型X線性能向上目指性能評価课件.ppt

1、TES型X線 性能向上目指性能評価 抑制研究,宇宙物理実験研究室 赤松 弘規,2009/1/22,1,2008年度修士論文発表会,修士論文内容性能良素子特性評価 線特性評価 抑制目指素子特性評価,目次,研究背景 TES動作原理 実験装置測定方法 複素 評価結果 今後課題,2009/1/22,2,2008年度修士論文発表会,1.研究背景,0.110 keVX線領域 : 様元素輝線存在,X線有力候補,次世代X線天文衛星 (DIOS : Diffuse Intergalactic Oxygen Surveyor)中高温銀河間物質（Missing baryon）大規模構造探搭載X線分光装置要求 (Ta

2、wara+,SPIE,2008)分解能 2 eV広視野撮像能力 256素子化,TES型X線,DIOS衛星 (PI：大橋) 2015年打上提案中,2009/1/22,3,2008年度修士論文発表会,微細構造線分離 数 eV分解能 広天体観測 広視野撮像能力,将来X線分光装置要求,2.TES動作原理,X線X線光子素子温度上昇感知,Ts,TES（Transition Edge Sensor）超伝導遷移端急激抵抗変化利用温度計,TES感度表,理論的分解能知上必須、 X線 、C 分離困難,2009/1/22,4,2008年度修士論文発表会,TMU146-4d分解能内訳,結果Ti/Au TESIn-hou

3、se 製作（首都大宇宙研）分解能 4.8 eV 5.9 keV (Yoshino+,JLTP, 2008)分解能制限原因？従来理論説明超過存在,観測,Johnson noise,Phonon noise,読出,2009/1/22,5,2008年度修士論文発表会,本研究目的,TES特性評価方法確立 性能制限原因追及 超過振舞評価,2009/1/22,6,2008年度修士論文発表会,我素子同様性質超過存在検証,124 cm,希釈冷凍機 （OXFORD社製）,3.実験装置測定方法,2009/1/22,7,2008年度修士論文発表会,Tc=102 mK 二段転移気味,抵抗値 m ,熱浴温度 m K,虚

4、部,実部,虚部,周波数 (Hz),周波数 (Hz),素子熱的応答分 遅,、 負抵抗見,追付 抵抗見,4.TES複素,Lindeman + 2004,周波数0 ,周波数 ,実効的 時定数, ,2009/1/22,8,2008年度修士論文発表会,決定可能,実部,（）（）/ （）, BOX,TES, 発生器,SQUID,入力 (t),BOX,発生器,希釈冷凍機,出力 (t), ,Rb=15 k,R,TES,SQUID,Rs=4.4m,Cb=2400 pF,Ls,Vb,希釈冷凍機, BOX, (t), (t)：実数 変換後 (f), (f) 複素数, 発生器,2009/1/22,9,2008年度修士論

5、文発表会,測定回路,( 34 kHz),入力 (t),時系列取得方法,入力,SQUID出力 （=50k V/ATES電流）, BOX（34 kHz）,入力 Rs/Ls = 5.7 kHz,TES超伝導 入力/出力,周波数 （Hz）,Band Width,効果補正、 TES 計算。,Sample Rate 高周波数成分十分落,ADC時空間取得変換評価,2009/1/22,10,2008年度修士論文発表会,5評価結果 複素,R 小 （超伝導）,低周波側 20 Hz,実部,虚部,R 大,高周波側 40 kHz,25箇所異抵抗値測定R = 8120 m,測定 ZTES （複素平面上）, 、C得,200

6、9/1/22,11,2008年度修士論文発表会,5評価結果 複素,R 小 （超伝導）,低周波側 20 Hz,R 大,高周波側 40 kHz,測定 ZTES （複素平面上）,2009/1/22,12,2008年度修士論文発表会, 、C得,25箇所異抵抗値測定R = 8120 m,実部,虚部,抵抗値依存性,温度感度,電流感度,TES超伝導仮定,TES常伝導仮定,熱容量C遷移中 常伝導状態近値,R/Rn,C pJ/K,動作点用解析,常伝導状態抵抗値規格化,2009/1/22,13,2008年度修士論文発表会,120,100,80,60,40,20,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.

