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
d ln R

d
ln
T
抵抗
[mΩ]
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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