測定器開発室において、共同利用研究の重要性は年々高まってきている。なかでも先端 計測地区にあるクリーンルームを利用した超伝導デバイスの試作開発では、機構外の研究 グループのアクティビティが極めて高い。その中で今回は岡山大学のグループによる開発 研究を紹介する。 宇宙背景放射（CMB）観測のための超高感度検出器として測定器開発室においてスター トした超伝導検出器（SCD）プロジェクトであるが、その高い分解能を素粒子原子核実験 の量子測定に活かす試みも精力的に進められている。岡山大学のチームでは。CMB 向けに 開発が進められているKinetic Inductance Detector (KID)の技術を大口径のアレイセンサ ーに展開した、Lumped Element (LE)KID の開発を進めており、このたび1cm 平方の大面 積センサーの試作に成功した。（図１）KID 技術の活用により、７ｘ８素子の大径超伝導セ ンサーアレイが、一本のセンシングノードによって読み出せる構成となっている。今後質 量の小さい暗黒物質探索などでこうしたセンサーが威力を発揮するものと期待されている。

　開発室MPGDグループでは、様々な量子ビームによるイメージング応用を目指してMPGD（Micro Pattern Gas Detector）技術に取り組んでいるが、そこにおいて一つのキーポイントは電荷をもたない量子（X線、ガンマ線、中性子）をMPGDで検出できる荷電粒子へと変換する機構である。これまで開発を進めてきたのはGEM（Gas Electron Multiplier）フィルム自身に変換物質をコーティングして、変換された荷電粒子からの電離電子をGEM細孔へと高電場により導くとともに、実効透過効率が100%となるようガス増幅で補うというtrickyな手法で、これにより実質的には変換GEMの枚数にスケーラブルな総合変換効率が期待でき、数十%の検出効率も実現可能であるとしてきた。しかしながら現実にはコストの問題と多段に積層された変換GEM群を横切る合計電圧の高圧化が実質的な制限になりうる。
そこでMPGDグループが取り組んでいるもう一つのアプローチが、「多孔コンバータ」の手法である。その概念を右図に示す。細孔の穴径と深さがほぼ同等である変換GEMと違い、この多孔コンバータは大きく開口していわばグリッドに近い。グリッドと同様各層は単一電位であり、そのため基材はアルミのような金属で構わない。変換GEMのように層間での高い電位差（電圧）も不要であるので横切る総合電圧を低く抑えることが可能である。重要なことは、重層での非遮断開口率が十分にあることで、そのためには各層のすべての孔が正しくアラインされていることが求められる。

こうしたアイディアに基づき試作された多孔コンバータの外観を図2に示す。中性子検出器を想定して変換物質としてボロンがコーティングされている。これを実際に、計測用GEMと積層し、中性子の計測を行った結果を下図３に示す（▲および□、異なるコンバータ間電圧）。従来型であるボロンをコートした変換GEMの積層タイプ（◆）と比較して、同等とは言えないまでも70%程度の効率を示しており、今後の最適化による改善も期待される。
この手法はガンマ線イメージングのためのコンバータへも適用が可能であり、高検出効率の高精細メージングの実現も期待できる。

　開発室では、プロジェクト同士の技術／リソースの相互活用を大いに推奨しているとこ ろであるが、そうした中、超電導素子を測定器に用いるSCDグループとSOI技術の開発・ 応用を進めているSOIピクセルグループの融合テーマが、昨年度より始まった。 

これは、筑波大を中心として開発中の宇宙背景ニュートリノ（CνB）由来の遠赤外光を 捉えるための超伝導検出器（STJ）をSOIチップの上に形成し、極低温で低ノイズの信号増 幅を直結するSOI上の電子回路で行おうとする画期的なものである。極低温で正常に動作し ない通常のCMOSと違い、SOIのチップは液体He温度までの動作についてすでに予備的な結果 が知られており、今回のような１K以下での利用にも期待が持たれていた。

　左の図は、STJ素子をポストプロセスするために特別に設計されたSOIチップのレイアウ トである。今回この上に、STJ素子を形成しその超伝導素子の基礎特性を測定したのが， 右図であり、大変キチンとしたジョセフソン接合素子特有のIV特性を確認することが出来 た。これは勿論世界で初めての試みとなる。

　確認すべきもう一つのポイントは、 STJ素子が動作する1K以下でのSOIチッ プの動作である。
これについても、右に示すように良好な FET特性が750mKで得られることが確認 された。これはこの種の回路の動作が確認 された最低温度である。
こうしてこのSTJ-SOIの連携デバイス は新たな測定器の領域へと一歩ずつ足を 踏み入れつつある。

　開発研究の高度化とともに国際交流を積極的に推進している測定器開発室において、最 も多くの海外からのコラボレータを有するのは、SOI ピクセルプロジェクトである。その ため、年一度行われる全体会議にあたるSOI collaboration meeting もしばしば海外の協力 機関のホストのもと行われている（2010 年にFNAL，2012 年はLBNL）。今回2013 年は ヨーロッパにおいて初めて、ポーランドのクラコウにて5 月6～7 日開催された。

