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

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1 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 広池 哲平 修士論文発表内容 TES-ETF X線マイクロカロリメータ X線照射実験 エネルギー分解能 まとめ

2 目的 × エネルギー分解能の向上 高エネルギー天体現象の物理 A2256 銀河団の進化 ＝小銀河団同士が 高速で衝突・合体 ガスの運動
1 高エネルギー天体現象の物理 A2256 500 万光年 X線強度分布 銀河団の進化 ＝小銀河団同士が 高速で衝突・合体 × ガスの運動 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 keV）

3 カロリメータとは・・・ エネルギー分解能(FWHM)は フォノン数の揺らぎで決まる 入射X線を素子の微小な 温度変化として検出
2 エネルギー分解能(FWHM)は フォノン数の揺らぎで決まる 入射X線を素子の微小な 温度変化として検出 C ： 熱容量 α：温度計の感度 : 温度計や動作条件 によるパラメータ 極低温（～100 mK）で 優れた分解能を発揮

4 TES : Transition-Edge Sensor
3 超伝導-常伝導遷移を 利用した高感度温度計 2 mm 0.38 mm 0.5 mm SiNx膜（1μm厚） 上に Ti 50 nm Au 60 nm 二層薄膜 TES

5 TES : Transition-Edge Sensor
3 超伝導-常伝導遷移を 利用した高感度温度計 2 mm 0.38 mm 0.5 mm SiNx膜（1μm厚） 上に Ti 50 nm Au 60 nm 二層薄膜 TES 温度 [mK] 抵抗 [mΩ] Tc = 290 mK α～ 2.5×10 4

6 ETF : Electro-Thermal Feedback
4 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 R X線入射 ↓ 温度上昇 抵抗上昇 発熱量減少 元の状態 （～1 ｍｓ） T PJoule = V 0 R 2 TES 290 ｍK 熱接触 低温熱浴 130 ｍK ｔ I SQUID 読み出し系 電流変化を測定 ⇒ 入射エネルギー

7 評価したカロリメータ 素子名 Si ビーム SiNx 膜 共同開発 WSD#48 WSD#61 WSD#62 SII#6 SII#10
宇宙科学研究所 早稲田大学（WSD） セイコーインスツルメンツ（SII） 5 素子名 WSD#48 WSD#61 WSD#62 SII#6 SII#10 TES の 支持方法 遷移温度[mK] 180 243 220 119 290 感度 α 8 150 100 2.5×10 ベースライン 揺らぎ [eV] 75 120 130 44 20 分解能 [eV] 99 > 300 46 吸収体 手作業 メッキ 無 素子の 写真 Si ビーム SiNx 膜 4

8 X線照射実験セットアップ SII #10 TES 2 mm 0.5 mm 0.38 mm 0.2 Φ サファイアコリメータ ～1.6 K
125 ｃｍ SQUID Fe 線源 55 希釈冷凍機 最低到達温度 ～20 ｍK ～20 ｍK

9 動作パラメータ × 熱浴温度 130 ｍK バイアス電圧 3.0 μV TES 抵抗値 48 ｍΩ 抵抗 mΩ α＝ d ln R
7 熱浴温度 ｍK バイアス電圧 μV TES 抵抗値 ｍΩ 抵抗 mΩ α＝ d ln R d ln T × 動作点 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 ΔV ～ 500 mV SQUID ゲイン 5×10 V/A 4 Tc = 290 mK 温度 ln T 温度 mK

10 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]

11 X線検出 X線スペクトル作成 ベースラインの揺らぎ 64 eV 20 eV ピーク拡大図 Mn Kα 5.89 keV X線パルス
カウント数 ベースラインの揺らぎ 20 eV エネルギー [keV] カウント数 Kβ Mn Kα 5.89 keV X線スペクトル 出力 [mV] 時間 [μs]

12 パルス波形のばらつき TES から熱浴への τ2 : 冷却時間 熱伝導の時間 TES の熱化に 要する時間 τ1 : 熱化時間
9 出力 [mV] TES から熱浴への 熱伝導の時間 τ2 : 冷却時間 TES の熱化に 要する時間 τ1 : 熱化時間 時間 [μs]

13 パルス波形のばらつき τ2 [μs] 冷却時間 τ2 τ1 τ1 : 熱化時間 熱化時間 τ1 [μs] τ2 : 冷却時間 出力 [mV]
9 熱化時間 τ1 [μs] 冷却時間 τ2 [μs] 出力 [mV] τ2 τ1 時間 [μs] τ1 : 熱化時間 τ2 : 冷却時間

14 波形選択後のX線スペクトル エネルギー分解能 46 eV と改善 46 eV カウント数 しかし・・・ ベースラインの揺らぎ（20 eV）
10 エネルギー [keV] カウント数 エネルギー分解能 46 eV と改善 46 eV しかし・・・ 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 分解能の改善には ２つの方法でアプローチ パルス波形のばらつきをなくす ベースライン揺らぎを小さくする

15 波形のばらつきを抑制するには SII#13 τ1 τ2 Ti 40 nm/Au 110 nm τ2 TES τ1 吸収体 の設置
出力 [mV] τ1 8.8 μｓ τ2 62 μｓ SII#13 Ti 40 nm/Au 110 nm τ2 58 μｓ 500×500 μｍ TES τ1 6.7 μｓ Au 吸収体 300×300 μｍ 時間 [μs] τ1 : 熱化時間、τ2 : 冷却時間 Au 300 nm Au 110 nm Ti 40 nm 吸収体 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 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） 改善可能なはず！

16 ベースラインの揺らぎ 理想的な場合には パルスを大きく ノイズを小さく 熱容量を小さく 転移温度を低く α を 大きく 改善の余地あり
12 ノイズパワー [μV/√Hz] ノイズスペクトル 理想的な場合には ノイズスペクトル パルススペクトル パルススペクトル パルスを大きく ノイズを小さく 熱容量を小さく 転移温度を低く α を 大きく 改善の余地あり 周波数 [Hz]

17 ノイズ解析 Excess Noise 実測 20 eV Excess Noise 超伝導遷移時における ノイズの見積もりが不十分？
13 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 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 実測 20 eV ジョンソンノイズ Excess Noise 超伝導遷移時における ノイズの見積もりが不十分？ フォノンノイズ 周波数 [Hz]

18 SII #13 改善点 25 eV 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
14 改善点 吸収体を取り付けた 遷移温度が低い カウント数 25 eV 遷移温度 mK 温度計感度 エネルギー [keV] エネルギー分解能 eV ⇒ 25 eV ベースラインの揺らぎ eV ⇒ 13 eV 分解能向上！

19 Movie Producer K.Toshima
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 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 4 Special Thanks to Movie Producer K.Toshima

20 今後の予定 TES の膜質改善 より薄い TES の作製 ⇒ 高性能スパッタ装置の導入 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 ⇒ 高性能スパッタ装置の導入