Ti/Au 二層薄膜を用いた TES-ETF X線マイクロカロリメータの研究開発 東京都立大学 理学研究科 物理学専攻 宇宙物理実験研究室 修士２年 0083428 広池 哲平 修士論文発表内容 1. TES-ETF X線マイクロカロリメータ 2. X線照射実験 3. エネルギー分解能 4. まとめ 目的 1 高エネルギー天体現象の物理 銀河団の進化 ＝小銀河団同士が 高速で衝突・合体 A2256 X線強度分布 ×× ガスの運動 500 万光年 X線輝線のドップラー効果 (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 エネルギー分解能の向上 が第一目標 （昨年度 99 [email protected] カロリメータとは・・・エネルギー分解能(FWHM)は 2 入射X線を素子の微小な 温度変化として検出 フォノン数の揺らぎで決まる CT E 2.35 k BT k BT 2.35 k BT C 2 C ： 熱容量 1 : 温度計や動作条件 によるパラメータ α：温度計の感度 極低温（～100 mK）で 優れた分解能を発揮 TES : Transition-Edge Sensor 超伝導-常伝導遷移を 利用した高感度温度計 2 mm 3 SiNx膜（1μm厚） 上に TES 0.5 mm Ti 50 nm Au 60 nm 0.38 mm 二層薄膜 TES : Transition-Edge Sensor 超伝導-常伝導遷移を 利用した高感度温度計 抵抗 [mΩ] d ln R d ln T Tc = 290 mK α～ 2.5×10 4 温度 [mK] 2 mm 3 SiNx膜（1μm厚） 上に TES 0.5 mm Ti 50 nm Au 60 nm 0.38 mm 二層薄膜 ETF : Electro-Thermal Feedback R TESを定電圧で駆動 → 負のフィードバック ⇒ 超伝導遷移端に保つ V0 X線入射 T I TES R 290 ｍK 熱接触 低温熱浴 130 ｍK ｔ SQUID 読み出し系 PJoule = V R 2 0 ↓ 温度上昇 ↓ 抵抗上昇 ↓ 発熱量減少 ↓ 元の状態 （～1 ｍｓ） 電流変化を測定 ⇒ 入射エネルギー 4 評価したカロリメータ 素子名 WSD#48 TES の 支持方法 共同開発 宇宙科学研究所 5 早稲田大学（WSD） セイコーインスツルメンツ （SII） WSD#61 WSD#62 SII#6 Si ビーム SII#10 SiNx 膜 遷移温度[mK] 180 243 220 119 290 感度 α 8 150 150 100 2.5×104 ベースライン 揺らぎ [eV] 75 120 130 44 20 分解能 [eV] 99 120 > 300 220 46 吸収体 手作業 手作業 メッキ 手作業 無 素子の 写真 6 X線照射実験セットアップ SII #10 2 mm ～1.6 K 125 ｃｍ SQUID TES 0.38 mm 0.2 Φ サファイアコリメータ 55 Fe 線源 希釈冷凍機 最低到達温度 ～20 ｍK ～20 ｍK 0.5 mm 7 動作パラメータ 熱浴温度 130 ｍK 抵抗 バイアス電圧 3.0 μV mΩ TES 抵抗値 48 ｍΩ Mn Kα（5.89 keV） を吸収した際 ～0.01 mK の温度上昇 ΔR ～ 10 ｍΩ ΔI ～ 10 μA SQUID ゲイン 5×10 4 V/A ΔV ～ 500 mV α＝ × d ln R d ln T 動作点 Tc = 290 mK 温度ln T mK 温度 X線検出 8 X線パルス 出力 [mV] パルス面積 ∝ エネルギー 時間 [μs] 8 X線検出 ピーク拡大図 X線スペクトル作成 ベースラインの揺らぎ カウント数 X線スペクトル カウント数 出力X線パルス [mV] 20 eV Mn Kα 5.89 keV 64 eV エネルギー [eV] エネルギー [keV] 時間 [μs] Kβ パルス波形のばらつき 出力 [mV] TES から熱浴への τ2 : 冷却時間 熱伝導の時間 τ1 : 熱化時間 時間 [μs] TES の熱化に 要する時間 9 パルス波形のばらつき 冷却時間 τ2 [μs] 出力 [mV] τ2 τ1 時間 [μs] τ1 : 熱化時間 τ2 : 冷却時間 熱化時間 τ1 [μs] 9 波形選択後のX線スペクトル カウント数 10 エネルギー分解能 46 eV と改善 46 eV しかし・・・ エネルギー [keV] ベースラインの揺らぎ（20 eV） まで性能を引き出せていない パルス波形のばらつきをなくす 分解能の改善には ２つの方法でアプローチ ベースライン揺らぎを小さくする 波形のばらつきを抑制するには 11 出力 [mV] Ti 40 nm/Au 110 nm τ2 τ2 58 μｓ 62 μｓ τ1 τ1 6.7 μｓ 8.8 μｓ SII#13 500×500 μｍ TES Au 吸収体 300×300 μｍ 時間 [μs] τ1 : 熱化時間、τ2 : 冷却時間 X線を吸収する場所によって TES の熱化/冷却時間が異なる Au 110 nm Au 300 nm Ti 40 nm TES の膜質の改善 吸収体 の設置 （X線をTES以外で吸収させる） 改善可能なは 吸収体 ベースラインの揺らぎ 12 ノイズパワー [μV/√Hz] ノイズスペクトル パルススペクトル 理想的な場合には ノイズスペクトル パルススペクトル 2 df ① パルスを大きく 熱容量を小さく 転移温度を低く α を 大きく ② ノイズを小さく 改善の余地あり 周波数 [Hz] ノイズ解析 予想されるノイズ 素子起因 5.6 eV 熱雑音 熱揺らぎ 読み出し系 5.0 eV 合計 7.5 eV 実測 20 eV 13 ノイズパワー [μV/√Hz] ノイズスペクトル パルススペクトル 素子起因 読み出し Excess Noise 超伝導遷移時における ノイズの見積もりが不十分？ Excess Noise ジョンソンノイズ フォノンノイズ 周波数 [Hz] SII #13 改善点 14 カウント数 吸収体を取り付けた 遷移温度が低い 遷移温度 100 mK 温度計感度 150 25 eV エネルギー [keV] エネルギー分解能 ベースラインの揺らぎ 46 eV ⇒ 25 eV 20 eV ⇒ 13 eV 分解能向 上！ まとめ 15 ４種類のカロリメータ素子について性能評価を行った SII#10 は TES の超伝導遷移温度 Tｃ ＝ 290 ｍK、 温度計感度 α～ 2.5×10 4 であった 5.9 keV に対するエネルギー分解能は 46 eV であり、 ベースラインの揺らぎは 20 eV であった 吸収体を設ける、 Tｃ を低くすることで さらに改善することを示した Special Thanks to Movie Producer K.Toshima 今後の予定 TES の膜質改善 ⇒ 高性能スパッタ装置の導入 より薄い TES の作製 吸収体の形状の最適化 熱伝導度を小さくし、時定数を長く 測定系の最適化 ⇒ SRON 製の実績のある素子を組み込み、測定系 の寄与を調べる
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