View
83
Download
3
Category
Preview:
DESCRIPTION
目的. TES 型 X 線マイクロカロリメータの 応答特性の研究. 東京都立大学 理学研究科 修士 2 年. 森田うめ代. 次世代( 20 10年頃)X線天文衛星搭載撮像分光器にむけて 高エネルギー分解能の実現 ( 昨年度 46 eV) 応答特性の理解. 1. X線マイクロカロリメータ. X 線光子のエネルギーを素子の温度上昇として検出 エネルギー分解能は動作温度 T ~ 100 mK と温度計の感度 α で決まる. Δ E ∝ k B T 2 C / α. T s. 2. TES 型 X 線マイクロカロリメータ. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
2003-1-29 修士論文
東京都立大学 理学研究科 修士 2 年
TES 型 X 線マイクロカロリメータの 応答特性の研究
森田うめ代
次世代( 20 10年頃)X線天文衛星搭載撮像分光器にむけて- 高エネルギー分解能の実現 ( 昨年度 46 eV)- 応答特性の理解
目的
2003-1-29 修士論文
- X 線光子のエネルギーを素子の温度上昇として検出- エネルギー分解能は動作温度 T ~ 100 mK と温度計
の感度 α で決まるΔE ∝ kBT
2C /α
1. X線マイクロカロリメータ
T
s
2003-1-29 修士論文2. TES 型 X 線マイクロカロリメータ
大橋先生
超伝導転移端を温度計として利用
電熱フィードバック X 線入射 T↑ R↑ I↓ 発熱減少
TES 温度計 ( Transition Edge Sensor ) TES の利点 感度 α 大 時定数 τ 短縮
電流変化を検出 ( SQUID 利用 )
RT カーブ
温度計の感度 α = d log Rd log T
2003-1-29 修士論文3. SII-14 カロリメータ 宇宙科学研究所、 Seiko Instruments Inc. と共同開発
1.7 mm
0.7
mm 空洞
0.5 mm
TES
S i 基板
1.7 mm
1.7 mm
a
b
SiNSi
ba0.2 mmΦ サファイアコリメータ
TES Ti - Au の2層薄膜
0.5 mm × 0.5 mm厚さ : Au 110 nm, Ti 40 nm
Nb 配線
断面図Nb 配線
吸収体吸収体
X 線吸収体 Au
0.3 mm × 0.3 mm × 300 nm
2003-1-29 修士論文
4. 測定履歴
LLNL (Lawrence Livermore National Lab. )X 線発生装置を用いて Al 、 Cr 、 Fe の X 線照射可能読み出しノイズが都立大の ~ 1/3
2002/02 11.4 ± 0.7 eV @ 5.9 keV ( TMU)
2002/08 6.6 ± 0.4 eV @ 5.9 keV ( TMU)
測定系の改善超伝導 ( 鉛)磁気シールドバイアスラインにコンデンサ
2002/11
6.0 ± 0.3 eV @ 1.5 keV8.3 ± 0.8 eV @ 5.4 keV 8.8 ± 1.2 eV @ 6.4 keV
( 世界記録は ~ 4 eV @5.9 keV )
2003-1-29 修士論文5. 実験装置 @ TMU @ LLNL
冷凍機 : 希釈冷凍機 断熱消磁冷凍機X 線照射方法 : 55Fe 線源のみ X 線発生装置使用( Al 、 Cr 、Fe など)
55Fe 線源
55Fe 線源
~~ 1.6 K1.6 K
~ 60 m K
125 cm125 cm
400-series400-seriesSQUIDSQUIDarrayarray
TES chip
60 cm
100 mK100 mKXX 線線
2003-1-29 修士論文6. RT 特性
5.9 keV X 線が入射した際
ΔT ~ 0.5 m KΔR ~ 15 m ΩΔ I ~ 11 μA
転移温度 ~ 150 mK感度 α ~ 120
R∝T 120
TMU磁気シールドなし(2 月 , 10月)
LLNL ( 11 月)
TMU磁気シールドあり(8 月 ,7 月)
温度計の再現性 ~5 mK経年変化があるとしても数 m Kシールドなしの方が転移温度が低い傾向
80 mΩ
2003-1-29 修士論文
Mn-Kβ
Mn-Kα
カウ
ント
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Mn-KαMn-Kβ
エネルギーとパルスハイトの関係をPH = aE 2 + bE の2次関数で補正
