| 講演名 | 2022-01-21 厚い三層メンブレンを用いた超伝導転移端ガンマ線マイクロカロリメータの熱特性とマイクロ波多重読出 菊地 貴大(産総研), 藤井 剛(産総研), 早川 亮太(都立大), ライアン スミス(東大), 平山 文紀(産総研), 佐藤 泰(産総研), 神代 暁(産総研), 浮辺 雅宏(産総研), 大野 雅史(東大), 佐藤 昭(産総研), 山森 弘毅(産総研), |
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| 抄録(和) | 厚いメンブレンは強い機械的強度を示す。そのため、ガンマ線マイクロカロリメータ(γ-TES)の重金属のバルク吸収体を支えるために必要不可欠である。単層の窒化ケイ素 (SixNy)膜の熱コンダクタンス(G)はよく研究されており、厚みに比例する事がわかっている。しかし、フォノンの熱ゆらぎが一般的にG1/2に比例するため、窒化ケイ素は厚膜に適していない。本研究では、窒化ケイ素膜を二酸化ケイ素膜(SiO2)で挟み込んだ三層膜(SiO2/SixNy/SiO2)を提案する。窒化ケイ素膜の厚みは5.8 umあり三層の合計は6.9 umとなっている。そのため、従来の1 umのメンブレンより厚く機械的強度が期待できる。熱コンダクタンスと熱輸送距離(L)の関係G-Lを調べると、メンブレンを伝わるフォノンは放射的な伝わり方と拡散的な伝わり方の中間状態にある事がわかった。また、我々の三層膜は厚いのにも関わらずG=1.1?1.7 nW/K となっており従来の単層の窒化ケイ素膜と同程度だと分かった。そして、マイクロ波共振器に結合された超伝導量子干渉計(SQUID)を用いてTESで検出した93 keVのガンマ線シグナルを読み出した。測定した5画素のTESのうち、最もよいエネルギー分解能は43 eV@93 keVであり、最先端のアメリカ国立標準技術研究所の作るγ-TESと同程度のエネルギー分解能であった。ノイズスペクトルに見られる低周波側の構造は、従来の窒化ケイ素単層膜に見られるものと同程度の余剰フォノンノイズで説明可能であった。以上から、厚い三層メンブレンを用い高性能γ-TESの開発と5画素の多重低雑音読み出しに成功した。 |
| 抄録(英) | Thick membranes of the gamma-ray transition-edge sensor (γ-TES) generally exhibit great mechanical strength and can support a bulk metal absorber typically for γ-TESs. However, for conventional silicon-nitride (SixNy) membranes, thermal conductance (G) is proportional to the thickness, indicating that thicker membranes provide larger thermal-fluctuation noise in TESs. We propose a thick-trilayer membrane consisting of the silicon oxide (SiO2), SixNy, and SiO2 layers. The SixNy layer accounts for 5.8 μm of the total 6.9 μm, and thus it is expected to be hard compared with conventional SixNy membranes with typical thickness below 1 μm. G of the trilayer membrane is characterized as a function of heat-transport distance (L) and the G-L relation follows that of the intermediate model between ballistic and diffusive transports. Resulting G of the thick-trilayer membrane is 1.1?1.7 nW/K which is not far from the one reported by conventional SixNy membranes. Gamma-ray spectroscopy around 93 keV is carried out based on series biased 5-pixels TES. The best full-width-half-maximum energy resolution among all pixels under characterization is 43.1±1.6 eV for 93-keV that is close to the median value of a state-of-the-art 236-pixels γ-TES in the literature. The measured low-frequency noise can be represented by theoretical phonon noise and its excess component with the same order as conventional ones. The thick-trilayer membrane is demonstrated to be able to work without any problems in a γ-TES regime. |
| キーワード(和) | 超伝導転移端マイクロカロリメータ / ガンマ線分光 / 三層メンブレン / 熱コンダクタンス / マイクロ波共振器 / 超伝導量子干渉計 |
