Transcript PowerPoint プレゼンテーション - Magnetic Calorimeterの原理と現状

Magnetic Calorimeterの
原理と現状
宇宙科学研究所
山崎典子
Magnetic Calorimeterの原理
常磁性体に磁場をかけ、スピンを
そろえる。(Zeeman effect)
ε=gμBJZH〜1μeV(H/10mT)
エネルギー入射があるとスピンが
反転し、磁化が変化する。
ΔN=E(Cspin/Ctotal)/ε
出力はΔm=ΔN x μB∝E/H
磁化の変化をSQUIDで読み出す。
超低温超伝導素子の次世代応用
N.Y.Yamasaki 2003/02/07
MCの原理 (II)
Spin 1個あたりのエネルギーをE=-gμBJZHとして
分配関数Zは
Z＝sinh((J+1/2)γβH)/sinh((1/2)γβH)
β=1/kBT, γ=gμB,
磁化Mは M=gμBJBJ(γβJH)
(BJ:Brilloin function, J=1/2のときB1/2(x)=tanh(x))
比熱Csは CS=kBX2(d/dX BJ(X))=H2χ/T ;X=γβJH
磁化の温度変化dM/dT = -C/H
Δm=(dM/dT)x(E/Ctot)
磁気比熱(CS)と格子比熱(Cl)
CS∝T-2H2,Cl∝T3よりΔmを最大にするのはCS=Clのとき
超低温超伝導素子の次世代応用
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MCの動作条件
どのような温度、磁場が必要か
γβJH〜1で飽和
→μBH/kBT=0.67(H/10mT)(T/10mK)-1
どのような物質が望ましいか。
何かに常磁性体イオンを希釈したような系を考える
1. ホストの条件：信号の立ち上がりは物質内の熱伝導
に依存するので金属あるいは準金属
2. イオンの条件：RKKY相互作用（常磁性体イオンと伝
導電子間に働く）がイオン同士をカップルさせる
3d/4d より４f seriesのほうが相互作用小さい
互いの距離によるので濃度のコントロールは必要
(500ppmで出力を27%下げる、との計算例あり）
最近ではAuにEr3+を希釈したものが用いられている
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MCによる放射線計測
Buhler & Umlauf 1988,Europhys. Lett. 5,p.297
150mg YAG crystal doped with 0.5% Er
Absorberは7.5g の サファイア
0.35K (3He cryostat) and 30mT, DC SQUID readout
→65keV (FWHM) for 5.5MeV α particle
Rise time 〜100msec
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MCの開発の現状
Heiderberg大学(独),Brown大学(米)のEnss,
FleischmanらによってAu:Er系での開発がすす
められている
当初はセンサーから
SQUIDまで48cm、磁化
の検出効率は約30%
検出効率をあげるため、
基板上に配置するように
した。
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MC のセットアップ例
センサーは直径50μm,厚み25μm,
Absorber をつける（８μmの金箔）こともある。
磁場はNb cylinderにトラップさせてかけることもある。
Au:Erを磁気温度計として用いることで1μK/hourの温度制御
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Au:Er MCの動作条件
Enss et al. 2000による最適化条件
Au;Er (g=6.8, α=5) Cabsorber=10-12 J/K T=50mK,
B = 1.5 T/g (T)
→10.9 mT
X = 4.2 T/g2/α
→900 ppm
R = 1.5 (Cg2α/T)1/3 (cm)→17um
Z = 0.4R
→7um
Smax = 1.7x10-9(CαT2/g)-1/3 Φ0/eV →1.4x10-4 Φ0/eV
SQUID noiseを３μΦ0/√Hzとすると1eVの分解能
Enss et al., 2000, Journal of Low Temperature
Physics, vol. 121, p. 137
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X 線の検出例
9eV(FWHM) at 5.9 keV
（Fleischmann, et al.
LTD23)
分解能はSQUID noise
〜7uΦ0/√Hzによって
制限されている。
33mK. 3mT,
50μmΦx25μm のセンサーに
100μm角、8μmのabsorber
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γ線の検出例
T=25mK, B=4.7mT , 480ppm Er doped Au (0.36mmφx 0.5mm)
Resolution 340eV at 122keV (FWHM)
Good linearity !
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信号の温度／磁場依存性
RKKY相互作用をparametarizeしたもので理解できる。
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ノイズ
ノイズ源としては
SQUID Noise〜uΦ0/√Hz
Magnetic Johnson Noise
〜T1/2
Thermal Fluctuation Noise
ΔErms〜√kBT2C
現状ではmagnetic Johnson
noiseで解釈可能
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信号の早さ
信号の立ち上がり：
Au 1mmであれば0.1μsで熱
化可能
スピンと伝導電子の
relaxationは1μs程度
（Korringa則τ=7ns/T(k))
信号の立ち下がり：double
exponential
周りとの熱浴によるものが
支配的
理由がわからないが磁場に
依存するdecay あり
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宇宙研/都立大での実験
Au:Er系の試料を赤外線真空加熱炉を用いて製作
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宇宙研/都立大の実験(II)
製作した試料を分けて、RF-SQUID で4.2Kでの磁化を測定
Tanh(gμBH/kBT)でフィットしてEr濃度、g(6〜7)などを得る
磁
化
(emu)
金だけだと、反磁性
(文献値とほぼ一致)
磁場(x500Gauss)
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宇宙研/都立大の実験(III)
3He Cryostat を用いる。
SQUIDも0.3K stageに設置する。
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宇宙研/都立大の実験(IV)
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宇宙研/都立大の実験(V)
この1,2ヶ月で0.35Kでの冷却実験を続けている。
使用している試料は約1mmx1mm 厚さ170um,重量3mg,Er80ppm
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宇宙研/都立大の実験(VI)
今のところ、パルスの検出に至らず。
0.35K, 100Gaussで5.5MeVα線が入射
C=4.3x10-9J/K(ほとんどが金）より
ΔT=0.2mK変化し、Δφ〜0.27Φ0
現状では、磁場をかけるコイルがクエン
チし、50Gauss以上かけられていない
とか素子を落とすとか、いろいろ、
SQUIDのφ-V curveの振幅はかわらず、
動作することを確認
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まとめ：MCのメリット
物性的には単純な系であり、よく理解されている
製作が比較的容易であり（素子と直接配線をしなくてよい）
SQUIDと一体化して基板上に多数作り込むことも難しく
はないと考えられる。
使用できるエネルギー範囲が広く、線形性もよい。
（分解能 S∝C-1/3 ）
超低温超伝導素子の次世代応用
N.Y.Yamasaki 2003/02/07