銀河間プラズマの集中と循環を探るX線カロリメータ大型アレイの開発

• 研究課題/領域番号: 18H01260
• 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16010:天文学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 平山 文紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10357866) ; 山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073) ; 大橋 隆哉 東京都立大学, 理学研究科, 客員教授 (70183027)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2020年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2019年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2018年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
• キーワード: 銀河間物質 / X線天文学 / 極低温検出器 / 超伝導遷移端検出器 / 超伝導回路 / 超伝導検出器

研究成果の概要

X線のエネルギーを精度よく測定し，同時に位置検出を行なう撮像分光素子として，将来の宇宙X線観測に重要な役割を果たすと考えられる，超伝導転移端(TES)マイクロカロリメータのGHz帯を利用した信号多重化読み出し手法の開発を行なった。実際に40画素について，TESアレイと共振回路を結合させた100mKでのX線照射実験を行ない，エネルギー分解能として3eV以下を得ることができた。これは世界最高レベルの結果である。この手法により既存のマイクロ波アンプ等と組み合わせることで，250画素の多重化を可能とすることを示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

銀河，銀河間での希薄な高温プラズマの直接観測を行なうことは，宇宙の化学的，力学的な進化を探る上では非常に重要な手法と考えられる。本研究による開発は，そのためのキー技術であるマイクロカロリメータの信号多重化の実現可能性を世界に先駆けて十分に示した。これにより，大視野高エネルギー分解能でのX線サーベイ観測の可能性が示された。またこのような技術は，天文学のみならず，蛍光X線を用いた物質の微量分析などへの応用も期待される。

研究成果

• [国際共同研究] SRON(オランダ)
• [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] Investigation of Large Coupling Between TES X-Ray Microcalorimeter and Microwave Multiplexer Based on Microstrip SQUID (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakashima Yuki、Hirayama Fuminori、Kohjiro Satoshi、Yamamori Hirotake、Nagasawa Shuichi、Sato Akira、Yamasaki Noriko Y.、Mitsuda Kazuhisa
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 29 号: 5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2019.2905688
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Investigation of Large Coupling between TES X-Ray Microcalorimeter and Microwave Multiplexer Based on Microstrip SQUID (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nakasawa, A. Sato, N. Y. Yamasaki, and K. Mitsuda
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Applied Superconductivity 巻: 29
  • 査読あり
• [雑誌論文] Readout of X-ray Pulses from a Single-pixel TES Microcalorimeter with Microwave Multiplexer Based on SQUIDs Directly Coupled to Resonators (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakashima Y.、Hirayama F.、Kohjiro S.、Yamamori H.、Nagasawa S.、Sato A.、Irimatsugawa T.、Muramatsu H.、Hayashi T.、Yamasaki N. Y.、Mitsuda K.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 193 号: 3-4 ページ: 618-625
  • DOI: 10.1007/s10909-018-2030-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ダークバリオン探査ミッション Super DIOS の開発へ向けた検討 VII (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤浩介 、大橋隆哉、石崎欣尚、江副祐一郎、藤田裕 、山崎典子、石田学、前田良知、満田和久、中島裕貴 、三石郁之、田原譲、藤本龍一 、鶴剛 、太田直美 、大里健 、永井大輔 、吉川耕司、河合誠之、松下恭子、山田真也、一戸悠人、内田悠介
  • 学会等名: 日本天文学会 2021年度春季年会
• [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: Yuki Nakashima, Fuminori Hirayama, Satoshi Kohjiro, Hirotake Yamamori, Shuichi Nagasawa, Akira Sato, Shinya Yamada, Ryota Hayakawa, Noriko N. Yamasaki, Kazuhisa Mitsuda, Kenichiro Nagayoshi, Hiroki Akamatsu, Luciano Gottardi, Emanuele Taralli, Marcel P. Bruijn, Marcel L. Ridder, Jian-Rong Gao, and Jan Willem den Herder
  • 学会等名: SPIE Space Telescopes and Instrumentation 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Super DIOS mission for exploring "dark baryon" (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, T. Ohashi, Y. Ishisaki, Y. Ezoe, S. Yamada, N. Yamasaki, K. Mitsuda, M. Ishida, Y, Maeda, Y. Nakashima, I. Mitsuishi, Y. Tawara, R. Fujimoto, T. Tsuru, N. Ota, K. Osato, S. Nakashima, Y. Fujita, D. Nagai, K. Yoshikawa, N. Kawai, K. Matsushita, Y. Ichinohe, Y. Uchida
  • 学会等名: SPIE Space Telescopes and Instrumentation 2020
  • 国際学会
• [学会発表] マイクロ波多重回路による38画素超伝導転移端検出器の低雑音読出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中島 裕貴,平山 文紀,神代 暁,山森 弘毅,永沢 秀一,佐藤 昭,山田 真也,早川 亮大,山崎 典子,満田 和久,永吉 賢一郎,赤松 弘規
  • 学会等名: 日本応用物理学会
• [学会発表] ダークバリオン探査ミッションSuper DIOSの開発へ向けた検討IV (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤浩介,大橋隆哉,石崎欣尚,江副祐一郎,山田真也,山崎典子,中島裕貴,満田和久,石田学,前田良知, 三石郁之,田原譲, 藤本龍一,鶴剛,太田直美,大里健,中島真也,藤田裕,永井大輔,吉川耕司,河合誠之
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会
• [学会発表] 検出器との結合強化によるマイクロ波多重読出回路の低雑音化 中島 裕貴, 神代 暁, 平山 文紀, 山森 弘毅, 永沢 秀一, 山崎典子, 満 (2019)
  • 著者名/発表者名: 検出器との結合強化によるマイクロ波多重読出回路の低雑音化
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] nvestigation of Large Coupling between TES X-ray Microcalorimeter and Microwave Multiplexer Based on Microstrip SQUID (2018)
  • 著者名/発表者名: 中島 裕貴、平山 文紀、神代 暁、山森 弘毅、永沢 秀一、佐藤 昭、山崎典子、満田和久
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference (ASC) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 中島 裕貴、平山 文紀、神代 暁、山森 弘毅、永沢 秀一、佐藤 昭、入松川 知也、村松はるか、林佑、山崎典子、満田和久 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高速応答マイクロ波ＳＱＵＩＤによるＴＥＳ型Ｘ線カロリメータの読出と読出雑音
  • 学会等名: 超伝導エレクトロニクス研究会（SCE）