Development of Large X-ray microcalorimeter array to study concentration and circulation of intergalactic medium

• Project/Area Number: 18H01260
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: Yamasaki Noriko 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (20254146)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平山 文紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10357866) ; 山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073) ; 大橋 隆哉 東京都立大学, 理学研究科, 客員教授 (70183027)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2018: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: 銀河間物質 / X線天文学 / 極低温検出器 / 超伝導遷移端検出器 / 超伝導回路 / 超伝導検出器

Outline of Final Research Achievements

We have developed a signal multiplexing readout technique using GHz band for a superconducting transition edge (TES) microcalorimeter array, which is expected to play an important role in the future X-ray observation as an imaging spectrometer to measure the X-ray energy precisely and to detect the position at the same time. We performed a combined test of this multiplexer and a TES array under cryostat environment, and obtained simultaneous readout of 38 pixels with the energy resolution better than 3 eV. This is the highest level result in the world. We have shown that this method can be expanded to multiplex 250 pixels in combination with existing microwave amplifiers.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

銀河，銀河間での希薄な高温プラズマの直接観測を行なうことは，宇宙の化学的，力学的な進化を探る上では非常に重要な手法と考えられる。本研究による開発は，そのためのキー技術であるマイクロカロリメータの信号多重化の実現可能性を世界に先駆けて十分に示した。これにより，大視野高エネルギー分解能でのX線サーベイ観測の可能性が示された。またこのような技術は，天文学のみならず，蛍光X線を用いた物質の微量分析などへの応用も期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] SRON(オランダ)
• [Journal Article] Low-noise microwave SQUID multiplexed readout of 38 x-ray transition-edge sensor microcalorimeters (2020)
  • Author(s): Nakashima Y.、Hirayama F.、Kohjiro S.、Yamamori H.、Nagasawa S.、Sato A.、Yamada S.、Hayakawa R.、Yamasaki N. Y.、Mitsuda K.、Nagayoshi K.、Akamatsu H.、Gottardi L.、Taralli E.、Bruijn M. P.、Ridder M. L.、Gao J. R.、den Herder J. W. A.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 117 Issue: 12 Pages: 122601-122601
  • DOI: 10.1063/5.0016333
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of Large Coupling Between TES X-Ray Microcalorimeter and Microwave Multiplexer Based on Microstrip SQUID (2019)
  • Author(s): Nakashima Yuki、Hirayama Fuminori、Kohjiro Satoshi、Yamamori Hirotake、Nagasawa Shuichi、Sato Akira、Yamasaki Noriko Y.、Mitsuda Kazuhisa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 29 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2019.2905688
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of Large Coupling between TES X-Ray Microcalorimeter and Microwave Multiplexer Based on Microstrip SQUID (2019)
  • Author(s): Y. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nakasawa, A. Sato, N. Y. Yamasaki, and K. Mitsuda
  • Journal Title: IEEE Transaction on Applied Superconductivity Volume: 29
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Readout of X-ray Pulses from a Single-pixel TES Microcalorimeter with Microwave Multiplexer Based on SQUIDs Directly Coupled to Resonators (2018)
  • Author(s): Nakashima Y.、Hirayama F.、Kohjiro S.、Yamamori H.、Nagasawa S.、Sato A.、Irimatsugawa T.、Muramatsu H.、Hayashi T.、Yamasaki N. Y.、Mitsuda K.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 193 Issue: 3-4 Pages: 618-625
  • DOI: 10.1007/s10909-018-2030-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ダークバリオン探査ミッション Super DIOS の開発へ向けた検討 VII (2021)
  • Author(s): 佐藤浩介 、大橋隆哉、石崎欣尚、江副祐一郎、藤田裕 、山崎典子、石田学、前田良知、満田和久、中島裕貴 、三石郁之、田原譲、藤本龍一 、鶴剛 、太田直美 、大里健 、永井大輔 、吉川耕司、河合誠之、松下恭子、山田真也、一戸悠人、内田悠介
  • Organizer: 日本天文学会 2021年度春季年会
• [Presentation] Development of microwave multiplexer for the Super DIOS mission: 38 transition-edge sensor x-ray microcalorimeter readout with microwave multiplexing (2020)
  • Author(s): Yuki Nakashima, Fuminori Hirayama, Satoshi Kohjiro, Hirotake Yamamori, Shuichi Nagasawa, Akira Sato, Shinya Yamada, Ryota Hayakawa, Noriko N. Yamasaki, Kazuhisa Mitsuda, Kenichiro Nagayoshi, Hiroki Akamatsu, Luciano Gottardi, Emanuele Taralli, Marcel P. Bruijn, Marcel L. Ridder, Jian-Rong Gao, and Jan Willem den Herder
  • Organizer: SPIE Space Telescopes and Instrumentation 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Super DIOS mission for exploring "dark baryon" (2020)
  • Author(s): K. Sato, T. Ohashi, Y. Ishisaki, Y. Ezoe, S. Yamada, N. Yamasaki, K. Mitsuda, M. Ishida, Y, Maeda, Y. Nakashima, I. Mitsuishi, Y. Tawara, R. Fujimoto, T. Tsuru, N. Ota, K. Osato, S. Nakashima, Y. Fujita, D. Nagai, K. Yoshikawa, N. Kawai, K. Matsushita, Y. Ichinohe, Y. Uchida
  • Organizer: SPIE Space Telescopes and Instrumentation 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ波多重回路による38画素超伝導転移端検出器の低雑音読出 (2020)
  • Author(s): 中島 裕貴,平山 文紀,神代 暁,山森 弘毅,永沢 秀一,佐藤 昭,山田 真也,早川 亮大,山崎 典子,満田 和久,永吉 賢一郎,赤松 弘規
  • Organizer: 日本応用物理学会
• [Presentation] ダークバリオン探査ミッションSuper DIOSの開発へ向けた検討IV (2019)
  • Author(s): 佐藤浩介,大橋隆哉,石崎欣尚,江副祐一郎,山田真也,山崎典子,中島裕貴,満田和久,石田学,前田良知, 三石郁之,田原譲, 藤本龍一,鶴剛,太田直美,大里健,中島真也,藤田裕,永井大輔,吉川耕司,河合誠之
  • Organizer: 日本天文学会2019年秋季年会
• [Presentation] 検出器との結合強化によるマイクロ波多重読出回路の低雑音化 中島 裕貴, 神代 暁, 平山 文紀, 山森 弘毅, 永沢 秀一, 山崎典子, 満 (2019)
  • Author(s): 検出器との結合強化によるマイクロ波多重読出回路の低雑音化
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] nvestigation of Large Coupling between TES X-ray Microcalorimeter and Microwave Multiplexer Based on Microstrip SQUID (2018)
  • Author(s): 中島 裕貴、平山 文紀、神代 暁、山森 弘毅、永沢 秀一、佐藤 昭、山崎典子、満田和久
  • Organizer: Applied Superconductivity Conference (ASC) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中島 裕貴、平山 文紀、神代 暁、山森 弘毅、永沢 秀一、佐藤 昭、入松川 知也、村松はるか、林佑、山崎典子、満田和久 (2018)
  • Author(s): 高速応答マイクロ波ＳＱＵＩＤによるＴＥＳ型Ｘ線カロリメータの読出と読出雑音
  • Organizer: 超伝導エレクトロニクス研究会（SCE）