Ti/Au Ti/Au 二層薄膜を用いた 二層薄膜を用いた TES-ETFTES-ETFXX 線マイクロカロリメータの研究開線マイクロカロリメータの研究開

発発東京都立大学 理学研究科 物理学専攻東京都立大学 理学研究科 物理学専攻宇宙物理実験研究室 修士２年宇宙物理実験研究室 修士２年

0083428 0083428 広池 哲平広池 哲平

1.1. TES-ETF XTES-ETF X 線マイクロカロリメータ線マイクロカロリメータ2.2. XX 線照射実験線照射実験3.3. エネルギー分解能エネルギー分解能4.4. まとめまとめ

修士論文発表内容修士論文発表内容

目的目的

ガスの運動ガスの運動

エネルギー分解能の向上エネルギー分解能の向上 が第一目標が第一目標

（昨年度 （昨年度 99 eV@5.89 ke99 eV@5.89 keVV ））

ｖ ｖ ～～ 500 500 ｋｍｋｍ // ｓｓ で高温ガスが運 で高温ガスが運動動

ΔE ΔE <10 eV<10 eV の分解能で分離の分解能で分離 ⇒ ⇒ TESTES 型カロリメータ型カロリメータでで

理論的には到達可能理論的には到達可能

高エネルギー天体現象の物理高エネルギー天体現象の物理

銀河団の進化銀河団の進化＝小銀河団同士が＝小銀河団同士が

高速で衝突・合体高速で衝突・合体

A2256A2256

500 500 万光年 万光年

X 線強度分布

11

××××

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)

カロリメータとは・・・カロリメータとは・・・入射入射 XX 線を素子の微小な線を素子の微小な 温度変化として検出温度変化として検出

エネルギー分解能エネルギー分解能 (FWHM)(FWHM)はは フォノン数の揺らぎで決フォノン数の揺らぎで決まるまる

極低温極低温（～（～ 100 mK100 mK ）で）で優れた分解能を発揮優れた分解能を発揮

CTk

TkTk

CTE

B

BB

235.2

35.2

C C ： 熱容量： 熱容量

αα ：温度計の感度：温度計の感度

: : 温度計や動作条件温度計や動作条件によるパラメータによるパラメータ

1

22

TES : TES : TTransition-ransition-EEdge dge SSensorensor超伝導超伝導 -- 常伝導遷移を常伝導遷移を

利用した利用した高感度温度計高感度温度計SiNxSiNx 膜膜（（ 1μm1μm 厚）厚）

上に上にTi 50 nmTi 50 nmAu 60 nmAu 60 nm二層薄膜

TESTES

2 mm2 mm

0.38 mm0.38 mm

0.5 mm0.5 mm

33

TES : TES : TTransition-ransition-EEdge dge SSensorensor超伝導超伝導 -- 常伝導遷移を常伝導遷移を

利用した利用した高感度温度計高感度温度計SiNxSiNx 膜膜（（ 1μm1μm 厚）厚）

上に上にTi 50 nmTi 50 nmAu 60 nmAu 60 nm二層薄膜

温度 温度 [mK][mK]

抵抗抵抗[mΩ][mΩ]

TTc c = 290 mK= 290 mK

TESTES

2 mm2 mm

0.38 mm0.38 mm

0.5 mm0.5 mmT

R

lnd

lnd

αα ～ ～ 2.5×102.5×1044

33

ETF : ETF : EElectro-lectro-TThermal hermal FFeedbackeedbackTESTES を定電圧で駆動を定電圧で駆動 → → 負のフィードバック負のフィードバック

⇒ ⇒ 超伝導遷移端に保つ超伝導遷移端に保つ

XX 線入射線入射↓↓

温度上昇温度上昇↓↓

抵抗上昇抵抗上昇↓↓

発熱量減少発熱量減少↓↓

元の状態元の状態（～（～ 1 1 ｍｍ

ｓ）ｓ）

電流変化電流変化を測定を測定 ⇒ ⇒ 入射エネルギー入射エネルギー

TT

RR

PJoule = V 0R

2

V 0

RTESTES

290 290 ｍｍ KK

熱接触熱接触

低温熱浴低温熱浴130 130 ｍｍ KK

ｔ ｔ

II

SQUIDSQUID読み出し系読み出し系

44

評価したカロリ評価したカロリメータメータ

44

素子名素子名 WSDWSD#4#488

WSDWSD#6#611

WSDWSD##6262 SIISII#6#6 SIISII#10#10

TES TES のの支持方法支持方法

遷移温度遷移温度 [mK][mK] 180180 243243 220220 119119 290290

感度 感度 αα 88 150150 150150 100100 2.5×102.5×10

ベースラインベースライン揺らぎ 揺らぎ [eV][eV]

