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

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01244
• 研究機関: 国立天文台
• 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
• 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

研究実績の概要

本研究で目標とする検出実験を実現するためには，4つの主要課題が存在する。その主要課題とは，(A) 鉄の磁性がTES(超伝導転 移端センサー)の超伝導特性を阻害するので対策が必要，(B) 従来の金に比べて鉄は比熱が大きいため最適設計が必要，(C) 鉄は熱伝導度が低い可能性があり，信号波形のアクシオン吸収位置依存性によりエネルギー分解能悪化の可能性があり，最適設計が必要，(D) 57Feは大変高価なため，収率の高い鉄吸収体形成のマイクロプロセスが必要，である。 昨年度までに，収率の高い電析(Dの解決)で製作した鉄薄膜の極低温での物性を評価し，それを用いた検出器の熱シミュレーションにより(A)-(C)の課題を解決するマイクロカロリメータの基本概念を得た上でその製作プロセス設計を行い，それに従っててインハウスで素子を試作した。さらに，この素子を100mKの極低温に冷却し，TES型マイクロカロリメータの基本的な動作を確認した。本年度，この素子の詳細な評価を行ったところ，試験に用いた5.9keVのX線吸収によって発生する信号パルスが，複数の異なる波形を持ち，これがエネルギー分解能を制限してしまうことがわかった。アクシオン変換物質である鉄以外の場所でX線が吸収された時に波形の異なる信号が発生するという仮説のもとに，X線を素子の一部にコリメートして照射する実験と，検出器熱モデルの詳細化による確認を行った。しかし，これまでの実験とシミュレーション結果には，仮説とは一致しないところがあり，残念ながら完全な理解には至らなかった。カロリメータの評価に加えて，素子をアレイ化するためのプロセス設計と，超伝導フロントエンド回路の整備を昨年度に引き続いて行った。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

マイクロカロリメータとしての動作は確認できているものの，波形の異なる信号パルスの発生により，目標とするエネルギー分解能が得られていない。それ以外の項目については，予定通りにすすめているが，全体としては，予定よりも遅れていると言わざるを得ない状況である。

今後の研究の推進方策

目標とする性能を達成するためには，波形の異なるパルスが存在する理由を確認する必要がある。そのために，実験とシミュレーションにより，波形の異なるパルスの混入問題の原因を理解する。鉄以外の場所で反応したことにより生じているのであれば，信号処理で除去することで対応できる。もしもそうでない場合は，原因に応じた設計変更が必要になる。
アレイ素子のフォトマスク設計，検出器ヘッドの設計と製作は，これと並行してすすめる。

研究成果

• [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: 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
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 117 ページ: 122601
  • DOI: 10.1063/5.0016333
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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