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Development of High Position Sensitive TES X-ray Microcalorimeter for Space X-ray Interferometer

Research Project

Project/Area Number 19K21884
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

野田 博文  大阪大学, 理学研究科, 助教 (50725900)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 林 佑  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, 宇宙航空プロジェクト研究員 (00846842)
武井 大  国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 客員研究員 (10709372)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
KeywordsX線干渉計 / 超電導遷移端型X線マイクロカロリメータ / マイクロマシニング / X線天文学 / ブラックホール / 活動銀河核 / 放射光実験
Outline of Research at the Start

高い空間分解能を持つ「宇宙X線干渉計」を実現する一つの方策は、幅の狭い干渉縞でも捉えられる、高い光子入射位置の特定精度を持つX線検出器を開発することである。そこで本研究では、超伝導遷移端型X線マイクロカロリメータ技術を応用した「高位置精度X線検出器」を開発する。最初のステップとして、X線光子の入射位置を1 μm未満の高い精度で測定することを目標に据えると同時に、超電導遷移端型X線マイクロカロリメータの強みを活かした高いX線分光性能の実現にも挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

X線干渉計を衛星軌道上で実現するためには、一台の衛星に搭載できるサイズまで小さくすることが一つの鍵であり、そのためには高い精度でX線光子の到来位置を特定できるX線センサーが必要となる。そこで本研究では、超電導遷移端型マイクロカロリメータ(TES)の技術を応用し、高精度で光子到来位置を特定できる極低温センサーを考案した。2つの Ti/Au (40 nm/90 nm) TES (140 μm × 140 μm) を1つのX線吸収体 (1.2 mm × 20 μm × 1 μm) で接続する新しいデザインを考案した。X線吸収体に光子が入射すると、2つのTESでパルスが得られ、その立ち上がりの時間差を調べることで光子の到来位置を特定する。
これまでに、2つのTESが~100 mKで超電導遷移することを確認したのち、極低温下で55Fe線源を用いて5.9 keVのX線光子をセンサーに照射する実験を行った。本年度は、この実験で得られたデータを系統的に解析し、2つの同期したTESのパルスの立ち上がり時間と、一方のTESで得られるパルスの波高値の関係を調べ、両者に相関を得ることに成功した。TESパルスの波高値は光子の到来位置を反映することから、本結果は、X線光子の到来位置に応じてパルスの立ち上がり時間差が変化することを意味し、狙い通り、時間差を利用することで位置センサーとして機能したことを示す。これまでの実験では5.9 keVの光子が素子の全面に当たるセットアップだったが、光子の入射位置を制限するため、~30 μm間隔で~30 μmのスリットを開けたコリメータを新たに製作した。加えて、コリメータと合わせて冷凍機に設置するためのX線発生装置の設計を進めている。今後は、パルスの立ち上がり時間差からどの程度の位置特定精度が出せているかを調べる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

製作した高位置精度X線センサーを用いたX線照射実験のデータを解析し、2つの超電導遷移端型センサーのパルスの立ち上がり、5.9 keVの光子の入射位置を反映した時間差が実際に確認できた点は順調である。一方、コロナウイルスの感染拡大を受けて出張が制限されたことにより、X線発生装置の製作や放射光施設で駆動させるための検討がやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

光子入射位置の特定精度がどの程度得られるかを確認するため、コリメータを高位置精度X線センサーの前に設置した上でX線照射実験を行う。さらに、SPring-8などの放射光施設で高位置精度X線センサーを駆動するための準備を進める。ここまでに得られた結果を国際・国内会議で発表し、投稿論文としてまとめる。

Report

(3 results)
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(20 results)

All 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 5 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Broadband high-energy resolution hard x-ray spectroscopy using transition edge sensors at SPring-82021

    • Author(s)
      Yamada Shinya、Ichinohe Yuto、et al.
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 92 Issue: 1 Pages: 013103-013103

    • DOI

      10.1063/5.0020642

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Screening and selection of XRISM/Xtend flight model CCD2021

    • Author(s)
      Yoneyama Tomokage、Noda Hirofumi、Hanaoka Maho et al.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 985 Pages: 164676-164676

    • DOI

      10.1016/j.nima.2020.164676

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spatially resolved X-ray spectroscopy of the archetype type 2 active galactic nucleus NGC 1068 with Chandra2021

    • Author(s)
      Nakata Ryo、Hayashida Kiyoshi、Noda Hirofumi、Yoneyama Tomokage、Matsumoto Hironori、Imanishi Masatoshi
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 73 Issue: 2 Pages: 338-349

    • DOI

      10.1093/pasj/psab001

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Suzaku detection of solar wind charge exchange emission from a variety of highly ionized ions in an interplanetary coronal mass ejection2021

