2003-1-29 修士論文

東京都立大学　理学研究科　修士 2 年

TES 型 X 線マイクロカロリメータの　　　　　　　　　　　　応答特性の研究

森田うめ代

次世代（ 20 １０年頃）Ｘ線天文衛星搭載撮像分光器にむけて- 高エネルギー分解能の実現 ( 昨年度 ４６ eV)- 応答特性の理解

目的

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- X 線光子のエネルギーを素子の温度上昇として検出- エネルギー分解能は動作温度　 T 　～ 100 mK 　と温度計

の感度 α で決まるΔE ∝ 　 kBT

　 2C /α

1. Ｘ線マイクロカロリメータ

Ｔ

ｓ

2003-1-29 修士論文2. TES 型 X 線マイクロカロリメータ

大橋先生

超伝導転移端を温度計として利用

電熱フィードバック　　 X 線入射　　　 T↑ 　　　 R↑ 　　　 I↓ 　　　　発熱減少

TES 温度計 （ Transition Edge Sensor ） TES の利点　　感度　 α 大　　時定数 τ 短縮

電流変化を検出 ( SQUID 利用 )

RT カーブ

温度計の感度 α = d log Rd log T

2003-1-29 修士論文3. SII-14 カロリメータ 宇宙科学研究所、 Seiko Instruments Inc. と共同開発

1.7 mm

0.7

mm 空洞

0.5 mm

TES

S 　 i 基板

1.7 mm

1.7 mm

a

b

SiNSi

ba0.2 mmΦ 　サファイアコリメータ

TES Ti - Au の２層薄膜

0.5 mm × 0.5 mm厚さ : Au 110 nm, Ti 40 nm

Nb 配線

断面図Nb 配線

吸収体吸収体

X 線吸収体 Au

0.3 mm × 0.3 mm × 300 nm

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4. 測定履歴

LLNL (Lawrence Livermore National Lab. ）X 線発生装置を用いて Al 、 Cr 、 Fe の X 線照射可能読み出しノイズが都立大の ～ 1/3

2002/02 　　 11.4 ± 0.7 eV @ 　 5.9 keV ( ＴＭＵ）

2002/08 　　 6.6 ± 0.4 eV @ 　 5.9 keV ( ＴＭＵ）

測定系の改善超伝導 ( 鉛）磁気シールドバイアスラインにコンデンサ

2002/11

6.0 ± 0.3 eV @ 　 1.5 keV8.3 ± 0.8 eV @ 　 5.4 keV 8.8 ± 1.2 eV @ 　 6.4 keV

( 世界記録は ～ 4 eV @5.9 keV ）

2003-1-29 修士論文5. 実験装置　　　　　　　　　　　　　＠ TMU 　　　　　　　　 ＠ LLNL

冷凍機 : 希釈冷凍機 断熱消磁冷凍機X 線照射方法 : 55Fe 線源のみ　 X 線発生装置使用（ Al 、 Cr 、Fe など）

55Fe 線源

55Fe 線源

～～ 1.6 K1.6 K

～ 60 ｍ K

125 cm125 cm

400-series400-seriesSQUIDSQUIDarrayarray

TES chip

60 cm

100 mK100 mKXX 線線

2003-1-29 修士論文6. RT 特性

5.9 keV X 線が入射した際

ΔT ～ 0.5 ｍ KΔR ～ 15 ｍ ΩΔ I ～ 11 μA

転移温度 ～ 150 mK感度　 α 　～ 120

R∝T 120

TMU磁気シールドなし(2 月 , １０月）

LLNL （ 11 月）

TMU磁気シールドあり(8 月 ,7 月）

温度計の再現性　～５ mK経年変化があるとしても数 ｍ Kシールドなしの方が転移温度が低い傾向

80 mΩ

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Mn-Kβ

Mn-Kα

カウ

ント

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Mn-KαMn-Kβ

エネルギーとパルスハイトの関係をPH = aE 　 2 + bE 　の２次関数で補正

( エネルギー分解能 ) ２ー ( ベースラインのゆらぎ ) ２

＝ 波形のばらつき

温度ゆらぎ ( ～ 30 μK) の影響は～ 1.4 eV

　で無視できる

Kα1 lines ～ 5.899 keVKα2 lines

～ 5.888 keV

MnKα 6.6 ± 0.4 eV

ベースラインのゆらぎ6.3 ± 0.2 eV

7. MnKα エネルギースペクトル＠ TMU

Energy 　 (keV)