クラコウにはSOI ピクセル検出器開発を手掛ける研究機関が二つ（the AGH University of Science and Technology Krakow とthe Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics）あり、地元でも両者がコンソーシアムを組んでSOI による検出器技術の開発研究 にあたっており、KEK へも毎年若手の研究者を送り込んでいる。そんな両機関が今回のコ ラボレーションミーティング兼ワークショップを共同開催してくれた。会議の冒頭で、主 催者の一人であるAGH のMarek Idzik 教授から、このコンソーシアムからポーランド政府 へ提案していた研究予算が採択されたとの報告があり、大いに昂揚しての開会となった。 下の写真は、会場となったクラコウ旧市街の一角にあるPoland Academy of Science (PAS) での集合写真である。歴史を感じさせる施設の中で、全世界から集まったSOI 検出器開発 者同士の活発な議論が交わされた。

　通常ピクセルセンサーと言えば、優れた空間分解能は持つものの、時間については限られた情報しか与えられないことが多い。たとえば今日超高精細を売り物にするデジカメやビデオカメラなどで使われるCCDやCMOSセンサーにしても、超高速の同期シャッタを切ったり、イメージの時間情報を取り込んだりすることは得意ではない。ところが放射光実験など科学の現場では、時間情報が現象の解明に極めて重要なパラメータとなることも多い。そんなことから測定器開発室では、高速時間情報が扱えるピクセルセンサーシステムとして高速ピクセル検出器用超高速信号処理システム（FPIX）開発のプロジェクトが進められてきた。ここでは、高速センサーとしてAPDピクセルアレイが、高速信号処理回路としてBiCMOS技術を利用したASICチップとFPGAを駆使した高機能制御ブロックがシステムを構成している。2012年度からはいよいよ放射光ビームを使った実証実験がBL－14Aラインで行われ、性能評価が進行中である。

　システムの特性を如実に示すのは、時間・空間の2軸でPFリングからのX線を測定することである。時間情報としてビームのバンチ構造を、空間情報として絞り込まれたビームのプロファイルを同時に測定することで、システムの性能を評価してみたのが下図である。ハイブリッドモードと呼ばれるバンチ構造において、短い孤立バンチを1n秒以下の精度で測定できるばかりでなく、続くマルチバンチトレインも連続する2n秒間隔のバンチを同様の時間精度できちんと分離できているのがわかる。こうして当初目標であった、PFリングのバンチ弁別ができる時分解ピクセル検出器開発が達成されことが示された。

　ピクセルセンサーと言えば、イメージングを行う画像素子と考えがちであるが、実は大変 優秀な X 線のエネルギー測定器ともなりうる。素子の基本単位であるピクセルのサイズは、１０ミクロン程度と極小であるためその検出器容量が小さく、エネルギー測定で性能を損ねる原因となる電気ノイズを極めて小さく抑えられる。これにより高分解能の検出器とし て X 線天文学などでの活用がされている。さらにピクセルサイズ小さいことから、重なっ て入射する放射線の影響を最小にすることができるため、こうした重畳するバックグラウ ンドの影響が極めて高い状況、たとえば開発段階の加速器システムなどで信号を同定するのに都合がよい。

　量子ビームプロジェクト関係者の大変な調整作業の結果、３月１５日レーザーコンプト ン散乱によると思われる X 線の発生が確認され、SOI ピクセル検出器システムの出番とな った。検出器で観測される X 線は 28keV をピークとするものと予測されたが、残念ながら レーザーと電子ビームの衝突はまだ同期が不完全なため、X 線の発生量は多いとはいえず S/N 比は極めて低く、観測の条件は相当に厳しい。

　そうした状況で実際にレーザービームの照射のオンとオフの条件で、SOI 検出器で観測 された信号のスペクトルが次ページの図である。ここでは信号の拡がり（クラスターサイ ズ）を２ピクセル分（１７✕３４ミクロン）以下とする条件を課すことで、制動輻射など から発生する高エネルギーのガンマ線等の影響が大きく低減されている。先に述べた高精細ピクセル検出器の絶大な威力が発揮されたわけである。レーザーオンでのみ出現する28keV 付近のスペクトルピークは明白であり、かくして予測通りの信号が観測され、間違 いなくレーザーコンプトン散乱により発生した X 線であることが確認された。

　測定器開発室では、超高感度センサーとしての高い可能性を秘めた超伝導デバイスによる放射線検出器の開発研究プロジェクト（SCD）を進めている。そもそものプロジェクトは宇宙背景輻射の測定や宇宙ニュートリノ崩壊からの遠赤外光を捉えるための超伝導トンネル接合素子（STJ）の開発からスタートしたが、さらに近年の超電導素子の進展であるmicrowave kinetic inductance detector (MKID)の研究にも積極的に取り組んでいる。その中で、岡山大学の石野グループでは、素子の超高感度を活かして、暗黒物質などの発見を目指したMKIDデバイスの開発を精力的に進めている。MKIDデバイスでは、放射線や暗黒物質による反跳で発生したフォノンの吸収により超伝導状態にある回路素子のインダクタンスが変化することを、共振周波数のシフトで検知する全く新しい原理の検出素子である。そのテストエレメントの構造を上に示す。シリコン基板上に形成された横幅20mmほどのパターンの中央に並べられた10組の検出パッド（Al 100nm厚, 0.2x0.1㎜2）がフォノンを吸収して上下につながれた共振回路（Nb 200nm厚）のインダクタンスが変化することを外周を巡るラインに導かれた高周波のスペクトル変化で検知する。