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TES型X線マイクロカロリメーターの
基礎特性の解析と分光性能の評価
首都大学東京
宇宙物理実験研究室
入江敏弘
現在 東京大学大学院 齋藤研究室
イントロダクション
X線は100万～1億Kの温度の気体から原 ダークマター
子番号が4（Be）よりも大きい原子のイオン
の電子が変換することにより発生する。
例；超新星爆発の残骸、ダークマターの分
銀河(1万度)
布など
WHIM(10万~1000万度) 銀河団(1000万度～)
X線を放出するプラズマ現象は輝線の放射吸収によりその
密度と温度を求めることができて、この輝線のエネルギー
によりイオンを区別することができる。
このX線を観測する検出器としてX線マイクロカロリメーター
が用いられる。
TES型X線マイクロカロリメーターとは超伝導体でできている
ＴＥＳ（Transition Edge Sensor（超伝導遷移端検出器）
の略）を温度計として用いたＸ線マイクロカロリメーターで
ある。
TESの遷移端の抵抗変化は超伝導体であることから鋭くな
り温度感度は半導体温度計に比べて1桁以上向上してい
る。
100mK以下の温度状態で一定電圧で作動することにより従
来のカロリメーターよりも高いエネルギー分解能を検出す
ることができる。
ここ数年間でTES型X線マイクロカロリメーターは次世代X線
天文学に重要なものとして研究されている。
研究背景
次世代X線天文衛星DIOSに搭載予定のX線マイクロカロ
リメーターの製作及び分光性能の追及
これまで、グループ内で素子TMU‐146により2.8 eV@ 5.9
keVの分光性能を達成
TMU‐146の性能の再現性を確認かつTMU‐146の分光性能
を超える素子の製作をするためTMU‐193の製作
目的；TMU‐193の性能の評価及び
TMU‐146との比較から考察を行う
TES型X線マイクロカロリメーター
• Ｘ線を吸収してそのエネルギーを素子の温度上昇
によって測定する検出器
• TESとは超伝導と常伝導の2種類の金属膜から
構成していて、超伝導フィルムの抵抗変位で温度
を測定する
TMU-193
吸収体（Au)の厚み TES(Ti/Au)の厚み 転移温度
1.55 nm
30/40 nm
164 mK
アルミ配線
金吸収体
200  m
TES
メンブレン
120  m
カロリメーターの分光性能
• エネルギー分解能
E 
2
k BT C

 
d log R
d log T
α大きいほど
ΔE は良い値になる
T が小さいほど
• 分解能の内訳
ベースライン分解能
転移温度
素子の分解能
パルスのばらつき
E 
 E パルスのばらつき
2
  E ベースライン
2
希釈冷凍機
シャント抵抗
SQUID
SQUID
array
素子
X線源（55Fe）
• 最低温度 60 mK
• 温度安定度 10μK
X線源； 55Fe
Mn-Kα 5.9keV
X線照射実験1回目
カウント数
カウント数
 E  5.9 ± 0.3 eV
エネルギー（eV）
5900
シャント抵抗
TES
SQUID
• 改善ポイント シャント抵抗を変更
9.85mΩ
3.08mΩ
5900
エネルギー
X線照射実験2回目
回路の最適化からフィードバッグが変化してパルスハイトが増加
ΔE=5.0±0.2 eV達成
カウント数
パルスハイト
5.0eV
5.9eV
0
Time (s)
5900
エネルギー（eV）
ベースラインノイズについて
• TMU-146の値を用いてTMU‐193のベースライン分解能を
求める
 E ベースライン
熱容量C
2
 2 . 35 k B T a C

転移温度T ベースライン分解能（実測値）
C
TMU-146 0.23 pJ/K
TMU-193 0.33 pJ/K
105 mK
164 mK
2.4 eV
4.28±0.08 eV
表の値とαは等しいと仮定：ΔE193/ΔE146  1.89 (ベースライン)
カウント数
TMU146の実測ベースラインΔE (2.4 eV)を
代入すると、ΔE193 = 4.46 eVとなる
予想値と実測値がほぼ一致
転移温度が低い素子であれば、分光
性能改善
エネルギー（eV)
まとめ
• TMU193において  E=5.0eV @ 5.9 keV 達成
• 今後は、詳しいノイズ測定をもとに、ノイズの内訳
を詳しく調べる必要がある
• 転移温度を改善して、TMU‐193と同様の制作方法
により、良いエネルギー分解能を得られると考えら
れる。
TMU146 とほぼ同程度の性質の素子製作に成功