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Al　 Ｋα

Cr Ｋ

α Fe Ｋ

αCr

Ｋβ

Al　Ｋ

β Fe Ｋ

βEnergy 　 (keV)

0 2 4 6 8 10

K Ｋα

温度ゆらぎ ( ～ 10 μ Ｋ）の影響　～ 1.6 eV 、 5.8 eV 、 6.9 eV で説明可能

Al Kα

Cr KαFe Ｋ α

Cr Ｋ α 8.3 ± 0.8 eV Fe Ｋ α 8.8 ± 1.2 eVAl 　Ｋ α 　 6.0 ± 0.3 eV

ベースラインのゆらぎ6.3 ± 0.2 eV

8. エネルギースペクトル＠ LLNL

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動作パラメータ＠ TMU

R = 42 mΩT =151 mKTs = 61 mK Rs = 3.1 mΩRp = ０ .0 mΩI = 31 μAC = 2.0 pJ/K

PH = 9 μA τ = 78 μ ｓα ～　 113

＠ LLNL 44 mΩ151 mK100 mK4.3 mΩ5.0 mΩ25 μA2.0 ｐＪ /K

7 μA118 　 μ ｓ126

測定値

9. パルス波形の比較

LLNL

TMU

理論式で絶対値まで含め、ほぼ説明できた。

パルスハイト =EαCT

RR + (R s + R

p)I

時定数 τ =C 　 /GL3 　 +1 L3

=

Ｉ ２

RαＧＴ

R ー (R s ＋ R p)R + (R s + R p)I ∝ 1 － ( )n,Ts

T

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FeCr

Al

FeCr

Al

入射エネルギーが高いほど時定数が長くなる

パルスハイトで

ノーマライズ

ＰＨ ∝　 ατ 　∝　１ /α

入射エネルギーに対応するΔR 　で 平均した α がエネルギーの高いところで小さくなるため

CrAlFe

動作点

10. パルスハイトの非線形性の原因

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11. ノイズの比較

都立大のほうが見積もりからの超過が大きい（超過ノイズ ∝ 1/R 　）。

正確な原因は不明√バイアス電圧のゆらぎを 1.2 、 0.06 μV/ Hz 　とすると見積も

りと合う。

ジョンソンノイズ

@LLNL

見積もり

読み出しノイズフォノンノイズ

1/(2πτ ）

見積もり

1/(2πτ ）

フォノンノイズ

@TMU実測 実測

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12. まとめ　分解能の向上

- 測定環境向上により都立大で 6.6 ± 0.4 eV @ 　 5.9 keV

達成

- ＬＬＮＬで 6.0 ± 0.3 eV @ 　 1.5 keV 達成

- ベースラインとの二乗差は熱浴の温度ゆらぎで説明可能

　パルス応答の理解

- パルス波形を定量的に説明

- パルス応答のエネルギー依存性を評価

　ノイズ応答の解明

- ノイズはまだ完全には説明できない　（超過ノイズ）

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臨界電流

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コンデンサ

2003-1-29 修士論文超伝導磁気シールド

シールドあり

シールドなし

25 cm

超伝導 Pb磁気シールド(Tc = 7.20 K)

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感度　α

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目的

次世代Ｘ線天文衛星搭載撮像分光器にむけて- Δ Ｅ～ 3 eV のエネルギー分解能の実現

- マルチピクセル化 （ 32×32 ピクセル）

衝突銀河団 A2256 の X 線輝度分布

宇宙の高エネルギー天体現象の解明

銀河団の進化銀河団の進化＝小銀河団同士が高速で衝突・合体＝小銀河団同士が高速で衝突・合体

XX 線輝線の線輝線のドップラー効果ドップラー効果(6.7 keV)(6.7 keV)ｖ ～ 500 ｋｍ / ｓ で高温ガスが運動ΔE <10 eV の分解能で分離 ⇒ TES 型カロリメータで理論的には到達

可能

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昨年の性能と問題点

エネルギー分解能ΔE = 12.6 eV @ 5.9 keV

ベースラインのゆらぎΔE = 11 eV

問題点- X 線パルスハイトが見積もりの約半分⇒ カロリメータ動作時の実効的な温度計の感度 α の抑制- 読み出し系ノイズが大きい- X 線照射は ５５ Fe でのみ ⇒ エネルギーとパルスハイトの関係が不明確

2002.2 の時点での