地球外物質の微小水和物探査を目指した超精密X線分光器TESカロリメータの開発

开发超精密X射线光谱仪TES量热仪用于探索地外物质中的微水合物

• 批准号: 20K14548
• 负责人: 林 佑
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: High Energy Accelerator Research Organization (2022)Japan Aerospace EXploration Agency (2020-2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K14548/
• 关键词: 超伝導検出器; 地球外物質分析; 走査透過型電子顕微鏡; X線分光分析; Ｘ線分光検出器; TESカロリメータ; 極低温X線検出器; STEM; TES; 地球外物質; 透過型電子顕微鏡; 極低温検出器; 超伝導遷移端型X線分光検出器; エネルギー分散分光(EDS)

本研究では、超伝導遷移端型X線マイクロカロリメータ(TESカロリメータ)のエネルギー帯域・分光性能を劣化させることなく、TESカロリメータの開口率・有効面積を改善し、TES-EDSを用 いて地球外物質の分析を実現することを目指している。開口率と有効面積の拡大には素子数の増大とX線の吸収体の大型化が必須である。そのために、64素子だったアレイ数を224素子へ拡張した設計に吸収体サイズを120μm^2から240μmへ大型化した吸収体を搭載したTESカロリメータの開発を行った。従来の吸収体は、TES温度計よりも小さく、TESの抵抗を読み出す配線スペースなどがデットスペースとなって検出効率(開口率)が低かった。そこで、デットスペースである配線スペースを覆うような迫り出した吸収体構造を持つマッシュルーム型吸収体を採用することで、高い開口率を実現した。マッシュルーム型吸収体のような大型吸収体では、X線の入射位置によるX線シグナルの位置依存が出てしまうため高い熱伝導性が要求される。そこで、昨年度までに導入してきた高い熱伝導性を達成できる電析環境を用いた。この環境で、いくつかの熱伝導性のテストを行い、極低温での熱伝導性の指標となる残留抵抗比(RRR)で20程度と従来の7倍以上の改善を可能とした。これらの設計と環境を用いて、日本では初めて実際にマッシュルーム型吸収体を搭載した224素子(配線は64素子分のみ)のTESカロリメータの開発に成功した。低温での動作実証の結果、エネルギー分解能は10 eV程度と要求されているエネルギー分解能も達成しており、地球外物質分析の実現に向けて大きく前進した。

This study で は, super 伝 guide migration end type X-ray マ イ ク ロ カ ロ リ メ ー タ (TES カ ロ リ メ ー タ) の エ ネ ル ギ ー 帯 domain, spectral performance degradation を さ せ る こ と な く, TES カ ロ リ メ ー タ の opening rate, improved working area を し, TES - EDS を with い て extraterrestrial material の analysis を be presently す る こ と を refers し て い る. The opening ratio と the effective area <e:1> 拡 is large に the number of <s:1> prime particles <e:1> increases と the size of the X-ray <s:1> aspirator <e:1> が must である. そ の た め に, 64 element だ っ た ア レ イ count を 224 element child へ company, zhang し た design に 収 absorbers サ イ ズ を 120 mu m ^ 2 か ら 240 microns へ large-scale し た 収 absorbers を carry し た TES カ ロ リ メ ー タ の open 発 を line っ た. 従 for の 収 は, absorption by TES thermometer よ り も small さ く, TES の resistance を 読 み out す wiring ス ペ ー ス な ど が デ ッ ト ス ペ ー ス と な っ て 検 out working rate (a) opening rate low が か っ た. そ こ で, デ ッ ト ス ペ ー ス で あ る wiring ス ペ ー ス を fu う よ う な forced り out し た 収 absorption structure を hold つ マ ッ シ ュ ル ー type ム 収 absorption body を made す る こ と で, high い を opening rate be presently し た. マ ッ シ ュ ル ー ム type 収 absorbers の よ う な large 収 absorbers で は, X-ray の incident position に よ る X-ray シ グ ナ ル の position dependent が out て し ま う た め thermal 伝 い high conductivity が requirements さ れ る. そ こ で, yesterday's annual ま で に import し て き た thermal 伝 い high conductivity を reached で き を る electrode environment with い た. こ の environment で, い く つ か の hot 伝 conductivity の テ ス ト を い, extremely low temperature で の hot 伝 conductivity の index と な る residual resistance ratio (RRR) で 20 degree と 従 to の more than 7 times the possibility of improving を の と し た. こ れ ら の environment design と を い て, Japan で は early め て be interstate に マ ッ シ ュ ル ー ム type 収 absorbers を carry し た 224 element child (wiring は 64 element child の み) の TES カ ロ リ メ ー タ の open 発 に successful し た. Low temperature で の action be の results, エ ネ ル ギ ー decomposition can と は 10 eV degree requirements さ れ て い る エ ネ ル ギ ー decomposition can reach し も て お り, extraterrestrial material analysis の be am に to け て big き く forward し た.

项目成果

Performance of TES X-Ray Microcalorimeters Designed for 14.4-keV Solar Axion Search

专为 14.4 keV 太阳轴子搜索而设计的 TES X 射线微热量计的性能

• DOI: 10.1007/s10909-023-02942-w
• 发表时间: 2023
• 期刊: Journal of Low Temperature Physics
• 影响因子: 2
• 作者: Yagi Y.;Konno R.;Hayashi T.;Tanaka K.;Yamasaki N. Y.;Mitsuda K.;Sato R.;Saito M.;Homma T.;Nishida Y.;Mori S.;Iyomoto N.;Hara T.
• 通讯作者: Hara T.

精密X線分光分析に向けた大規模なTES型X線マイクロカロリメータシステムの開発

用于精密X射线光谱的大型TES型X射线微量热仪系统的开发

• 发表时间: 2022
• 作者: Tochimoto Eigo;Niino Hiroshi;Toshiki Matsushima;林 佑
• 通讯作者: 林 佑

サブマイクロスケールでの地球外物質分析を目指した広帯域での検出効率向上を可能とするTES型X線マイクロカロリメータの開発

开发 TES 型 X 射线微热量计，可提高宽频带的检测效率，旨在分析亚微尺度的外星物质

• 发表时间: 2021
• 作者: 林 佑;八木 雄大;山崎 典子;満田 和久;前畑 京介;原 徹
• 通讯作者: 原 徹

地球外物質分析のためのTES型X線マイクロ カロリメータを用いた定量分析手法の開発

开发使用 TES 型 X 射线微量热计分析外星物质的定量分析方法

• 发表时间: 2021
• 作者: 林佑

A developments of 64-pixel TES on energy dispersive X-ray spectroscopy system for STEM

STEM能量色散X射线光谱系统64像素TES的研制

• 发表时间: 2020
• 作者: M. Fukizawa;T. Sakanoi;Y. Miyoshi;Y. Kazama;Y. Katoh;Y. Kasahara;S. Matsuda;A. Kumamoto;F. Tsuchiya;A. Matsuoka;S. Kurita;S. Nakamura;M. Shoji;M. Teramoto;S. Imajo;I. Shinohara;S.-Y. Wang;S. W.-Y. Tam;T.-F. Chang;B.-J. Wang;C.-W. Jun;泉拓磨;Tasuku Hayashi
• 通讯作者: Tasuku Hayashi