当該目標バイアス電流での前記目標温度とする請求項９に記載の中性子検出装置の使用方法。
【請求項１】
基板と、この基板の表面に設けられた超伝導材料で構成されるストリップラインと、このストリップラインの両端にそれぞれ設けられた電極部とを有する中性子検出素子と、
前記中性子検出素子のストリップラインの抵抗値の変化を表す信号を出力する検出回路と、
所定の目標バイアス電流を前記中性子検出素子に供給する電源と、
前記中性子検出素子の前記目標バイアス電流での抵抗−温度特性における、温度変化に対する抵抗変化が最も大きい温度領域内の温度を目標温度として、前記中性子検出素子の温度制御を行う温度制御装置と、
を有する中性子検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、前記中性子検出素子に直列に接続され、前記中性子検出素子と同じバイアス電流が前記電源から供給されるコイルと、このコイルの両端の電位差を増幅して出力する平衡差動増幅器とを有する請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項３】
前記検出回路は、前記中性子検出素子の前記電極部間に生じる電位差を増幅して出力する不平衡片線接地増幅器、を有する請求項１に記載の中性子検出装置。
【請求項４】
前記検出回路から出力される信号を記録する記録装置と、前記検出回路から出力される信号に基づいて前記記録装置へのトリガ信号を出力するトリガ出力装置と、を備える請求項１から３の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項５】
前記基板は、サファイア基板である請求項１から４の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項６】
前記超伝導材料は、ＭｇＢ2薄膜である請求項１から５の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項７】
前記ストリップラインは、前記基板の表面に沿った平面形状がメアンダ形状に形成されている請求項１から６の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項８】
前記ストリップラインは、平面視で線幅が１μｍ以上３μｍ以下である請求項１から７の何れか一項に記載の中性子検出装置。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一項に記載の中性子検出装置の使用方法であって、
前記目標バイアス電流及び前記目標温度に関し、
所定のバイアス電流の供給下で、前記中性子検出素子の温度を常伝導状態が発現する温度から超伝導状態が発現する温度まで変更し、それぞれの温度において所定時間内に前記中性子検出装置が検出する中性子数を観測し、
前記中性子検出素子の温度の低下に伴って中性子観測数が増加する観測数増加領域と、前記観測数増加領域からの更なる温度の低下に伴って中性子観測数が減少する観測数減少領域とが認められ、前記観測数増加領域と観測数減少領域との間に中性子観測数の最大ピークが認められるバイアス電流を、前記目標バイアス電流とする中性子検出装置の使用方法。
【請求項１０】
前記目標バイアス電流が前記中性子検出素子に供給される状態で、前記中性子観測数の最大ピークが認められる前記中性子検出素子の温度を当該目標バイアス電流での前記目標温度とする請求項９に記載の中性子検出装置の使用方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１３４１５３（Ｐ２００８−１３４１５３Ａ）
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２０６０５（Ｐ２００６−３２０６０５）
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 研究集会名 ＪＳＴ−ＣＲＥＳＴ 公開シンポジウム 新機能材料の創成ととその基礎科学 研究領域「高度情報処理・通信の実現に向けたナノ構造体材料の制御と利用」 主催者名 独立行政法人 科学技術振興機構 開催日 平成１８年１１月２１日
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 研究集会名 ＪＳＴ−ＣＲＥＳＴ 公開シンポジウム 新機能材料の創成ととその基礎科学 研究領域「高度情報処理・通信の実現に向けたナノ構造体材料の制御と利用」 主催者名 独立行政法人 科学技術振興機構 開催日 平成１８年１１月２１日
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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