TES型カロリメータのX線照射
実験
宇宙物理実験研究室
新井 秀実
目的
TESカロリメータを用いたX線分光について研究
実験室において、X線源からX線スペクトル取得をして分解能を得る。
X線による高精度の宇宙観測へとつなげる。
X線検出器 → TES型カロリメータ(研究室で作製した素子を使用)
冷凍機
→ 希釈冷凍機
X線源
→ 55Fe Mn Kα 5.9keV
Mn Kβ 6.5keV
TES型X線カロリメータ
• X線のエネルギーを素子の温度上昇として検出する装置
• エネルギー分解能は素子の熱容量C、温度T、温度計感度
αで決まる
TES型温度計(Transition Edge Sensor)
超伝導転移端を温度計として利用
RTカーブ
わずかな温度変化を
大きな抵抗変化として
検出する
X線
吸収体
熱容量C
温度計 T
熱容量C
低温熱浴
エネルギー分解能
⊿E∝ k TB C2 /α
d log R
温度計の感度 α =
d log T
極低温で優れた分解能を発揮する
ので極低温に冷やす冷凍機が必要
TES型X線カロリメータ写真
写真 1
TES
300μm角
写真3
TES
金でできた
X線吸収体
180μm角
1.5μm厚
写真4
写真2
200μm
46mm
線源 55Fe
希釈冷凍機
カロリメータの性能を引き出すには極低温での動作が必須
→カロリメータを極低温に冷やせる冷凍機が必要
• 高さ124cm,直径39.4cm
• 液体Heを50ℓ使用し約50
時間の連続循環運転が
可能
• 最低到達温度:60mK
39.4cm
124cm
X線検出実験
• 転移温度 :105mK
• カウント数: 4590count / 10491秒
• 線源:55Fe Mn Kα: 5.9keV
Mn Kβ: 6.5keV
RT測定結果(X線
検出の前にあらか
じめ測定)
抵
抗
(mΩ)
超伝導量子干渉計
で測定
温度(mK)
実験結果
スペクトル
Mn-Kα
Mn-Kα(5.9keV)
カ
ウ
ン
ト
数
FWHM
=6.9eV
Mn-Kβ(6.5keV)
エネルギー(eV)
Mn-Kβ
(分解能固
定フィット)
ノイズ
FWHM
=4.0eV
FWHM
=6.9eV
考察
X線のスペクトルとノイズのエネルギー分解能の差の見積もりを計算した。
2
2
⊿EFWHM= ⊿Eノイズ
+⊿ Eばらつき
であるから
⊿Eばらつき =5.6eV
⊿Eばらつきが生じる主な原因
•熱浴の温度的な揺らぎ
•X線の入射位置依存性 → 吸収体に当たる場所で熱の伝
わり方が違う
小さいピクセルの素子では
4.8eVの分解能が得られている。
カ
ウ
ン
ト
数
FWHM
=4.8eV
今回使用したTESよりサイズが
小さいので熱容量が小さい。
エネルギー(eV)
分解能はより良い値が得られている。
エ
ネ
ル
ギ
ー
分
解
能
今回
吸収体:180μm
⊿E∝ C の関係
吸収体:120μm
(eV)
熱容量(J/K)
結果
希釈冷凍機を用いることにより、本グループ製作の
TES型カロリメータ(TESサイズ300μmの素子)で
5.9keVのX線について6.9eVの分解能を得ることが
できた。
今後の目標
素子の改良、環境の改善(磁気シールドなど)からより
良い分解能の向上を目指す。
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