Development of a Large-Area Position-Sensitive Gamma-Ray Microcalorimeter

• Project/Area Number: 21H03738
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Iyomoto Naoko 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40508173)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
• Keywords: 放射線 / 分光 / 超伝導 / 極低温 / マイクロカロリメータ / 超伝導材料・素子 / 低温物性

Outline of Research at the Start

熱計測型の放射線検出器であるマイクロカロリメータは、電荷計測型より１桁から２桁優れたエネルギー分解能を持つことから、可視光から数百keV程度のガンマ線までの幅広い領域で開発が進んでいる。本課題ではより高エネルギーの数百keVから数MeVのガンマ線を対象としたマイクロカロリメータを開発する。この帯域で十分な検出効率を得るために必要なガンマ線吸収体のサイズでは、ガンマ線が吸収された場所から温度計まで熱が伝わるのにかかる時間が距離に依存するため、信号パルス波形のばらつきが無視できなくなることによりエネルギー分解能が悪化する。本課題では位置検出型のマイクロカロリメータの開発によりこの問題を解決する。

Outline of Final Research Achievements

We developed position-sensitive transition-edge sensor (TES) microcalorimeters (PoSTs) for gamma-rays. To accommodate larger absorbers, We improved the membrane structure to support large absorbers and verified the operation using Co-60 and Cs-137 sources. We performed simulations considering multiple scattering and noise to demonstrate that a position resolution of 0.4 mm can be achieved with a 20 mm-long PoST.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、位置検出型TESマイクロカロリメータの製作と動作実証、さらに多重散乱や雑音の影響を考慮したシミュレーションの両面から、数100 keVからMeV領域のガンマ線に対する高精度な位置・エネルギー測定が可能であることを明らかにした。これは将来的なコンプトンカメラ開発や放射線医療、原子力分野への応用が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Two-Dimensional Position-Sensitive Transition-Edge Sensor Microcalorimeters for Gamma Rays (2023)
  • Author(s): Tetsuya Tsuruta, Naoko Iyomoto, et. al.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3263135
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulation of TES X-ray Microcalorimeters Designed for 14.4 keV Solar Axion Search (2022)
  • Author(s): Mori Shohei、Nishida Y.、Iyomoto N.、Yagi Y.、Konno R.、Hayashi T.、Tanaka K.、Yamasaki N. Y.、Mitsuda K.、Sato R.、Saito M.、Homma T.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 209 Issue: 3-4 Pages: 518-524
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02902-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal Conductance of Thick-Membrane TES Microcalorimeters for Several-MeV Gamma Rays (2022)
  • Author(s): Tsuruta Tetsuya、Hamamura Yukino、Iyomoto Naoko、Nakamura Yunosuke、Kawaguchi Shotaro、Hayashi Tasuku、Yagi Yuta、Yamasaki Noriko、Mitsuda Kazuhisa
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 209 Issue: 3-4 Pages: 449-456
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02776-y
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Investigation into Position Resolution of Gamma-Ray Position-Sensitive Transition-Edge-Sensor Microcalorimeters (2024)
  • Author(s): Yusuke Matsumi, Yuuki Tagawa, Naoko Iyomoto, Tetsuya Tsuruta, Masahiro Kihara, Haruto Fujita, Nao Hata, Rintaro Moriyama, Takahiro Umeno, Noriko Yamasaki, Yuta Yagi, Keita Tanaka, Ryo Ota, Tasuku Hayashi, Kazuhisa Mitsuda
  • Organizer: Applied Superconductivity Conference 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガンマ線検出用位置検出型TES型マイクロカロリメータの雑音と多重散乱を含めた位置分解能シミュレーション (2024)
  • Author(s): 田河 佑規, 伊豫本 直子, 松見 勇輔, 藤田 悠人, 木原 優宏, 秦 直央, 森山 凛太郎, 執行 信 寛, 梅野 高裕, 山崎 典子, 八木 雄大, 田中 圭太, 太田 瞭, 満田 和久, 林 佑, 鶴田 哲也
  • Organizer: 第85回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Estimation of position resolution for Gamma Rays Position-sensitive Transition-edge Sensor Microcalorimeters (2023)
