TES型X線マイクロカロリメータの開発 （VII） ― エネルギー分解能の追求 ― 広池哲平、大橋隆哉、山崎典子、石崎欣尚、森田うめ代 (都立大) 満田和久、藤本龍一、伊予本直子、 大島泰、二元和朗、竹井洋 (宇宙研) 工藤寛之、佐藤裕崇、中村友亮、小林秀臣、 庄子習一、本間敬之、逢坂哲彌 (早大理工) 黒田能克、大西光延、後藤雅也 (三菱重工業) 田中啓一、師岡利光、中山哲、茅根一夫 (セイコーインスツルメンツ) エネルギー分解能 13 eV＠5.9 keV カロリメータ 入射X線を素子の微小な 温度変化として検出 エネルギー分解能 (FWHM) は フォノン数の揺らぎで決まる X線 定電圧バイアス V0 吸収体 温度計 V ～100 ｍK E 2.35 k BT C 2 C ： 熱容量 R 1 : 温度計や動作条件 によるパラメータ 熱接触 α：温度計の感度 低温熱浴 ～40 ｍK X線エネルギー SQUID 電流変化を測定 極低温（～100 mK）で 優れた分解能を発揮 TES： Transition Edge-Sensor 作製：セイコーインスツルメンツ 超伝導遷移端 を利用した 高感度温度計 2 mm TES d ln R d ln T ｌｎ R R ∝T α α= 10～1000 Tｃ T 空洞 Ti （超伝導体） Au（常伝導体） Ti 40 nm Au 110 nm SiNx膜 （1μm厚） 二層薄膜 膜厚比を変えることで 遷移温度 Tc が変化 SII #6 (秋の物理学会にて発表) 転移温度 温度計感度 α エネルギー分解能 （ノイズ成分 120 mK 100 140 eV 52 eV) カロリメータの顕微鏡写真 ② ① TES SiNｘ 断面図 ポイント ① エッチング不良による 残留物の存在 パルス波形が大きくばらつく ポイント ② 吸収体 Si 問題点 SiO2 手作業での 吸収体（Sn）の接着 充分に大きなパルスが出ない これらを改良・・・ SII #14 （改良版！） 改良点 ポイント ① 裏面くり抜きにより 残留物の除去 2 mm Si 0.5 mm TES 0.5 mm ポイント ② TES 作製と同時に Au 吸収体を形成 Au 吸収体 0.3 mm × 0.3 mm 空洞 断面図 TES Si ② Au 吸収体 SiNｘ TES 300 nm Au 110 nm ① 拡大図 Ti 40 nm Nb 配線 200 nm 実験セットアップ SII #14 0.5 mm ～1.6 K 0.3 mm 125 ｃｍ SQUID 0.2φ サファイアコリメータ 吸収体に照射 55 Fe 線源 希釈冷凍機 最低到達温度 ～20 ｍK ～20 ｍK 動作パラメータ TES R -T 特性 熱浴温度 バイアス電圧 TES 抵抗値 TES 温度 動作点 Tc = 105 mK X線パルス ΔT ～ 2 mK Output Signal (μA) α ～ 100 4.8 μA 150 μｓ Time (ms) 45 mK 1.3 μV 42 mΩ 105 mK エネルギースペクトル Mn Kα 5.9 keV ノイズ成分＠5.9 keV Kβ 11 eV ピーク付近拡大図 12.6±0.6 eV Kα1 (5.893 keV) Kα2 (5.885 keV) まとめ と 今後 SII #6 ⇒ SII #14 への改良点 ・残留物のない、設計通りの熱特性の素子作製に成功 熱伝導度 減少 → TES 充分に熱化 ⇒ パルスのばらつき抑制 ・吸収体：Sn 箔（接着） → Au（スパッタ） に変更 吸収体内部での熱伝導度向上 → TES を一様に熱化 熱容量 減少 → パルスハイト 増大 ⇒ S/N 向上 分解能 13 eV を達成 今後 ・分解能を決めている ・エネルギー分解能を保ちつつ、多ピクセル化 性能評価 期待される分解能＠5.9 keV （熱揺らぎ＆熱雑音の寄与） 2 2 ΔE = (1.6 eV) + (読出し 3.3 eV) = 3.7 eV 見積もり 3.7 eV ノイズ成分 10.6±0.3 eV 実測結果 12.6±0.6 eV パルス成分 の揺らぎ 見積もりの 不完全性？ パルス波形の揺らぎ ノイズ成分 11 eV 実測結果 13 eV 6.7 eV 相当 パルス波形のばらつきの影響 熱の伝わり方が一様でない 原因 温度、バイアスの不安定性 改善方法 配線の熱伝導を悪く TES の Au を厚く 吸収体の熱伝導を良く TES の熱化を ⇒ ⇒ ⇒ 充分に 迅速に 一様に ノイズの寄与を小さくするために 原理的には 抵抗 小 → パルスハイト 大 ⇒ 動作点の 抵抗 小 が良い ⅰ パルスハイトが頭打ちになる d ln R T dR R-T 曲線の傾きの変化 TES に流れる電流密度に関係？ d ln T R dT ⇒ TES/吸収体の形状の工夫 流す電流を少なく（熱伝導度 ↓） ⅱ Excess Noise (∝ 1/R ) 遷移端に特有な現象か？
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