超伝導遷移端X線分光器による新しい宇宙地上実験手法の確立

• Project/Area Number: 21J10311
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Rikkyo University (2022); Tokyo Metropolitan University (2021)
• Principal Investigator: 早川 亮大 立教大学, 理学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 超伝導検出器 / X線 / X線検出器

Outline of Research at the Start

本研究は、将来のX線天文衛星による銀河やブラックホールの宇宙X線精密分光観測や、加速器を用いた地上実験に向けた、TESと呼ばれる超伝導を用いた高感度X線検出器の多画素化に向けた開発と、TESを用いた実験手法の確立を目指す研究である。将来の天文衛星で要求される、およそ10,000素子のTESからの同時読出という要求を満たすため、マイクロ波多重化読出という新しい読出方式の開発を行う。さらに、本システムを大型放射光施設に持ち込み、実際の宇宙観測のバックグラウンドに近い環境下での動作実証を行い、高バックグラウンド下でのシステムの最適化を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、昨年度に設計・評価を終えた、マイクロ波を用いた信号多重化読出回路の高速応答性能評価するため、5MHz のサンプリングレートでの信号波形超伝導転移端検出器（TES)アレイからの信号取得実験を行なった。
昨年度に設計、評価を行い5MHz のサンプリングレートに適応しうることを確認した超伝導読出回路と、可視・近赤外帯域に感度を持つ40画素のTESアレイを組み合わせた実験システムを構築し、近赤外領域（1550nm）のレーザー光源をTESアレイに導入し、レーザー光に含まれる光子数の計測実験に取り組んだ。極低温からの信号を処理する室温での読み出し回路は、産総研と共同で開発し、使用実績のあるX線・ガンマ線TESでの読み出し回路と同じものを使用した。読出回路ならびにTESの冷却には、昨年度と同一の断熱消磁冷凍機を用いることで、X線・ガンマ線TESの評価実験となるべく環境差をなくし、評価を行った。室温に置かれたレーザー光源からの光は、TESアレイと結合した光ファイバーを通して冷凍機内に導入した。評価の結果、現状のシステムでは、室温での読み出し回路によって、多重化することのできる画素数に限界があることを確認した。そこで、まず40画素のTESの基礎特性を行い、TESの超伝導温度や常伝導抵抗などの特性が揃っているTES画素の選定を行い、多重化に用いる画素を限定し、40画素中10画素のTESの信号多重化と 5MHz サンプリングでの信号波形の取得に成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] High-sensitive XANES analysis at Ce L2-edge for Ce in bauxites using transition-edge sensors: Implications for Ti-rich geological samples (2023)
  • Author(s): Li Wenshuai、Yamada Shinya、et al.
  • Journal Title: Analytica Chimica Acta Volume: 1240 Pages: 340755-340755
  • DOI: 10.1016/j.aca.2022.340755
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gamma-Ray Spectroscopy for 237Np Using a Transition-Edge Sensor with a Thick-Trilayer Membrane (2022)
  • Author(s): Kikuchi T.、Fujii G.、Hayakawa R.、Smith R.、Hirayama F.、Sato Y.、Kohjiro S.、Ukibe M.、Ohno M.、Sato A.、Yamamori H.、Hamaguchi T.、Yasumune T.、Ito C.、Takasaki K.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: - Issue: 1-2 Pages: 89-89
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02917-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gamma-ray transition edge sensor with a thick SiO₂/Si_<i>x</i>N_<i>y</i>/SiO₂ membrane (2021)
  • Author(s): Kikuchi T.、Fujii G.、Hayakawa R.、Smith R.、Hirayama F.、Sato Y.、Kohjiro S.、Ukibe M.、Ohno M.、Sato A.、Yamamori H.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 119 Issue: 22 Pages: 222602-222602
  • DOI: 10.1063/5.0063640
• [Presentation] Gamma-ray Transition-Edge Sensor with a Heavy-Metal Absorber Supported by a Thick-Trilayer Membrane (2022)
  • Author(s): Takahiro Kikuchi, Go Fui, Ryan Smith, Ryota Hayakawa, Fuminori Hirayama, Yasushi Sato, Satoshi Kohliro, Masahiro Ukibe, Masashi Ohno, Akira Sato, Hirotake Yamamori
  • Organizer: The Applied Superconductivity Conference 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 単一光子検出器アレーのマイクロ波多重読み出し回路の開発 (2022)
  • Author(s): 山森弘毅, 早川亮大, 平山文紀, 佐藤昭, 神代暁, 服部香里, 福田大治
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Gamma-ray Transition Edge Sensor with SiO2/SixNy/SiO2 Membrane for Uniform Property (2021)
  • Author(s): T. Kikuchi, G. Fujii, R. Hayakawa, R. Smith, F. Hirayama, Y. Sato, S. Kohjiro, M. Ukibe, M. Ohno, A. Sato, H. Yamamori
  • Organizer: 19th International Workshop on Low Temperature Detectors (LTD19)
  • Int'l Joint Research