  • Author(s): Yusuke Matsumi, Naoko Iyomoto, Tetsuya Tsuruta, Shunsuke Matsuda, Keisuke Nakano, Shohei Mori, Yuki Tagawa, Haruto Fujita, Masahiro Kihara, Keisuke Maehata, Takahiro Umeno, Noriko Yamasaki, Tasuku Hayashi, Yuta Yagi, Rikuta Miyagawa, Keita Tanaka
  • Organizer: The 20th International Conference on Low Temperature Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spiral-type PoST Microcalorimeter for gamma-ray measurement enabling two-dimensional position detection (2023)
  • Author(s): Tetsuya Tsuruta, Naoko Iyomoto, Yusuke Matsumi, Shunsuke Matsuda, Keisuke Nakano, Shohei Mori, Yuki Tagawa, Haruto Fujita, Masahiro Kihara, Takahiro Umeno, Noriko Yamasaki, Tasuku Hayashi, Yuta Yagi, Rikuta Miyagawa, Keita Tanaka, Keisuke Maehata
  • Organizer: The 20th International Conference on Low Temperature Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガンマ線位置検出型TES型マイクロカロリメータの位置検出性能の評価 (2022)
  • Author(s): 仲野 圭祐, 伊予本 直子, 執行 信寛, 鶴田 哲也, 森 匠平, 松田 隼輔, 松見 勇輔, 前畑 京介, 山崎 典子, 林 佑, 八木 雄大, 田中 圭太, 宮川 陸太, 満田 和久
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ガンマ線用TES型マイクロカロリメータの熱リンクにおける熱伝導の研究 (2022)
  • Author(s): 松田 隼輔, 伊豫本 直子, 鶴田 哲也, 仲野 圭佑, 森 匠平, 山﨑 典子, 林 佑, 八木 雄太, 田中 圭太, 宮川 陸大, 満田 和久, 前畑 京介
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 有限要素法を用いた太陽アクシオン用TES型マイクロカロリメータの電熱シミュレーション (2022)
  • Author(s): 森 匠平, 伊豫本 直子, 鶴田 哲也, 仲野 圭祐, 松田 隼輔, 松見 勇輔, 山崎 典子, 林 佑, 八木 雄大, 田中 圭太, 宮川 陸大, 太田 瞭, 満田 和久, 本間 敬之, 齋藤 美紀子, 吉田 奈央
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Simulations of Two-dimensional Position-Sensitive Transition-Edge-Sensor Microcalorimeters for Gamma Rays (2022)
  • Author(s): Naoko Iyomoto, Shotaro Kawaguchi, Yuunosuke Nakamura, Tetsuya Tsuruta
  • Organizer: The Applied Superconductity Conference 2022 (ASC2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gamma-Ray Position-Sensitive Transition-Edge-Sensor Microcalorimeters With a Bismuth Absorber (2021)
  • Author(s): Naoko Iyomoto, Yoshiki Nishida, Tetsuya Tsuruta, Yukino Hamamura, Shoutaro Kawaguchi, Yuunosuke Nakamura, Tasuku Hayashi, Yuta Yagi, Noriko Yamasaki, Kazuhisa Mitsuda, Keisuke Maehata
  • Organizer: 19th international workshop on Low Temperature Detectors (LTD19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Finite-Element Simulation of Transition-Edge Sensor Microcalorimeters for Gamma rays (2021)
  • Author(s): Yoshiki Nishida, Naoko Iyomoto, Tetsuya Tsuruta, Yukino Hamamura, Shoutaro Kawaguchi, Yuunosuke Nakamura, Shohei. Mori, Shunsuke. Matsuda, Keisuke. Nakano, Keisuke Maehata
  • Organizer: 19th international workshop on Low Temperature Detectors (LTD19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Transition Edge Sensor Microcalorimeter for Several-MeV Gamma Rays (2021)
  • Author(s): Tetsuya Tsuruta, Yukino Hamamura, Naoko Iyomoto, Yuunosuke Nakamura, Shoutaro Kawaguchi, Tasuku Hayashi, Yuta Yagi, Noriko Yamasaki, Kazuhisa Mitsuda
  • Organizer: 19th international workshop on Low Temperature Detectors (LTD19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガンマ線検出用二次元位置検出型TES 型マイクロカロリメータのシミュレータの開発 (2021)
  • Author(s): 河口 昌太郎， 伊豫本 直子， 鶴田 哲也， 中村 悠之介， 仲野 圭佑, 松田 隼輔， 森 匠平， 西田 佳樹， 濱村 雪乃， 前畑 京介
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ガンマ線検出用TES 型マイクロカロリメータの電気的・熱的特性の評価 (2021)
  • Author(s): 中村 悠之介、伊豫本 直子、鶴田 哲也、河口 昌太郎、森 匠平、仲野 圭祐、松田 隼輔、前畑 京介、山崎 典子、林 佑、八木 雄大、田中 圭太、宮川 陸太、満田 和久
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会