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

1. Ti/Au 二層薄膜を用いた TES-ETFX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 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. 1 A2256 X線強度分布 × × 500 万光年 X線輝線のドップラー効果 (6.7 keV) エネルギー分解能の向上 が第一目標 （昨年度 99 eV@5.89 keV） 目的 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 ガスの運動 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

3. 2 C ： 熱容量 : 温度計や動作条件 によるパラメータ α：温度計の感度 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 極低温（～100 mK）で 優れた分解能を発揮

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

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

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

7. 共同開発 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 評価したカロリメータ Si ビーム SiNx 膜 4

8. 6 SII #10 2 mm TES 0.5 mm 0.38 mm 0.2 Φ サファイアコリメータ 55 Fe 線源 X線照射実験セットアップ ～1.6 K 125 ｃｍ SQUID 希釈冷凍機 最低到達温度 ～20 ｍK ～20 ｍK

9. 7 d ln R d ln T α＝ × 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 動作点 SQUID ゲイン 5×10 V/A 4 ΔV～ 500 mV 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 Tc = 290 mK 温度 ln T 温度 mK

10. 8 パルス面積 ∝ エネルギー X線検出 X線パルス 出力 [mV] 時間 [μs]

11. 8 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 X線スペクトル カウント数 Mn Kα 5.89 keV Mn Kα 5.89 keV カウント数 X線パルス 64 eV Kβ 20 eV エネルギー [eV] エネルギー [keV] X線検出 出力 [mV] 時間 [μs]

12. 9 パルス波形のばらつき 出力 [mV] τ1 : 熱化時間 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 時間 [μs]

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

14. 10 カウント数 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 エネルギー [keV] 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 波形選択後のX線スペクトル エネルギー分解能 46 eV と改善

15. 11 Ti 40 nm/Au 110 nm τ2 62 μｓ SII#13 500×500 μｍ TES τ1 8.8 μｓ Au 吸収体 300×300 μｍ 吸収体 Au 300 nm Au 110 nm Ti 40 nm 波形のばらつきを抑制するには 出力 [mV] τ2 58 μｓ τ1 6.7 μｓ 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 • 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. 12 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 ベースラインの揺らぎ ノイズパワー [μV/√Hz] ノイズスペクトル パルススペクトル 周波数 [Hz]

17. 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 素子起因 読み出し Excess Noise Excess Noise 超伝導遷移時における ノイズの見積もりが不十分？ ノイズ解析 ノイズパワー [μV/√Hz] ノイズスペクトル パルススペクトル 実測 20 eV ジョンソンノイズ フォノンノイズ 周波数 [Hz]

18. 14 25 eV SII #13 改善点 • 吸収体を取り付けた • 遷移温度が低い カウント数 遷移温度 100 mK 温度計感度 150 エネルギー [keV] エネルギー分解能 46 eV⇒25 eV ベースラインの揺らぎ 20 eV⇒13 eV 分解能向上！

19. 15 まとめ • 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 ＝ 290ｍK、 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 • 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