断熱消磁冷凍機を用いた TES型カロリメータのX線検出実験

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1 断熱消磁冷凍機を用いた TES型カロリメータのX線検出実験
宇宙物理実験研究室 松野剛久

2 目的 X線検出器 → TES型カロリメータ 冷凍機 → 断熱消磁冷凍機（ADR） X線源 → ５５Fe Mn Kα： 5.9keV
→実験室において、X線発生装置からのX線スペクトル取得 →まずはX線源でX線スペクトル取得試験 X線検出器 → TES型カロリメータ 冷凍機 → 断熱消磁冷凍機（ADR） X線源 → ５５Fe Mn Kα： 5.9keV Mn Kβ： 6.5keV ADRを横置きにして外部のX線発生装置と接続した状態でX線スペクトルを検出することを目指しました。 そこでまずは縦置きの状態で、ADR内部に固定された放射線源を使ってX線スペクトルを検出することを試みました。

3 TES型X線カロリメータ ΔE ∝ kBT 2C /α 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 と温度計感度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 検出できる！ 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。 Ｔｓ エネルギー分解能 ΔE ∝ 　kBT　2C /α 極低温で優れた分解能を発揮！ →極低温に冷す冷凍機が必要

4 断熱消磁冷凍機 特徴 ： 小型・可搬型 ・蒸気冷却 液体He保持時間：約42時間 最低到達温度： 63 ｍＫ
（ADR --- Adiabatic Demagnetization Refrigerator） カロリメータの性能を引き出すには、極低温で動作させる事が必須 →カロリメータを極低温に冷やせる冷凍機が必要 特徴 ： 小型・可搬型 ・蒸気冷却 熱スイッチ 液体He 注入口 液体He保持時間：約42時間 最低到達温度： 63 ｍＫ 温度制御： １０時間＠100 mK Heタンク カロリーメータの性能を引き出すには、極低温で動作させる事が必須であり、極低温まで冷やせる冷凍機が必要です。 ここでは私が実験で用いた断熱消磁冷凍機（ADR）について説明します。 ADRは大きく分けて３つのパーツからなり、 右図の青い部分がデュワーで、真空引きすることで赤枠より内部の構造を外部から断熱します。 デュワーの内側にあるピンクの部分がHeタンクで、液体ヘリウム注入口と繋がっており液体Heを入れます。 黄色の部分がソルトピルでカロリーメータと直接繋がっており、ソルトピルが冷やされることで カロリーメータも冷える仕組みになっています。 ５０ｃm 超伝導コイル 磁性塩 （鉄ミョウバ ン） X線検出器 TES型カロリメータ X線

5 写真２ 写真 1 ここにTES型カロリメータ を乗せる 写真３ 写真 ４ 金でできた X線吸収体 ５５Fe 0.3mm ＴＥＳ 0.5mm

6 X線検出実験 ●熱浴温度 ：９０ｍK ●カウント数：５０４ count / ２３５４秒 ●線源：５５Fe Mn Kα： 5.9keV
→5.9keVと6.5keVの所に2本の輝線が見えるはず もっともエネルギー分解能が出たときの結果について示します。 その時の測定条件はこの図の様になります。 右の図はカロリーメータに乗せる素子sii139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。 この素子を左図の写真の部分に乗せます。

7 測定結果

8 スペクトル baseline Mn-Kα Mn-Kβ カウント数 カウント数 Mn-Kα（5.9keV） FWHM ＝11.3 eV
左上のグラフがX線の全スペクトルを表しています。 Mn-Ka Mn-Kbを検出できていることが分かります。 下のグラフはMn-Ka Mn-Kbの輝線をそれぞれ拡大したものです。 右上のbaseline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。 カウント数 カウント数 FWHM ＝24 .2eV FWHM ＝26.6eV エネルギー（eV） エネルギー（eV）

9 考察 Ｘ線のスペクトルとbaselineのエネルギー分解能の差の見積もりを計算した。 より が生じる主な原因
●熱浴の温度的な揺らぎ → 磁性塩の温度の揺らぎ ●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

10 測定結果 今後の目標 ●ADRを用いて、ＴＥＳ型カロリメータでMn-Kα、Mn-Kβ共にX線スペクトルを検出することができた。
●ADRをX線発生装置と接続してX線スペクトルを取得 する。 ADRを縦置きにした常態でMn-Kα、 Mn-kβ共にX線のスペクトルを取得することができました。 次なるステップとしてADRを横置きにした状態でX線発生装置に接続してX線スペクトルの検出をしたいと思います。

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12 冷却の原理 A C B 磁性体の温度TとエントロピーSの関係 ここで、冷却の原理を説明します。
上の黄緑色の曲線が、磁場０の時、下のオレンジ色の曲線がある磁場H1がかかっているときのグラフです。 最初、温度がT0と高く、磁場がかかってない図のAの状態であるとします。この状態では、磁性体のスピンはバラバラの向きを向いています。 まずここから温度を一定に保ったまま磁場をかけます。この過程を等温磁化といいます。 この過程で、磁性体のスピンはバラバラの状態からそろい、エントロピーがS0からS1に下がります。つまり、磁性体は図の赤い線を辿り、図のBの状態に移行します。 この状態から、断熱状態で磁場を消していきます。この過程を断熱消磁といいます。すると、断熱されているため、エントロピー一定のまま磁場が０に下がるにつれ、温度もT1まで下がります。磁性体は図の青い線を辿り、図のCの状態へ移行します。 この２つの過程によって、冷却がなされます。 磁性体の温度TとエントロピーSの関係

13 ETFの原理 TES型カロリメータを定電圧で動作させる X線が入射した際に温度を下げようとする方向に フィードバックがかかる
電熱フィードバック　　X線入射　　　T↑　　　R↑　　　I↓　　　　発熱減少 T↓ 電流変化を検出 ( SQUID 利用)

14 ADRの縦置きと横置き X線の方向 横向きに倒す X線の方向 X線の方向 縦置きのADR 縦置きのADR 横置きのADR 横置きのADR
横置きにする時に予想される問題点 ●普段は縦置きの状態で実験。 ●横置きにするとX線発生装置からの 平行なX線を測定できる。 （ADRの外部からX線を入射できる！） ●実験中、ADRを横に倒すタイミング ●安定して横置きにできるか ●セットアップの変化によるノイズの増加