( エネルギー分解能 ) 2ー ( ベースラインのゆらぎ ) 2
= 波形のばらつき
温度ゆらぎ ( ~ 30 μK) の影響は~ 1.4 eV
で無視できる
Kα1 lines ~ 5.899 keVKα2 lines
~ 5.888 keV
MnKα 6.6 ± 0.4 eV
ベースラインのゆらぎ6.3 ± 0.2 eV
7. MnKα エネルギースペクトル@ TMU
Energy (keV)
2003-1-29 修士論文
Al Kα
Cr K
α Fe K
αCr
Kβ
Al K
β Fe K
βEnergy (keV)
0 2 4 6 8 10
K Kα
温度ゆらぎ ( ~ 10 μ K)の影響 ~ 1.6 eV 、 5.8 eV 、 6.9 eV で説明可能
Al Kα
Cr KαFe K α
Cr K α 8.3 ± 0.8 eV Fe K α 8.8 ± 1.2 eVAl K α 6.0 ± 0.3 eV
ベースラインのゆらぎ6.3 ± 0.2 eV
8. エネルギースペクトル@ LLNL
2003-1-29 修士論文
動作パラメータ@ TMU
R = 42 mΩT =151 mKTs = 61 mK Rs = 3.1 mΩRp = 0 .0 mΩI = 31 μAC = 2.0 pJ/K
PH = 9 μA τ = 78 μ sα ~ 113
@ LLNL 44 mΩ151 mK100 mK4.3 mΩ5.0 mΩ25 μA2.0 pJ /K
7 μA118 μ s126
測定値
9. パルス波形の比較
LLNL
TMU
理論式で絶対値まで含め、ほぼ説明できた。
パルスハイト =EαCT
RR + (R s + R
p)I
時定数 τ =C /GL3 +1 L3
=
I 2
RαGT
R ー (R s + R p)R + (R s + R p)I ∝ 1 - ( )n,Ts
T
2003-1-29 修士論文
FeCr
Al
FeCr
Al
入射エネルギーが高いほど時定数が長くなる
パルスハイトで
ノーマライズ
PH ∝ ατ ∝ 1 /α
入射エネルギーに対応するΔR で 平均した α がエネルギーの高いところで小さくなるため
CrAlFe
動作点
10. パルスハイトの非線形性の原因
2003-1-29 修士論文
11. ノイズの比較
都立大のほうが見積もりからの超過が大きい(超過ノイズ ∝ 1/R )。
正確な原因は不明√バイアス電圧のゆらぎを 1.2 、 0.06 μV/ Hz とすると見積も
りと合う。
ジョンソンノイズ
@LLNL
見積もり
読み出しノイズフォノンノイズ
1/(2πτ )
見積もり
1/(2πτ )
フォノンノイズ
@TMU実測 実測
2003-1-29 修士論文
12. まとめ 分解能の向上
- 測定環境向上により都立大で 6.6 ± 0.4 eV @ 5.9 keV
達成
- LLNLで 6.0 ± 0.3 eV @ 1.5 keV 達成
- ベースラインとの二乗差は熱浴の温度ゆらぎで説明可能
パルス応答の理解
- パルス波形を定量的に説明
- パルス応答のエネルギー依存性を評価
ノイズ応答の解明
- ノイズはまだ完全には説明できない (超過ノイズ)
2003-1-29 修士論文
臨界電流
2003-1-29 修士論文
コンデンサ
2003-1-29 修士論文超伝導磁気シールド
シールドあり
シールドなし
25 cm
超伝導 Pb磁気シールド(Tc = 7.20 K)
2003-1-29 修士論文
感度 α
2003-1-29 修士論文
目的
次世代X線天文衛星搭載撮像分光器にむけて- Δ E~ 3 eV のエネルギー分解能の実現
- マルチピクセル化 ( 32×32 ピクセル)
衝突銀河団 A2256 の X 線輝度分布
宇宙の高エネルギー天体現象の解明
銀河団の進化銀河団の進化=小銀河団同士が高速で衝突・合体=小銀河団同士が高速で衝突・合体
XX 線輝線の線輝線のドップラー効果ドップラー効果(6.7 keV)(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
2003-1-29 修士論文
昨年の性能と問題点
エネルギー分解能ΔE = 12.6 eV @ 5.9 keV
ベースラインのゆらぎΔE = 11 eV
問題点- X 線パルスハイトが見積もりの約半分⇒ カロリメータ動作時の実効的な温度計の感度 α の抑制- 読み出し系ノイズが大きい- X 線照射は 55 Fe でのみ ⇒ エネルギーとパルスハイトの関係が不明確
2002.2 の時点での
Recommended