【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24OS1064
利用課題名 / Title
超伝導量子センサーを利用した放射線検出器の開発
利用した実施機関 / Support Institute
大阪大学 / Osaka Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）その他/Others（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,ボンディング/ Bonding
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
吉田 斉
所属名 / Affiliation
理学研究科物理学専攻 川畑研究室
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
西川隆博,野田健太,松本朋也,堤 智
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究課題の目的は、超伝導量子センサーを利用した放射線検出器を開発することにより、標準模型を超える物理探索の感度を向上させることである。ニュートリノの質量の起源を探るニュートリノレス二重ベータ崩壊探索において、探索感度を上げるために高エネルギー分解能放射線検出器の導入が求められている。量子干渉計（SQUID）とMetallic-Magnetic Calorimeter(MMCセンサー)を組み合わせた、極低温域での高感度温度センサーの実装を行い、超高純度フッ化カルシウム（CaF2）シンチレーション結晶を組み合わせた新しい高エネルギー分解能放射線検出器の実現に向けて開発を行う。このCaF2蛍光熱量検出器は、蛍光検出技術だけでなく、放射線検出に熱量測定を利用する革新的な取り組みである。極低温（10 ｍK程度）に冷却したCaF2結晶で放射線がエネルギー損失するときに発生する熱（量子としてのフォノン）を検出することで、極めて高いエネルギー分解能を実現できる。CaF2結晶からフォノン信号を高効率でセンサーに伝搬するために、CaF2結晶表面に金薄膜（フォノンコレクター）を蒸着し、ワイヤーボンダーを使用して、フォノンコレクターとMMCセンサーを金ワイヤーで接続し、CaF2結晶内での放射線エネルギー損失量を高精度で測定する。
実験 / Experimental
MMCセンサーは極低温(100mK以下)で動作し、温度上昇を磁化変化に変換し、磁化変化によって内部コイルに誘導電流が発生する。その誘導電流を超伝導量子干渉計(SQUID)という高感度の磁束計を使って読みとる。SQUID内部のコイルにMMCセンサーから読みとった電流変化が伝わり、磁束変化が起こる。SQUID回路内の電流が変化し、最終的に電圧変化として信号を取り出すことができる。CaF2蛍光熱量検出器開発の前段階として、これらMMC-SQUIDセンサーの読み出しテストを行なった。Au薄膜を放射線の吸収体とし、5.46MeVのアルファ線を吸収した際の温度変化をMMC-SQUIDで読み出すセットアップを作成した。セットアップを断熱消磁冷凍機にインストールし、70mKまで冷却して測定した。
結果と考察 / Results and Discussion
MMC＋SQUIDセンサーを使用した放射線検出器を作製し（図1）、70ｍKに冷却して測定を行った結果、5.46MeVでエネルギー分解能 0.25%(FWHM) を達成した（図２）。希釈冷凍機での測定は10 mKまで冷却した場合、Au薄膜(2mm x 2mm x 0.025mm)とCaF2結晶(50mmΦｘ50mm)の熱容量比から、CaF2 蛍光熱量計の測定での結果を予想することができ、現在の希釈冷凍機の運転で到達できている20 mKではCaF2蛍光熱量計の測定では、2.96%(FWHM) が得られると求められた。しかしながら、目標とするエネルギー分解能0.5%には到達できないため、13~14mKまでの冷却と、信号のノイズ対策、ゲイン変動に対する補正が不可欠であることがわかり、対策が必要であることが分かった。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1：超伝導MMCセンサーとSQUIDを組み合わせた放射線検出器。放射線エネルギーの吸収体はCaF2結晶の代わりにAu薄膜を使用している。
図2：測定された241Amのアルファ線(5.46MeV他）の放射線エネルギースペクトル
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 西川隆博、”CaF2蛍光熱量計による0νββ探索に向けたMMCセンサーの性能評価”、第一回学術変革「地下稀事象」若手研究会（富山大学）、2025年3月6日
- 松本朋也、"宇宙暗⿊物質探索⽤ CaF2 蛍光熱量検出器の開発に向けた検出器性能要件の検証",日本物理学会2025年春季大会（オンライン）、2025年3月21日
- 堤智、"宇宙暗黒物質探索用 CaF2 蛍光熱量検出器に用いるSQUIDセンサーの性能試験"、日本物理学会2025年春季大会（オンライン）、2025年3月21日
- 堤智、松本朋也、"暗黒物質探索のための CaF2 蛍光熱量計の開発"、第10回 極低放射能技術研究会（富山大学）、2025年3月8日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件