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 熱容量C X線 RTカーブ 吸収体 熱容量C 温度計 T わずかな温度変化を 大きな抵抗変化として 検出する まずはX線の検出器について説明します。 私の研究室ではカロリーメータという超伝導体のX線検出器を使用しています。 X線光子が吸収体に当たると吸収体の温度が上昇し抵抗値が変化します。 この時の抵抗変化をX線光子のエネルギーとして読み出すのがカロリーメータです。 TES型カロリーメータは、超伝導遷移端内で動作させる事で 小さな温度変化を大きな抵抗変化として読み出すことができる検出器です。 動作させる温度が低ければ低いほどカロリーメータのエネルギー分解能は良くなります。 通常は１００ｍｋ以下で動作させます。 低温熱浴 エネルギー分解能 ⊿E∝ ｋ T Ｃ /α 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 2 B 温度計の感度 α = d log R d log T
TES型X線カロリメータ写真 写真 1 写真3 ＴＥＳ ＴＥＳ 写真4 写真２ 46mm 200μm 線源 Fe 300μm角 180μm角 金でできた X線吸収体 ＴＥＳ 300μm角 180μm角 1.5μm厚 写真4 写真２ 46mm 写真1はカロリーメータに乗せる素子ＴＭＵ146の写真です。 中央にある赤枠で囲った部分が金でできたX線の吸収体です。 黄色い枠で囲った部分がチタンと金からできている土台です。 写真3はコリメータの拡大図です。 コリメータをつけることでＸ線の照射範囲を調整することができます。 写真のように２００μｍの穴をあけました。 200μm 線源 Fe 55
希釈冷凍機 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 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： Fe Mn Kα： 5.9keV ５５ RT測定結果（X線検出の前にあらかじめ測定） 抵抗 超伝導量子干渉計で測定 （mΩ） 温度(mK)
実験結果
カウント数 エネルギー（eV） スペクトル Mn-Kα Mn-Kα（5.9keV） FWHM Mn-Kβ(6.5keV) ＝6.9eV ノイズ 左上のノイズのゆらぎは、何も信号が検出されていない時の カロリーメータの電流変化を読み出す装置（SQUID）の電流値のゆらぎを表しています。 Baselineの分解能以上にMn-Ka、Mn-Kbの分解能がよくなる事はありません。 FWHM ＝4.0eV FWHM ＝6.9eV
考察 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 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。 であるから 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
今回 ⊿E∝ Ｃ の関係 小さいピクセルの素子では カウント数 4.8eVの分解能が得られている。 今回使用したTESよりサイズが 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 今後の目標 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。