Development of precise gamma-ray spectrometer system based on transition edge sensor

基于过渡边缘传感器的精密伽马能谱仪系统研制

• 批准号: 16J10671
• 负责人: 入松川 知也
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J10671/
• 关键词: 超伝導転移端センサ; マイクロ波信号多重化; 信号多重化; マイクロ波読出; 超伝導共振器; γ線; エネルギー分解能

本研究では、高分光特性を有するγ線用超伝導転移端センサ(TES)の大規模アレイを実現するため、マイクロ波信号多重化法(Microwave SQUID Multiplexer;MW-MUX)によるTES 信号多重化回路の開発を行った。MW-MUXは、超伝導共振器を利用し、TESの電流変化を共振周波数の変化として読出す周波数多重化方式であり、従来型のTES信号多重化方式よりも10倍以上のTES素子を多重化可能という特徴をもつ。本年度主に得られた成果は以下の２点である。まず、MW-MUXにおいて読出回路の低雑音化には、共振器の無負荷Q値(Qi)が大きい必要がある。我々のMW-MUXチップでは、製作プロセスによってQi値が劣化することが問題であった。各プロセスを見直した結果、Pd抵抗層の有無によってQi値が一桁以上変化することが分かった。したがって、Pdの削残りが生じてQi値の劣化要因となっていることが判明した。さらに、Pdの削残りを回避するためカルデラ平坦化を用いた新プロセスを考案し、50,000以上の高Qi値を実現した。次に、上述のチップにTESを２素子接続し、MW-MUXによる信号多重化実証を行った。磁束雑音は、100mKにおいて1.2uΦ_0/√Hzであり、他の研究機関に遜色ない値を得た。また、エネルギー分解能としては、128 eV, 115 eV@184 keV(半値幅)という値が得られた。この分解能に対するMW-MUX回路の寄与は、67 eV、57 eVであり、回路雑音によるTESの分解能の増大は20 eV程度に抑えられている。読出系雑音の分解能寄与はSQUIDと入力コイル間の相互インダクタンス(M)に反比例するので、今後更に低減するにはMを増大する必要がある。現状の設計値M=60 pHを4倍にすることで、読出雑音寄与を15 eV程度まで低減することが可能となる。

In this study, the high-spectrometric characteristics of the gamma line were measured using the super-guided transfer terminal (TES) of large-scale immersion and microwave signal multiplexing method (Microwave SQUID). Multiplexer;MW-MUX)によるTES The signal multiplexing circuit is opened and operated. Utilization of MW-MUX, superconducting resonator, TES current change, resonance cycle number change, and cycle number multiplexing The method of multiplexing the TES signal and the derivation type TES signal multiplexing method allows the multiplexing of TES elements more than 10 times, which is possible. This year's main achievement is the following two points. Therefore, the MW-MUX's output circuit is low and the sound is low, and the resonator's unloaded Q value (Qi) is large and necessary. I'm a MW-MUX チップでは, production プロセスによってQi〤がdegradation することがquestion であった. Each プロセスを见直した result, the presence or absence of the Pd resistance layer, the によってQiが一桁上剉化することが分かった.したがって、Pdの燷りが生じてQi値のThe main cause of deterioration is となっていることがdetermined to be した.さらに、Pdの燷りをavoidanceするためカルデラflattening を用いた新プロセスをtest caseし、Over 50,000 の高Qi値を実现した. Next, the above-mentioned TESを2 element is connected, and the MW-MUX signal multiplexing is confirmed. Magnetic beam 雑音は, 100mK において1.2uΦ_0/√Hz であり, other research institutions に色 ない値を得た.また, エネルギーlysis energy としては, 128 eV, 115 eV@184 keV (half width) という値が得られた. The decomposition energy of the MW-MUX circuit is 67 eV, 57 eV, and the decomposition energy of the circuit TES is increased to 20 eV. The decomposition energy of the 檭出监音の发与はSQUIDと入力コイル间のmutual インダクタンス(M) is inversely proportional and will be reduced in the future, and M will be increased and increased as necessary. The current design value M=60 is a 4-fold pH solution, and the 15 eV level is reduced to 15 eV, which is possible.

项目成果

TESマイクロ波読出によるγ線分光測定の実証

使用 TES 微波读数演示伽马射线光谱测定

• 发表时间: 2017
• 作者: T. Irimatsugawa;F. Hirayama;H. Yamamori;S. Kohjiro;A. Sato;S. Nagasawa;D. Fukuda;M. Hidaka;Y. Sato;M. Ohno;H. Takahashi;入松川知也;入松川知也
• 通讯作者: 入松川知也

Study of Nb and NbN Resonators at 0.1 K for Low-Noise Microwave SQUID Multiplexers

用于低噪声微波 SQUID 多路复用器的 Nb 和 NbN 谐振器 0.1 K 的研究

• DOI: 10.1109/tasc.2016.2637865
• 发表时间: 2017
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: T. Irimatsugawa;F. Hirayama;H. Yamamori;S. Kohjiro;A. Sato;S. Nagasawa;D. Fukuda;M. Hidaka;Y. Sato;M. Ohno;H. Takahashi
• 通讯作者: H. Takahashi

Evaluation and Improvement of Nb and NbN Microwave SQUID multiplexers for a gamma-ray TES with a Sn Absorber linked by Au Post

Nb 和 NbN 微波 SQUID 多路复用器的评估和改进，用于带有金柱连接的 Sn 吸收器的伽马射线 TES

• 发表时间: 2017
• 作者: T. Irimatsugawa;F. Hirayama;H. Yamamori;S. Kohjiro;A. Sato;S. Nagasawa;D. Fukuda;M. Hidaka;Y. Sato;M. Ohno;H. Takahashi;入松川知也;入松川知也;Tomoya Irimatsugawa
• 通讯作者: Tomoya Irimatsugawa

TES マイクロ波読出によるγ線光子検出

使用微波读出的 TES γ 射线光子检测

• 发表时间: 2017
• 作者: T. Irimatsugawa;F. Hirayama;H. Yamamori;S. Kohjiro;A. Sato;S. Nagasawa;D. Fukuda;M. Hidaka;Y. Sato;M. Ohno;H. Takahashi;入松川知也
• 通讯作者: 入松川知也