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
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20K14548
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization (2022)
Japan Aerospace EXploration Agency (2020-2021) |
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Principal Investigator |
林 佑 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 量子場計測システム国際拠点, 研究員 (00846842)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | 超伝導検出器 / 地球外物質分析 / 走査透過型電子顕微鏡 / X線分光分析 / Ｘ線分光検出器 / TESカロリメータ / 極低温X線検出器 / STEM / TES / 地球外物質 / 透過型電子顕微鏡 / 極低温検出器 / 超伝導遷移端型X線分光検出器 / エネルギー分散分光(EDS) |
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| Outline of Research at the Start |
太陽系形成過程の解明は、今日の地球の有機物や水がどのように来たかを解明する手がかりとなる。原始太陽系で生成され、惑星に取り込まれることなく星間空間に存在する地球外物質のみが、原始太陽系の状態や進化の過程を直接分析することを可能にする。「はやぶさ」に代表されるサンプルリターンにより、こうした重要な地球外物質の分析が可能となってきた。地球外物質は内部にサブマイクロスケールの微細構造を持ち、その分析方法の一つに高い空間分解能を持つ走査透過型電子顕微鏡とエネルギー分散型分析器(EDS)を組み合わせた、元素マッピングおよび定量分析がある。本研究では、EDSのための最新のTES型X線分光装置の開発を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定では、224素子全てへ配線を通す予定であったが、積層配線を製作するための製作装置のメンテナンスなどにより装置が使えずに従来タイプの配線を用いた64素子までの読み出し配線に留まっている。一方でマッシュルーム型吸収体の構造製作には日本で初めて成功し、エネルギー分解能も要求性能を達成しており、当初の予定よりも低いものの計数率の4倍の改善はできており、テスト素子として搭載することで実際の分析も可能であると考えている。
一方で、RRR~20を達成したことにより高い熱伝導性が得られることで、TESから吸収体を離した横置きにした構造も可能であることが分かり製作の幅が広がった。これにより、当初の研究計画を超えて、従来までは難しかったAxion探査へのTESカロリメータの応用研究も可能としたことは大きな成果と考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の予定は、今年度までに製作した224素子(64素子のみ配線)を用いて、実際にSTEMへ搭載し動作実証をおこなっていく。比較的電子線に耐性がある地球外物質を用いてTES-EDSを用いた精密な定量分析を行っていく予定である。また、今年度製作が難しかった積層配線の開発を進めていく。装置のメンテナンスは終了しており速やかに開発を進めていき、計数率を最大14倍(=3.5 × 4倍)改善した素子のSTEMへ搭載し、地球外物質分析を行っていく。
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Report
(3 results)
Research Products
(8 results)
