TES型マイクロカロリメータを用いた太陽アクシオン探査

• 研究課題/領域番号: 18H01244
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 国立天文台 (2019-2021); 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 (2018)
• 研究代表者: 満田 和久 国立天文台, 先端技術センター, 特任教授 (80183961)
• 研究分担者: 山崎 典子 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) ; 前畑 京介 帝京大学, 公私立大学の部局等, 教授 (30190317)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2021年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2018年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
• キーワード: アクシオン / 太陽アクシオン / マイクロカリメータ / 超伝導転移端 / マイクロカロリメータ / 超伝導遷移端 / TES型マイクロカロリメータ

研究成果の概要

太陽アクシオンコンバータとして57Fe薄膜をもつTES型マイクロカロリメータを実現するため４つの主要課題を解決する方法を，要素試作と電磁界シミュレーションにより検討した。続いてその解決方法に基づいたTES型マイクロカロリメータを設計・製作し，X線照射により評価した。その結果，信号の立ち上がり波形が大きくばらつくことがわかり，その原因を検出器の熱応答シミュレーションにより検討した。その結果，金薄膜の熱伝導度が不十分であることが示唆され，それを改良する製作方法を開発した。これらに基づいて，8x8フォーマットのアレイ素子を設計し，マイクロ波周波数空間信号多重化による信号読み出しの準備もすすめた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

TES型マイクロカロリメータアレイ検出器は優れたエネルギー分解能が特徴であり，宇宙X線観測に加えて，高エネルギー分解能で得られる低バックグラウンドを生かした稀事象探査への応用が特に期待される。本研究は稀事象探査の一つとして太陽アクシオン探査を目標とする。本研究により64画素の検出器を実現する基礎的な知見が得られた。本格的な探査には千以上の素子が必要である。信号読み出し回路を含めたシステム全体はスケーラブルであるので，時間と経費をかけることで実現の可能性は高い。また，今回研究した熱への変換物質をTESの横に配置する方式は応用性が高く，他の稀事象探査への応用も期待される。

研究成果

• [国際共同研究] INAF IAPS(イタリア)
• [雑誌論文] Low-noise microwave SQUID multiplexed readout of 38 x-ray transition-edge sensor microcalorimeters (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 号: 12 ページ: 122601-122601
  • DOI: 10.1063/5.0016333
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of TES Microcalorimeters with Solar-Axion Converter (2020)
  • 著者名/発表者名: Konno, R., Maehisa, K., Mitsuda, K., Yamasaki, NY., Yamamoto, R., Hayashi, T., Muramatsu, H., Nakashima, Y., Maehata, K., Homma, T., Saito, M., Sugie, M., Sato, R.
  • 雑誌名: JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSICS 巻: 199 号: 3-4 ページ: 654
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02257-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] A search for a contribution from axion-like particles to the X-ray diffuse background utilizing the Earth's magnetic field (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto R.、Yamasaki N.Y.、Mitsuda K.、Takada M.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 号: 02 ページ: 011-011
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/02/011
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Performance of TES X-Ray Microcalorimeters Designed for 14.4 keV Solar Axion Search (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Yagi, Ryohei Konno, Tasuku Hayashi, Keita Tanaka, Noriko Y. Yamasaki, Kazuhisa Mitsuda, Rumi Sato, Mikiko Saito, Takayuki Homma, Yoshiki Nishida, Shohei Mori, Naoko Iyomoto
  • 学会等名: 19th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • 国際学会
• [学会発表] Development of microwave multiplexer for the Super DIOS mission: 38 transition-edge sensor X-ray microcalorimeter readout with microwave multiplexing (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nagasawa, A. Sato, S. Yamada, R. Hayakawa, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda, K. Nagayoshi, H. Akamatsu, L. Gottardi, E. Taralli, M. P. Bruijn , M. L. Ridder, J. R. Gao, and J. W. A. den Herder
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous Readout of 38-pixels Ti/Au X-ray Transition Edge Sensor with a Microwave Multiplexer Based on Resonators Directly Coupled to RF-SQUIDs with Noise of 10 pA/√Hz (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nagasawa, A. Sato, S. Yamada, R. Hayakawa, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda, K. Nagayoshi, H. Akamatsu, L. Gottardi, E. Taralli, M. P. Bruijn , M. L. Ridder, J. R. Gao, and J. W. A. den Herder
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 太陽アクシオン探査に特化した吸収体を持つ TES 型マイクロカロリメータの開発２ (2020)
  • 著者名/発表者名: 紺野良平, 前久景星, 満田和久, 山崎典子, 山本亮, 林佑, 村松はるか, 中島裕貴, 八木雄大, 本間敬之, 斎藤美紀子, 杉江美紗貴, 佐藤瑠美
  • 学会等名: 日本物理学会2020年年次大会
• [学会発表] Development of TES microcalorimeters for solar axion search (2019)
  • 著者名/発表者名: Konno, Mitsuda, K. Yamasaki, N.Y., Yamamoto, R., Hayashi, T., Muramatsu, H., Homma, T., Saitou, M., Sugie, M., Satou, R.
  • 学会等名: 18th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • 国際学会
• [学会発表] Microwave Multiplexing Based on SQUIDs Directly Coupled to Resonators with a View to Simultaneous Readout of 80 TES X-ray Microcalorimeters (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakashima, Y., Hirayama, F., Kohjiro, S., Yamamori, H., Nagasawa, S., Sato, A., Yamasaki, N.Y., Mitsuda, K.
  • 学会等名: 18th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • 国際学会
• [学会発表] 太陽アクシオン探査に特化した吸収体を持つTES型マイクロカロリメータの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 紺野良平, 満田和久, 山崎典子, 山本亮, 林佑, 村松はるか, 前久景星, 本間敬之, 斎藤美紀子, 杉江美紗貴
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会（2019年3月14日-2019年3月17日）