7575 120120 130130 4444 2020

分解能 分解能 [eV][eV] 9999 120120 > 300> 300 220220 4646

吸収体吸収体 手作業手作業 手作業手作業 メッキメッキ 手作業手作業 無無

素子の素子の写真写真

SiNx SiNx 膜膜Si Si ビームビーム

宇宙科学研究所宇宙科学研究所早稲田大学（早稲田大学（ WSDWSD ））

セイコーインスツルメンツセイコーインスツルメンツ（（ SIISII ））

共同開発共同開発 55

2 mm2 mm

0.38 mm0.38 mm

0.5 mm0.5 mm

SII #10SII #10XX 線照射実験セットアップ線照射実験セットアップ

125 ｃｍ

～ 1.6 K

～ 20 ｍ K

SQUID

希釈冷凍機最低到達温度～ 20 ｍ K

Fe 線源55

TESTES

0.2 Φ サファイアコリメータ

66

動作パラメータ動作パラメータ

α ＝d ln Rd ln T

温度温度ln ln TT温度 温度 mKmK

抵抗抵抗mΩmΩ

TTc c = 290 mK= 290 mK

熱浴温度 熱浴温度 130 130 ｍｍ KKバイアス電圧 バイアス電圧 3.0 μV3.0 μVTES TES 抵抗値 抵抗値 48 48 ｍｍ ΩΩ

×

動作点動作点

77

Mn KMn Kαα （（ 5.89 keV5.89 keV ））を吸収した際を吸収した際

～～ 0.01 mK 0.01 mK の温度上昇の温度上昇ΔR ΔR ～ ～ 10 10 ｍｍ ΩΩ

ΔI ΔI ～ ～ 10 μA10 μA

ΔVΔV ～ ～ 500 mV500 mV

SQUID SQUID ゲイン ゲイン 5×10 V/A5×10 V/A44

XX 線検出線検出

時間 時間 [μs][μs]

出力 出力 [mV][mV]XX 線パルス線パルス

パルス面積パルス面積 ∝ ∝ エネルギーエネルギー

88

出力 出力 [mV][mV]

時間 時間 [μs][μs]

エネルギー エネルギー [keV][keV]

カウント数カウント数

KKββ

Mn KMn Kαα 5.89 keV 5.89 keVXX 線スペクトル線スペクトル

XX 線検出線検出 ピーク拡大図ピーク拡大図

64 eV64 eV

Mn KMn Kαα 5.89 keV 5.89 keV

XX 線スペクトル作成線スペクトル作成

XX 線パルス線パルス

エネルギー エネルギー [eV][eV]

カウント数カウント数ベースラインの揺らぎベースラインの揺らぎ

20 eV20 eV

88

パルス波形のばらつきパルス波形のばらつき

ττ1 1 : : 熱化時間熱化時間

出力 出力 [mV][mV]

時間 時間 [μs][μs]

ττ2 2 : : 冷却時間冷却時間 TES TES から熱浴へのから熱浴への熱伝導の時間熱伝導の時間

TES TES の熱化にの熱化に要する時間 要する時間

99

パルス波形のばらつきパルス波形のばらつき

出力 出力 [mV][mV]

時間 時間 [μs][μs]

ττ22

ττ11

熱化時間 熱化時間 ττ11 [μs][μs]

冷却時間冷却時間ττ2 2 [μs][μs]

ττ1 1 : : 熱化時間熱化時間ττ2 2 : : 冷却時間冷却時間

99

波形選択後の波形選択後の XX 線スペクトル線スペクトル

エネルギー エネルギー [keV][keV]

カウント数カウント数

ベースラインの揺らぎ（ベースラインの揺らぎ（ 20 eV20 eV ）） まで性能を引き出せていないまで性能を引き出せていない

エネルギー分解能エネルギー分解能46 eV 46 eV と改善と改善

分解能の改善には分解能の改善には２つの方法２つの方法でアプローチでアプローチ

パルス波形のばらつきをなくす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ベースライン揺らぎを小さくする

