米乐m6官方网站 质谱无噪声超导探测器阵列实现技术开发

　米乐m6官方网站【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）计量前沿研究部【主任：市村真吾】超光谱系统开发研究小组的研究组组长大久保正隆等人正在致力于开发先进的质谱设备。我们已经实现了多线（100根同轴电缆）安装技术，可以从K级低温环境提取到室温的高速脉冲信号[见图1]。

超导探测器是X射线光谱⁽¹⁾和质谱⁽²⁾超导探测器具有高性能，能够探测传统半导体探测器原则上无法探测到的软X射线和巨型聚合物，但必须有03K的极低温环境，而且一个超导探测元件的面积很小，最多只有几百微米。为了将粒子检测效率为100%的质谱仪投入实用，需要构建至少100个超导检测元件的阵列。

 

　这就需要连接03K的极低温度和室温的高速通信技术，但此前人们认为这种电缆流入的热量太大，不可能投入实际使用。

　此次，通过将检测元件的同轴电缆直径减小至033mm，并使用导热率低的金属导体，成功地将热量流入抑制在54μW以下。此外，通过在极低温环境下实际测量同轴电缆的热传导，表明可以实现。

　这一结果可以说，具有极限灵敏度的飞行时间质谱仪的实际应用已指日可待，在原子、蛋白质等大分子的质谱分析中，无论分子量或分子类型如何，都可以实现100%的粒子检测效率。

图 1 具有 100 根同轴线（外部和内部）的低温恒温器， 正在开发的用于飞行时间质谱分析的超导粒子探测器阵列和实际冷却曲线

　在03K等极低温度环境下，热噪声与室温下的 26 meV 相比，变为约 0026 meV。因此，能够实现常温工作时无法实现的测量性能，并且能够实现几乎没有热噪声的无噪声测量装置。特别是，分子被电离并加速，分子种类可根据其飞行时间来识别飞行时间质谱 (TOF-MS)中，在低温环境中使用超导探测器可实现 100% 的粒子检测效率，与分子量和分子种类（从原子到蛋白质等大分子）无关。

在TOF-MS中，为了获得高质量分辨率，需要以几纳秒的精度（一纳秒是十亿分之一秒）精确测量离子到达检测器时的时间信息。然而，到目前为止，还没有技术能够实现连接超导探测器阵列和在室温下运行的半导体电子信号处理系统的低温高频多线。这种安装技术最困难的方面是如何将进入03K极低温环境的超导传感器的热流保持在较低水平。例如，直径为 100 µm、长度为 30 cm 的单根铜线会产生约 100 µW 的热量流入。引入100根电线，更不用说安装粗同轴电缆，将导致数十毫瓦或更高的功率，并且人们认为不可能实现无噪声测量。

AIST 测量前沿研究部门已证明超导探测器的性能超出了传统技术的极限⁽¹⁾尽管其性能出色，但其应用于实际分析仪器的障碍是03 K低温环境的必要性以及如何从低温环境中提取信号，我们一直在继续研究这个问题。该结果基于 AIST 自己的项目“多维信息飞行时间质谱”(超级 TOF) 发展”(2003-2003)。

　超导探测器使用X射线光谱⁽¹⁾或质谱⁽²⁾具有高性能，能够检测传统半导体检测技术原则上无法检测到的软X射线和巨型聚合物。然而，为了操作超导探测器，需要03K的极低温环境，例如He³液化He减压的方法低温恒温器

　另一方面，一个超导检测元件的面积很小，最多几百μm。因此，为了将超导探测器投入实际使用，必须创建一个至少有100个元件的阵列。此外，在测量粒子飞行时间的质谱分析中，需要以几纳秒的分辨率测量粒子到达检测器所需的时间，并且需要提取从低温环境到室温的高速脉冲信号。假设由100个超导检测元件组成的阵列，则需要从低温环境中取出100根同轴信号电缆来进行高速信号传输，并且为了使上述低温恒温器稳定运行，需要将每根同轴电缆的热量流入抑制到100nW以下，而这种规模的同轴电缆被认为是不可能实现的。

　通过将同轴电缆的直径减小至 033 mm，并使用低导热率的金属导体，我们成功地将每根电缆的热量流入抑制在 54 nW 以下。此外，通过实际测量极低温环境下同轴电缆的热传导，我们证明了在超导探测器中实现这种方法是可能的。迄今为止，已有测量同轴电缆原材料（例如金属材料）在此温度范围内导热系数的报道，但尚未对最终加工后的超细同轴电缆的导热系数进行实际测量。

　导热系数是热量传递难易程度的指标，受材料微观结构的影响。因此，在加工承受大应变的微同轴电缆时，预计热传导会发生较大变化。为此，原材料导热系数的数据不足，需要实际测量加工成电缆后的数值。

图2直径033毫米超细同轴电缆导热系数测量值

　为此，我们开发了一种可以测量这种少量热量流入的工具。图2为两种同轴电缆导热系数的测量值。如果已知电缆的长度和所使用的温差，则可以使用该图来准确估计热量流入。这次，我们实现了考虑到高频特性的同轴电缆 1。我们确认通过一根电缆的热量流入为 54 nW，并证明可以在 TOF-MS 低温恒温器中安装 100 根同轴电缆。

　该结果将用于实现实用级超导飞行时间质谱仪。此外，如果能够提供导热系数从03K到室温的电缆，用户将能够在不进行初步实验的情况下准确估计热量流入量，这有望有助于在低温环境下运行的超导设备的普及，从而实现超精确测量。

　未来，基于这一结果，我们计划继续进行设备开发研究，以实现从原子到蛋白质的粒子检测效率为100%的质谱仪的广泛使用。该装置不仅大幅提高了质谱的检测灵敏度，而且有望发展成为尖端的分析仪器，不仅可以识别蛋白质等大分子的类型，还可以分析蛋白质的含量，这对于早期发现疾病具有重要意义。

◆超导探测器

利用超导体电子能级中的间隙（不能被激发电子占据的能量区域，称为超导能隙）。通过测量离子碰撞时跨过该间隙激发的电荷载流子，可以测量离子的到达时间及其碰撞能量。隧道结用于读出电荷载流子。超导能隙极小，只有几兆电子伏，因此基于二次电子发射的离子探测器的粒子探测灵敏度取决于分子量或分子种类，而超导探测器与这些无关，可以实现100%的粒子探测灵敏度。[返回来源]

◆热噪声

一种现象，其中探测器中的电子被热运动激发，即使在没有实际信号的情况下，探测器也会发出电脉冲。[返回来源]

◆飞行时间质谱（TOF-MS）

电离蛋白质等分子并使用电场加速它们。仅考虑单电荷离子，无论离子类型如何，离子获得的动能都是恒定的，因此对于较轻的分子，离子的速度较快，对于较重的分子，离子的速度较慢。通过测量该飞行时间，可以确定分子的质量。该装置的硬件由产生离子的离子源、加速和飞行部分以及离子检测器组成。该方法的优点是原则上对可测量的质量没有限制，并且可以同时测量不同质量的离子。实际上，可分析的质量范围受到电离或检测器性能的限制。[返回来源]

◆低温恒温器

利用真空绝热容器等抑制热量流入，营造极低温环境的低温装置。[返回来源]