    • Author(s)
      Asakura Kazunori、Matsumoto Hironori、Okazaki Koki、Yoneyama Tomokage、Noda Hirofumi、Hayashida Kiyoshi、Tsunemi Hiroshi、Nakajima Hiroshi、Katsuda Satoru、Ishi Daiki、Ezoe Yuichiro
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: - Issue: 3 Pages: 1-15

    • DOI

      10.1093/pasj/psab015

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dust reverberation mapping of type 2 AGN NGC?2110 realized with X-ray and 3-5 μm IR monitoring2020

    • Author(s)
      Noda Hirofumi、Kawamuro Taiki、Kokubo Mitsuru、Minezaki Takeo
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 495 Issue: 3 Pages: 2921-2929

    • DOI

      10.1093/mnras/staa1376

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Subsub-arcseconds x-ray imaging with multi-image x-ray interferometer module (MIXIM): experimental results2020

    • Author(s)
      Asakura Kazunori、Hayashida Kiyoshi、Hanasaka Takashi、Kawabata Tomoki、Yoneyama Tomokage、Noda Hirofumi、Sakuma Shotaro、Okazaki Koki、Ishikura Ayami、Hanaoka Maho、Ide Shuntaro、Hattori Kengo、Matsumoto Hironori、Tsunemi Hiroshi、Awaki Hisamitsu、Nakajima Hiroshi、Hiraga Junko S.
    • Journal Title

      SPIE proceedings, Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray

      Volume: -

    • DOI

      10.1117/12.2560772

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      2020 Research-status Report
  • [Journal Article] Sub-arcseconds to micro-arcsecond x-ray imaging with multi image x-ray interferometer method (MIXIM): concept and scalabe mission plans2020

    • Author(s)
      Hayashida Kiyoshi、Asakura Kazunori、Ishikura Ayami、Hirofumi Noda (8番目) et al.
    • Journal Title

      SPIE proceedings, Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray

      Volume: -

    • DOI

      10.1117/12.2562193

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      2020 Research-status Report
  • [Journal Article] On-ground calibration of XRISM/Xtend CCD2020

    • Author(s)
      Yoneyama Tomokage、Noda Hirofumi、Hanaoka Maho et al.
    • Journal Title

      SPIE proceedings, Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray

      Volume: - Pages: 1144425-1144425

    • DOI

      10.1117/12.2561524

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      2020 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Discovery of a transient X-ray source Suzaku J1305-4930 in NGC 49452020

    • Author(s)
      Shuntaro Ide, Kiyoshi Hayashida, Hirofumi Noda, Hiroyuki Kurubi, Tomokage Yoneyama, Hironori Matsumoto
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 72 Issue: 3

    • DOI

      10.1093/pasj/psaa023

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] X線干渉計に向けTESを応用する高位置精度X線センサーの開発2022

    • Author(s)
      野田博文、林佑、山田真也、武井大
    • Organizer
      高エネルギー宇宙物理連絡会2021年度研究会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Fe-Kα反響マッピングで探るChanging-Look現象に伴うAGN構造の変化2022

    • Author(s)
      野田博文
    • Organizer
      ブラックホール降着流ミニ研究報告
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] X線干渉計に向けTESを応用する高位置精度X線センサーの開発2021

    • Author(s)
      野田博文、林佑、山田真也、武井大
    • Organizer
      日本天文学会2021年秋季年会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] XRISMの開発状況と超巨大ブラックホールサイエンスの検討2021

    • Author(s)
      野田博文
    • Organizer
      超巨大ブラックホール研究会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] State Transition of SMBH Accretion Studied with X-ray and UV Monitoring2021

    • Author(s)
      野田博文
    • Organizer
      日本天文学会2021年春季年会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 「ひとみ」衛星搭載X線マイクロカロリメータによる初の活動銀河核 Fe-Kα 輝線の精密分光2021

    • Author(s)
      野田博文
    • Organizer
      日本物理学会2021年春季大会
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  • [Presentation] X線とUVの同時観測で探る巨大ブラックホール降着流の状態遷移2021

    • Author(s)
      野田博文
    • Organizer
      ブラックホール降着流ミニ研究報告会
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  • [Presentation] X-ray Studies of Supermassive Black Hole Accretion State Transition2021

    • Author(s)
      Hirofumi Noda
    • Organizer
      Slovakia Sandwich workshop
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] X-ray Studies of Supermassive Black Holes and Jetted AGNs with XRISM2021

    • Author(s)
      Hirofumi Noda
    • Organizer
      Black Hole Astrophysics with VLBI: Multi-Wavelength and Multi-Messenger Era
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Constraining AGN physics from X-ray observations2020

    • Author(s)
      Hirofumi Noda
    • Organizer
      NECO workshop: Probing the Extragalactic Universe with High Energy and Very High Energy Sources
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] MAXIとWISEで実現する2型AGN NGC2110のダスト反響マッピング2019

    • Author(s)
      野田博文、川室太希、小久保充、峰崎岳夫
    • Organizer
      日本天文学会2019年秋季年会
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      2019 Research-status Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2022-12-28  

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