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

基本信息

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

项目摘要

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。

在这项研究中，我们将在不降低其能带和光谱性能的情况下提高超导跃迁边缘X射线微量热计（TES量热计）的孔径比和有效面积，并利用TES-EDS来研究地外物质。来实现分析增加元件数量和增加X射线吸收器的尺寸对于增加孔径比和有效面积至关重要。为此，我们开发了TES量热仪，其阵列数量从64个元件扩展到224个元件，吸收体尺寸从120μm^2增加到240μm。传统的吸收体比TES温度计小，用于读取TES电阻的布线空间成为死区，导致检测效率（孔径比）低。因此，我们通过采用蘑菇形吸收器和突出的吸收器结构来覆盖死布线空间，从而实现了高孔径比。诸如蘑菇形吸收器之类的大型吸收器需要高导热性，因为 X 射线信号变得依赖于 X 射线入射位置。因此，我们使用了去年推出的可实现高导热性的电沉积环境。在这种环境下，我们进行了多次热导率测试，并将作为极低温下热导率指标的残余电阻率（RRR）提高至约20，是传统值的七倍以上。利用这些设计和环境，我们在日本首次成功开发了配备蘑菇型吸收器的 224 个元件（仅需要 64 个元件）的 TES 热量计。通过低温运行演示，实现了所需的约10 eV的能量分辨率，为实现地外物质分析迈出了重要一步。

项目成果

期刊论文数量（8）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tasuku Hayashi
通讯作者：
Tasuku Hayashi

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

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
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

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
林　佑
通讯作者：
林　佑

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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
林佑
通讯作者：
林佑

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：
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.