しかし・・・しかし・・・46 eV46 eV

1010

波形のばらつきを抑制するに波形のばらつきを抑制するにはは

改善可能なはず！改善可能なはず！

XX 線を吸収する場所によって線を吸収する場所によってTES TES の熱化の熱化 //冷却時間が異なる冷却時間が異なる

TES TES の膜質の改善の膜質の改善 吸収体 吸収体 の設置の設置（（ XX 線を線を TESTES以外で吸収させる）以外で吸収させる）

時間 時間 [μs][μs]

出力 出力 [mV][mV]

ττ116.7 μ6.7 μ ｓｓ

ττ2258 μ58 μ ｓｓ

ττ118.8 μ8.8 μ ｓｓ

ττ2262 μ62 μ ｓｓ SII#13SII#13

Ti 40 nm/Au 110 nmTi 40 nm/Au 110 nm

500×500 μ500×500 μ ｍｍTESTES

Au Au 吸収体吸収体300×300 μ300×300 μ ｍｍ

ττ1 1 : : 熱化時間、熱化時間、 ττ2 2 : : 冷却時間冷却時間

AuAu300 nm300 nm

Au 110 nmAu 110 nm Ti 40 nmTi 40 nm

吸収体吸収体

1111

ベースラインの揺らぎベースラインの揺らぎ

周波数 周波数 [Hz][Hz]

ノイズパワー ノイズパワー [μV/√Hz][μV/√Hz]ノイズスペクトルパルススペクト

ル

1212

理想的な場合には理想的な場合には

fd2

ノイズスペクトルパルススペクト

ル

①① パルスを大きくパルスを大きく

②② ノイズを小さくノイズを小さく

熱容量を小さく熱容量を小さく転移温度を低く転移温度を低く

α α を 大きくを 大きく改善の余地あり改善の余地あり

ノイズ解析ノイズ解析

実測 実測 20 eV20 eV

周波数 周波数 [Hz][Hz]

ノイズパワー ノイズパワー [μV/√Hz][μV/√Hz]

ジョンソンノイズフォノンノ

イズ

ノイズスペクトル

素子起因

読み出し

パルススペクトル

Excess Noise

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

Excess NoiseExcess Noise 超伝導遷移時における超伝導遷移時におけるノイズの見積もりが不十分？ノイズの見積もりが不十分？

1313

SII #13SII #13

エネルギー エネルギー [keV][keV]

カウント数カウント数

エネルギー分解能 エネルギー分解能 46 eV46 eV ⇒⇒ 25 eV25 eVベースラインの揺らぎ ベースラインの揺らぎ 20 eV20 eV ⇒⇒ 13 eV13 eV

改善点改善点吸収体を取り付けた吸収体を取り付けた遷移温度が低い遷移温度が低い

1414

分解能向分解能向上！上！

25 eV25 eV遷移温度 遷移温度 100 m100 mKK温度計感度 温度計感度 150150

まとめまとめ 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 SII#10 は は TES TES の超伝導遷移温度 の超伝導遷移温度 TT ｃ ｃ ＝ ＝ 290290 ｍｍ KK、、

温度計感度 温度計感度 αα ～ ～ 2.5×102.5×10 であったであった 5.9 keV 5.9 keV に対するエネルギー分解能は に対するエネルギー分解能は 46 eV46 eV であり、であり、

ベースラインの揺らぎは ベースラインの揺らぎは 20 eV20 eV であったであった 吸収体を設ける、 吸収体を設ける、 TT ｃ ｃ を低くすることでを低くすることでさらに改善することを示したさらに改善することを示した

1515

44

Special Thanks to Special Thanks to Movie Producer K.ToshimaMovie Producer K.Toshima

今後の予定今後の予定 TES TES の膜質改善の膜質改善 より薄い より薄い TES TES の作製の作製 吸収体の形状の最適化吸収体の形状の最適化 熱伝導度を小さくし、時定数を長く熱伝導度を小さくし、時定数を長く 測定系の最適化測定系の最適化

⇒ ⇒ SRON SRON 製の実績のある素子を組み込み、測定製の実績のある素子を組み込み、測定系系 の寄与を調べるの寄与を調べる

⇒ ⇒ 高性能スパッタ装置の導入高性能スパッタ装置の導入