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宇宙Ｘ線観測を目指した マグネティックカロリメータの研究

宇宙Ｘ線観測を目指した マグネティックカロリメータの研究. 宇宙物理実験研究室 佐藤浩介. 5.5 MeV の α 線. ・マグネティックカロリメータの原理 ・素子の製作と評価 ・信号検出過程とその解釈 ・今後の見通し. 日本初パルス！. 80 mK, 0.1 mT. 7 mV. 250 μs. マグネティックカロリメータ（ＭＣ）の原理. 常磁性体 磁気センサー （磁化 M ）. 磁場. 磁化： M 、温度： T 、 エネルギー： E 、熱容量： C. T. ＭＣの利点と困難な点. ・ 高エネルギー分解能.

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宇宙Ｘ線観測を目指した マグネティックカロリメータの研究

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  1. 宇宙Ｘ線観測を目指した マグネティックカロリメータの研究 宇宙物理実験研究室 佐藤浩介 5.5 MeV のα線 ・マグネティックカロリメータの原理 ・素子の製作と評価 ・信号検出過程とその解釈 ・今後の見通し 日本初パルス！ 80 mK, 0.1 mT 7 mV 250 μs

  2. マグネティックカロリメータ（ＭＣ）の原理 常磁性体 磁気センサー （磁化M） 磁場 磁化：M、温度：T、 エネルギー：E、熱容量：C T

  3. ＭＣの利点と困難な点 ・高エネルギー分解能 ＭＣの世界記録 ΔE～3.4 eV@ 6 keV 半導体検出器・・ ΔE～120 eV @ 6keV Enss et al. (2000) Fleischmann et al. (2003) 340 eV @ 122 keV ・広いエネルギー範囲にわたって使用可能 ・比較的大きな素子がつくり易い（ ΔE ∝C1/3、TESは∝C1/2） ・磁気バイアスを用いるので、バイアス配線が不要。 ＳＱＵＩＤは磁場に弱い ・スピン系の熱緩和が遅い 磁性体（エルビウム）を金属（金）で希釈し熱化を速める

  4. 磁気センサー（Au:Er系）の特徴 センサーに要求される特徴 ・磁性体には、RKKY相互作用などの 　要求から４ｆ系元素が望ましい。 ・磁性体を希釈するものとしては熱伝導　　がよく、熱化が速いもの 　⇒金属 or 準金属 　⇒文献も多いことから、Au:Er系とする。 Erのエネルギー準位 エネルギー　E 磁場　B Ｅｒ ： エルビウム ４ｆ系元素 全角運動量の量子数 ＆ 磁気モーメント Ｅｒ ３＋ ： Ｊ = 15 / 2　⇒　16 準位 　⇒今は実質　２準位

  5. Au:Er素子の製作と評価 0.4 mm 0.4 mm 5 mm 厚さ 0.3 mm 溶融前 Au:Er 2 mm 溶融した後、 叩いて延ばして分割 2 mm 素子#34 都立大共用rf-SQUIDで測定 赤外線加熱器 磁化（emu） 再び叩いて分割 濃度 ～ 3000 ppm 厚さ 0.08 mm 磁場（×250 mT） # 34

  6. 実験装置とセットアップ 0.4 mm ワニスで貼り付けた ゲルマニウム 　　温度計 0.4 mm 2 cm 厚さ 0.08 mm 120 cm 0.8 mm 3 cm 5.5 MeVのAm241α線源 　希釈冷凍機 （1 Aで10 mTの 磁場を印加可能） ピックアップコイル 20 巻き 素子台は真鍮製

  7. 信号の読み出し系 T = 0.1 K 1 K SQUIDアレイ ΔＶ ΔM Linput ピックアップ コイル Ｖ 電流 i Mmutual Lline 磁化変化⇒SQUID Linput190 nH Lline10 nH Mmutual58 pH ・回路に直列抵抗Rs（1.78 mΩ）を入れて、 信号の時定数を調整（～200 μｓ） 。 ・現状では伝達効率は悪い。 Φ：磁束、M：相互インダクタンス、L：自己インダクタンス

  8. 予想される出力 T = 80 mK の時に予想される 磁場と出力の大きさの関係 磁化：M、温度：T、磁場：H、 エネルギー：E Erの熱容量Cspin Auの熱容量Chost Pulse Height (V) B (mT) 今回使用する素子は 3000 ppm であるので、 予想される出力は、温度80 mK、5.5 MeVのα線が入射してときに PHmax = 4 V@B= 2 mT

  9. 5.5 MeV のα線で温度Tと印加磁場Bを変化させて測定。 T=80, 120 mK、B=0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5 mT で信号取得。 ・線源なしの時は信号はでない。 ・磁場を反転させると、信号の極性が変わる。 ・信号の減衰の時定数が回路から予想されるものと一致。 ・カウントレートが予想（0.38 cts/s）とファクターで一致。 測定結果（１） 80 mK 0.1 mT 120 mK 0.1 mT 7 mV 250 μｓ 4 mV 250 μｓ 典型的な信号波形

  10. 測定結果（２） 2 ・エネルギースペクトル解析　・・・　今回は数百個貯めた信号波形を 　単純に積分することで、スペクトルを求めた。 　　⇒分解能は数MeV。 積分値 = 80 mK 0.1 mT

  11. 考察（１） ・80 mK-data ・120 mK-data -80 mK-250000 ppm -120 mK-250000 ppm • 80 mK-3000 ppm • ･80 mK-data • ･120 mK-data Pulse Height (mV) Pulse Height (mV) B (mT) B (mT) 磁場とモデルの磁場依存性から予想される濃度⇒　250000 ppm ただし、波高値に関しては、1/4000 程度に規格化してある。 80 mKと120 mKとの波高値の比 得られたデータ、モデルとも～ 2程度で一致している。

  12. 考察（２） ・波高値が見積もりより小さい⇒比熱が大きい？ 　同位体Ｅｒ１６７（組成比～23%）が核スピンI = 7/2を持つ ので、比熱が大きい。⇒２５００倍。 ・Ｅｒの濃度が高い⇒RKKY相互作用でスピンが変化しにくい。 -ゼロ磁場の時のErの比熱 -金の電子比熱 -濃度3000 ppm、磁場1 mT、 の時のErの磁気比熱 -Erの電子比熱 2500 倍

  13. 成果 Au:Er素子を製作し、評価をおこなった。 5.5 MeVのα線に対して信号波形を検出した。 （日本初。世界でも３番目） 課題 信号が見積もりよりもはるかに小さい。 素子の均一性や、濃度の決定に不定要素が多い。 SQUIDへの伝達効率が非常に悪い。 素子関連 Au:Er素子の製作を蒸着装置を用いて行うことと、メーカーに発注することを並行して検討中。 166Er（核スピンなし)のみを用いた素子を製作 SQUID 磁場に強く、現在のものよりも１００倍伝達効率 のよいグラジオメータタイプのものを評価中。 まとめと課題 6 mm 3 mm

  14. 質問対策

  15. 素子関連 Au:Er素子の製作を蒸着装置を用いて行うことと、 メーカーに発注することを並行して検討中。 SQUID 磁場に強く、現在のものよりも１００倍伝達効率のよい グラジオメータタイプのものを評価中。 将来に向けて 6 mm 3 mm

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