TES 型 X 線マイクロカロリメーターの　基礎特性の解析と分光性能

の評価

首都大学東京宇宙物理実験研究室

入江敏弘現在　東京大学大学院　齋藤研究室

イントロダクションX 線は 100 万～ 1 億 K の温度の気体から原子番号が 4 （ Be ）よりも大きい原子のイオンの電子が変換することにより発生する。例；超新星爆発の残骸、ダークマターの分　　布など

X 線を放出するプラズマ現象は輝線の放射吸収によりその密度と温度を求めることができて、この輝線のエネルギーによりイオンを区別することができる。

この X 線を観測する検出器として X 線マイクロカロリメーターが用いられる。

　ダークマター　　　　　　　銀河 (1万度 )

WHIM(10 万 ~1000 万度 ) 　銀河団 (1000 万度～ )

TES 型 X 線マイクロカロリメーターとは超伝導体でできているＴＥＳ（ Transition 　 Edge 　 Sensor （超伝導遷移端検出器）の略）を温度計として用いたＸ線マイクロカロリメーターである。

TES の遷移端の抵抗変化は超伝導体であることから鋭くなり温度感度は半導体温度計に比べて 1 桁以上向上している。

100mK 以下の温度状態で一定電圧で作動することにより従来のカロリメーターよりも高いエネルギー分解能を検出することができる。

ここ数年間で TES 型 X 線マイクロカロリメーターは次世代 X 線天文学に重要なものとして研究されている。

　次世代 X 線天文衛星 DIOS に搭載予定の X 線マイクロカロリメーターの製作及び分光性能の追及

これまで、グループ内で素子 TMU‐146 により 2.8 eV@ 5.9 keV の分光性能を達成

TMU‐146 の性能の再現性を確認かつ TMU‐146 の分光性能を超える素子の製作をするため TMU‐193 の製作

　　　目的； TMU‐193 の性能の評価及び　　　　　　　 TMU‐146 との比較から考察を行う

研究背景

TES 型 X 線マイクロカロリメーター • Ｘ線を吸収してそのエネルギーを素子の温度

上昇によって測定する検出器• TES とは超伝導と常伝導の 2 種類の金属膜か

ら構成していて、超伝導フィルムの抵抗変位で温度を測定する

TMU-193

メンブレン

m200

吸収体（ Au) の厚み

TES(Ti/Au) の厚み

転移温度

1.55 nm 30/40 nm 164 mK

　 TES 　　

　　アルミ配線金吸収体　　

m120

カロリメーターの分光性能• エネルギー分解能

　 α 大きいほど　　　　　　　　　　　　　　　 ΔE は良い値に

なる　　　　　　　 T が小さいほど• 分解能の内訳

素子の分解能パルスのばらつき

ベースライン分解能

22ベースラインパルスのばらつき EEE

CTkE B2 Td

Rd

log

log

転移温度

X 線源（ Fe ）

希釈冷凍機

• 最低温度　 60 mK

• 温度安定度　 10μK

SQUID array

55素子

SQUIDシャント抵抗

　　 X 線源； Fe

Mn-Kα 　 5.9keV

55

X 線照射実験 1 回目

シャント抵抗

• 改善ポイント　シャント抵抗を変更　　　 9.85mΩ 　　 3.08mΩ

SQUID

± 0.3 eV

TES

カウント数カウント数

エネルギー（ eV ）

5900エネルギー5900

X 線照射実験 2 回目　回路の最適化からフィードバッグが変化してパルスハイトが増加

　　　　　　　 ΔE=5.0±0.2 eV 達成

パルスハイト

Time (s)

5.0eV

5.9eV

エネルギー（ eV ）

カウント数

0 5900

ベースラインノイズについて• TMU-146 の値を用いて TMU‐193 のベースライン分解

能を求める　　　 CTkE aB

235.2 ベースライン

熱容量 C 転移温度T

ベースライン分解能（実測値）

TMU-146 0.23 pJ/K 105 mK 2.4 eV

TMU-193 0.33 pJ/K 164 mK 4.28±0.08 eV

TMU146 の実測ベースライン ΔE (2.4 eV)を代入すると、 ΔE193 = 4.46 eV となる予想値と実測値がほぼ一致転移温度が低い素子であれば、分光性能改善

C

表の値と α は等しいと仮定： ΔE193/ΔE146 1.89 ( ベースライン )

エネルギー（ eV)

カウント数

まとめ• TMU193 において E=5.0eV @ 5.9 keV 達成

• 今後は、詳しいノイズ測定をもとに、ノイズの内訳を詳しく調べる必要がある

• 転移温度を改善して、 TMU‐193 と同様の制作方法により、良いエネルギー分解能を得られると考えられる。

TMU146 とほぼ同程度の性質の素子製作に成功