| キーワード(英) | Transition-Edge Sensor / Gamma-ray Spectroscopy / Trilayer Membrane / Thermal Conductance / Microwave Resonator / Superconducting Quantum Interference Device |
| 資料番号 | SCE2021-16 |
| 発行日 | 2022-01-14 (SCE) |
| 研究会情報 | |
| 研究会 | SCE |
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| 開催期間 | 2022/1/21(から1日開催) |
| 開催地（和） | オンライン開催 |
| 開催地（英） | Online |
| テーマ（和） | 超伝導エレクトロニクス一般 |
| テーマ（英） | |
| 委員長氏名（和） | 水柿 義直(電通大) |
| 委員長氏名（英） | Yoshio Mizugaki(Univ. of Electro-Comm.) |
| 副委員長氏名（和） | |
| 副委員長氏名（英） | |
| 幹事氏名（和） | 藤井 剛(産総研) / 小野美 武(福岡工大) |
| 幹事氏名（英） | Go Fujii(AIST) / Takeshi Onomi(Fukuoka Inst. of Tech) |
| 幹事補佐氏名（和） | 赤池 宏之(大同大) |
| 幹事補佐氏名（英） | Hiroyuki Akaike(Daido Univ.) |
| 講演論文情報詳細 | |
| 申込み研究会 | Technical Committee on Superconductive Electronics |
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| 本文の言語 | JPN |
| タイトル（和） | 厚い三層メンブレンを用いた超伝導転移端ガンマ線マイクロカロリメータの熱特性とマイクロ波多重読出 |
| サブタイトル（和） | |
| タイトル（英） | Gamma-ray transition edge sensors with a thick-trilayer membrane; Thermal Property & Microwave Multiplexing |
| サブタイトル（和） | |
| キーワード(1)（和/英） | 超伝導転移端マイクロカロリメータ / Transition-Edge Sensor |
| キーワード(2)（和/英） | ガンマ線分光 / Gamma-ray Spectroscopy |
| キーワード(3)（和/英） | 三層メンブレン / Trilayer Membrane |
| キーワード(4)（和/英） | 熱コンダクタンス / Thermal Conductance |
| キーワード(5)（和/英） | マイクロ波共振器 / Microwave Resonator |
| キーワード(6)（和/英） | 超伝導量子干渉計 / Superconducting Quantum Interference Device |
| 第 1 著者 氏名（和/英） | 菊地 貴大 / Takahiro Kikuchi |
| 第 1 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 2 著者 氏名（和/英） | 藤井 剛 / Go Fujii |
| 第 2 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 3 著者 氏名（和/英） | 早川 亮太 / Ryota Hayakawa |
| 第 3 著者 所属（和/英） | 東京都立大学(略称：都立大) Tokyo Metropolitan University(略称：TMU) |
| 第 4 著者 氏名（和/英） | ライアン スミス / Ryan Smith |
| 第 4 著者 所属（和/英） | 東京大学(略称：東大) University of Tokyo(略称：UTokyo) |
| 第 5 著者 氏名（和/英） | 平山 文紀 / Fuminori Hirayama |
| 第 5 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 6 著者 氏名（和/英） | 佐藤 泰 / Yasushi Sato |
| 第 6 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 7 著者 氏名（和/英） | 神代 暁 / Satoshi Kohjiro |
| 第 7 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 8 著者 氏名（和/英） | 浮辺 雅宏 / Masahiro Ukibe |
| 第 8 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 9 著者 氏名（和/英） | 大野 雅史 / Masashi Ohno |
| 第 9 著者 所属（和/英） | 東京大学(略称：東大) University of Tokyo(略称：UTokyo) |
| 第 10 著者 氏名（和/英） | 佐藤 昭 / Akira Sato |
| 第 10 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 11 著者 氏名（和/英） | 山森 弘毅 / Hirotake Yamamori |
| 第 11 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 発表年月日 | 2022-01-21 |
| 資料番号 | SCE2021-16 |
| 巻番号（vol） | vol.121 |
| 号番号（no） | SCE-340 |
| ページ範囲 | pp.22-27(SCE), |
| ページ数 | 6 |
| 発行日 | 2022-01-14 (SCE) |