7、4,0.3,0.2,0.1,0.0,0.0,0.5,1.0,2008年度修士論文発表会,X線照射時動作点解析,得(、C)用理論式評価,理論読出 観測説明,Johnson Noise TES抵抗熱雑音,総和,Phonon Noise TES熱浴間熱的,再現,超過 Johnson Noise 同周波数依存性,Johnson Noise TES抵抗熱雑音,超過 Phonon Noise 同周波数依存性,超過 Johnson Noise 同周波数依存性,Phonon Noise TES熱浴間熱的,2009/1/22,14,TMU146-4d分解能内訳,Excess Johnson1.44 eV Exc

8、ess Phonon2.77 eV,二種類超過成分存在確認,Conventional noise 1.61 eV,2009/1/22,15,2008年度修士論文発表会,Phonon noise 的超過,分解能最大寄与(2.77 eV)原因 素子温度揺,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,16,用TESX線照射 冷凍機温度安定度改善,X線外部輻射TES以外部分照射or 熱浴温度揺,実験対応可能,Johnson noise 的超過,超過 A/Hz = M Johnson Noise A/Hz,M,( Ullom + APL 2004 ),温度感度 ,2009/1/22,17,2008年

9、度修士論文発表会,他機関観測大寄与原因未解明振舞理解重要,程度誤差存在,NIST（）素子M因子振舞似傾向,6.測定結果,用TES評価 方法確立 TMU146-4d、C評価 Phonon 的Johnson 的二種類超過明 Johnson noise 的超過振舞評価（M 0.2 0.5）,2009/1/22,18,2008年度修士論文発表会,6.今後課題,TMU146-4d、conventional noise寄与 1.61 eV 超過抑制,Phonon noise 的超過成分熱的揺原因用TESX線照射（2月上旬予定）冷凍機温度安定度改善Johnson noise 的超過成分温度感度相関（ ）超伝

10、導遷移急進、TES内遷移非一様性大、源示唆電流流経路制限非一様性抑制読出（2.1 eV 相当）改善,2009/1/22,19,2008年度修士論文発表会,熱揺対策行TMU146-4d再評価,熱揺対策（TMU168用流用。TES対60%穴）輻射対策他温度領域見,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,20,抑制目指素子開発,電流流経路制限、超伝導遷移非一様性解消,常伝導金属,電流 流方向,TMU169-10,TMU169-11,TMU169-01,2009/1/22,21,2008年度修士論文発表会,測定 TES型線,630 m,670 m, （ Z= 50 ） 吸収体貼付 Stycas

11、t2850,SII155+Sn,Am,Np-L,Am,Sn escape,t0.3 mm,世界最高分解能 (世界記録 24 eV NIST),Energy ( keV ),EFWHM=38.40.9 eV 59 keV （首都大 山川修論 2006、Oshima et al 2008 ）,0 10 20 30 40 50 60,2009/1/22,22,2008年度修士論文発表会,虚部 m ,実部 m ,SII155+Sn測定結果,温度計 T 、熱容量C,吸収体 Ca,低温熱浴 Ts,熱伝導度 G,熱伝導度 Ga,測定 ZTES （複素平面上）,吸収体 TES間熱伝導度考慮熱,虚部,実部,黒:

12、熱伝導度良場合 赤:熱伝導度悪場合,C,Ga,Ca,2009/1/22,23,2008年度修士論文発表会,SII155+Sn測定結果,R/Rn,TES熱容量 C,吸収体TES 間熱伝導度 Ga,fit,吸収体熱容量一定 物性値固定,動作点 ( R / Rn = 0.33 )用 解析,吸収体熱容量 Ca,電流感度,温度感度,C、Ca pJ/K,Ga W/K,2009/1/22,24,2008年度修士論文発表会,R5%場合,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,25,温度感度,電流感度,G5%場合,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,26,I5%場合,2009/1/22,20

13、08年度修士論文発表会,27,分解能寄与,分解能（Moseley et al., 1984）,f 分解能寄与 周波数関数表,f,1 kHz以下周波数分解能大寄与,2009/1/22,28,2008年度修士論文発表会,超伝導遷移関仮定,超伝導状態 with phase slips,常伝導状態,滑遷移進行,超伝導状態塊,C,BCS,Normal,R,遷移進方,抵抗小,抵抗大,熱容量振舞,2009/1/22,29,2008年度修士論文発表会,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,30,EFWHM4.8 eV,E 2.5 eV,E 4.1 eV,ETES 3.5 eV,Ereadout 2.

14、1 eV,熱浴温度揺 E,Unknown noise Johnson noise Phonon noiseTES - 熱浴間,SQUID noise 外乱 noise,波高値X線入射位置依存性,分解能 (TMU-146) 内訳,質問,2eV必要（住吉先生）酸素基線観測、銀河酸素分離行 読出2eV存在（住吉先生）SQUID変可能？ 二段転移（佐藤先生）薄膜用、難 Phonon何、周波数依存性？（青木先生）答。今後報告行 Phonon物性別意味示（佐藤先生） 前半後半話分（宮原先生）特性評価必要 、変動作点評価？（佐藤先生）X線照射、動作点（本当言方良）,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,31,林質問,打上影響？良影響効？（宮原先生） 精度十分？ 去年比位置決誤差増（先生） 入（住吉先生） 内外傾向？（住吉先生） CCD見時形状（青木先生） 他望遠鏡？（住吉先生）,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,32,白田質問,凹面鏡？（宮原先生） 端、？（宮原先生） 意味不明（佐藤先生） 弱点？（東先生）,2009/1/22,2008年度修士論文発表会,33,