高分解能極低温X線検出器用強誘電体素子の開発

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100mK程度の極低温において、格子比熱が支配的である絶縁体の比熱は温度の3乗に比例して小さくなるので、低エネルギーの粒子線が入射した場合、エネルギー付与に応じた温度上昇の観測が可能になる。また、極低温においてある種類の強誘電体の誘電率は温度に対して強い依存性を示す。したがって、極低温に冷却された強誘電体にX線等の粒子線を入射した際に生じる誘電率変化を計測することにより、試料に付与されたエネルギーの大きさを評価することが可能であるので、適当な強誘電体試料を用いると、入射X線のエネルギーを高い分解能で検出することが期待できる。本研究では、まず、100mKまでの極低温において強誘電体の誘電率の温度依存性を測定するために、極低温における正確な温度計測システムの設計製作を行った。温度計として酸化ルテニウム抵抗温度計を使用したが、微小交流電流を通電した温度計の両端電圧を通電電流と同位相で読み取ることで、極微小発熱にもかかわらず、十分な信号対雑音比で温度が測定できるようになった。次に、希釈冷凍機の運転試験を行い、無負荷時に最低到達温度40mKおよび、100mKにおける冷凍能力が15μWであることを確認した。本研究で使用した希釈冷凍機は、冷凍機を昇温することなく試料の交換が可能なトップローダー方式の設計にあったが、トップローダーからの熱侵入が大きく、試料を取り付けた状態では定格の100mKまで冷却することができなかった。そこで、熱侵入量がさらに1/10となるようにトップローダーの構造及び材質を検討し製作した。また、強誘電体試料として、焼結過程が困難であったが0〜16%のSrTa_2O_6を含むSrTiO_3試料を作成した。