TES型X線マイクロカロリメータの多素子化の研究宇宙物理実験研究室古賀丈雄カロリメータとは X線マイクロカロリメータの概念図 X線温度計フォノン揺らぎ温度計の感度α 吸収体  熱リンク d ln R d ln T 分解能熱浴入射したX線光子1個1個のエネルギーを素子の温度上昇を計ることによって測定 E ~ 1  N k BT  k BT C  2 TES（Transition Edge Sensor)とは TES (transition-edge sensor)  抵抗R α 超伝導 α：温度計の感度常伝導温度T 超伝導遷移端の急激な抵抗変化を利用して温度変化に対して高い感度をもつ温度計 d ln R d ln T 我々のグループではＴＥＳとしてＡｕ／Ｔｉ二層薄膜を使用（転移温度～200mK) α ：数百～１０００次期X線天文衛星ミッション（２０１０年頃） NeXT(New X-ray Telescope) DIOS（Diffuse Intergalactic Oxygen Surveyor）小型衛星ミッション 70cm 銀河間物質(dark baryon)の大構造を探る 16ｘ16＝256ピクセル TES型マイクロカロリメータ搭載ガスダイナミクスで探る宇宙の進化～1000ピクセル TES型マイクロカロリメータ搭載目標次期X線検出器に要求される性能エネルギー分解能～２eV 撮像性能～1000pixel ～500ｘ500μｍ２ pixel size TES型X線マイクロカロリメータ単素子でのエネルギー分解能世界記録～4 eV＠6 keV 我々のグループ～6 eV＠6 keV 本研究の内容多素子化に向けて吸収体の材料、形状による性能の違いを評価 TESの多素子化に向けてマッシュルーム型吸収体開口率を上げる TES断面模式図吸収体 TES （Ti/Au２層薄膜） Au Ti TES 配線 SiN膜 SiN膜 Si基板の上にSn吸収体のみで作製されたマッシュルーム構造 ~250μm ~400μm １ピクセル分このままでは開口率が低い５００μｍ開口率 73％さらに改善予定吸収体の材質Ｘ線吸収体の材質に求められる性質熱容量小 ⇒ X線入射の際の温度上昇が大きい熱伝導度大⇒ 熱化を促進原子番号大 ⇒ 阻止能が大きい吸収体を厚くすることが容易電析（めっき）可能 ⇒ （我々のグループ独自の方法）蒸着よりも密な構造を形成今回の製作で使用した物質 Sn （原子番号50） Bi （原子番号83）超伝導体(臨界温度3.7K) ⇒熱容量小電析が容易半金属⇒熱容量小他所でTESの吸収体として使用され性能を出している評価したTESカロリメータの構造 TES 250μm 吸収体 500μm TES 大きさ 250μm × 250μm 厚さ Au/Ti 200/100 nm 吸収体大きさ 500μm × 500μm 厚さ Sn/Au（シード層） 8/0.3 μm TES断面図製作プロセス吸収体をつける前のTES（4素子） TES 早稲田大学にて表面にレジスト製作（保護膜）を塗布シード層（Au)を蒸着完成５００μｍ５００μｍ Sn or Biを電析表面研磨吸収体の厚さ8μｍ５００μｍレジストで吸収体の形を作成裏をエッチングしてメンブレン構造にするレジスト除去（アセトンで洗浄） X線照射実験セットアップ５００μｍ 120 ｃｍ４ｃｍ 55 Fe X線源 3He-4He 希釈冷凍機～１００ｍＫ評価を行った素子 Sn吸収体 Bi吸収体 Auシード層のみ（マッシュルーム吸収体無し）実験中にBi吸収体が剥落した素子残ったAuシード層で X線を吸収実験結果ーX線パルス Bi吸収体（μＡ）（μＡ） Sn吸収体 Auシード層のみ数 ms パルスが頭打ちになる時定数の長い成分がない時定数～0.1ｍｓの短い成分と数ｍｓの長い成分の２成分がパルスに含まれている吸収体の熱容量が小さいため温度上昇が遷移端を飛び越え時定数の長い成分もパルスが頭打ちになる存在するが、Snより抑えられている長い成分の割合82% 長い成分の割合24％長い成分は無いパルスの時定数が長い（熱容量大）実験結果ースペクトル Mn Kα１、Kα２ラインのスペクトル Sn吸収体 Bi吸収体 FWHM = 173±3.5eV FWHM = 44.5±1.5eV Auシード層のみ FWHM = 6.3±0.4eV パルスを積分してエネルギー換算したスペクトル Snに比べBi吸収体のほうが性能が良い長い時定数の成分による影響 ① ２つ成分の割合が一定ではないためパルスの形状が安定しない ② パルスを積分する際ノイズも積分されてＳ／Ｎが悪くなる ⇒分解能が悪化長い時定数の成分の原因① （吸収体が超伝導 Sn の場合） X線吸収クーパー対の破壊準粒子生成 Sn 吸収体準粒子消滅 ①フォノン生成 ②フォノン生成クーパー対 ①X線吸収時に、フォノンと同時に準粒子も生成される ②準粒子が数ｍｓ寿命の後消滅しフォノンを生成するので、時定数の長い成分が現れる長い時定数の成分の原因② X線吸収 Bi吸収体 Auシード層 TES X線吸収、フォノン生成 ①縦方向に伝わったフォノンは Auシード層到達後、比較的速く TESに到達する。 ②横方向に伝わったフォノンは吸収体内熱伝導度が小さいため TESに到達するのが遅くなる改善策吸収体の熱伝導度を大きくする ⇒BiにCuをはさんだ多層膜吸収体多層膜吸収体構造の試作品 Bi 5μm Cu 0.2μm Bi 1.5μm Cu 0.2μm Bi 1μm テスト用の素子は完成 ⇒ 近々実験予定まとめと今後 • マッシュルーム吸収体つき素子の性能評価を行った • 素子の分解能時定数の長い成分の影響で悪化準粒子、熱伝導が原因 ⇒吸収体を Bi にすることで改善 ⇒さらに改善するため Bi に Cu をはさんだ多層膜吸収体を製作 • 多素子化に向けて２ｘ２の構造の製作プロセスは確立 ⇒１６ｘ１６pixel のアレイを製作 20ｍｍ 16ｘ16ピクセルTESカロリメータアレイ設計図