[论文解读] Characterization of High Aspect-Ratio TiAu TES X-ray Microcalorimeter Array Under AC Bias

E. Taralli, L. Gottardi+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Superconducting and THz Device Technology参考文献 10被引用 5

一句话总结

本研究表征了在交流偏置下高长宽比的TiAu过渡边缘传感器（TES）X射线微热量计，展示了在1–5 MHz偏置频率范围内，5.9 keV能量下的标称能量分辨率可达2.5 eV。这些器件采用1:1至6:1的长宽比，在5×5混合阵列中制造，实现了迄今为止欧洲报道的最佳TES性能，满足X-IFU任务及未来X射线科学应用的需求。

ABSTRACT

We are developing X-ray microcalorimeters as a backup option for the baseline detectors in the X-IFU instrument on board the ATHENA space mission led by ESA and to be launched in the early 2030s.5$ imes$5 mixed arrays with TiAu transition-edge sensor (TES), which have different high aspect ratios and thus high resistances, have been designed and fabricated to meet the energy resolution requirement of the X-IFU instrument. Such arrays can also be used to optimise the performance of the Frequency Domain Multiplexing (FDM) readout and lead to the final steps for the fabrication of a large detector array. In this work we present the experimental results from tens of the devices with an aspect ratio (length-to-width) ranging from 1-to-1 up to 6-to-1, measured in a single-pixel mode with a FDM readout system developed at SRON/VTT. We observed a nominal energy resolution of about 2.5 eV at 5.9 keV at bias frequencies ranging from 1 to 5 MHz. These detectors are proving to be the best TES microcalorimeters ever reported in Europe, being able to meet not only the requirements of the X-IFU instrument, but also those of other future challenging X-ray space missions, fundamental physics experiments, plasma characterization and material analysis.

研究动机与目标

• 为欧空局（ESA）的ATHENA任务中的X-IFU仪器开发高性能TiAu TES X射线微热量计作为备份方案。
• 通过改变长宽比和电阻，优化用于频域复用（FDM）读出的探测器阵列。
• 满足未来X射线空间任务和基础物理实验的严格能量分辨率要求。
• 证明在高长宽比下大规模TAS阵列制造的一致性性能可行性。

提出的方法

• 在1:1至6:1的长宽比范围内，制造5×5混合阵列的TiAu过渡边缘传感器，以实现高电阻和改进的热隔离。
• 在1至5 MHz的频率范围内施加交流偏置，以实现频域复用（FDM）读出。
• 使用SRON/VTT开发的专用FDM读出系统，进行单像素模式测量。
• 在全部偏置频率和长宽比范围内，测量5.9 keV处的能量分辨率。
• 表征热响应和电响应，以评估性能稳定性和能量分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1至5 MHz的频率范围内，高长宽比的TiAu TES微热量计在交流偏置下可实现多高的能量分辨率？
• RQ2 提高长宽比（长宽比）如何影响TiAu TES器件的性能和能量分辨率？
• RQ3 FDM读出系统能否有效复用具有不同长宽比的高电阻TAS阵列的信号？
• RQ4 所制造的器件是否满足ATHENA任务中X-IFU仪器的能量分辨率要求？
• RQ5 这些探测器能否作为未来X射线空间任务和高精度物理实验的可行解决方案？

主要发现

• TiAu TES微热量计在5.9 keV处实现了2.5 eV的标称能量分辨率，展示了最先进的性能。
• 能量分辨率在1至5 MHz的偏置频率范围内保持稳定，表明在交流偏置下具有鲁棒性。
• 长宽比高达6:1的器件表现出一致的性能，证实了该设计的可扩展性。
• 结果证实，这些探测器满足ATHENA任务中X-IFU仪器的严格能量分辨率要求。
• 这些器件代表了迄今为止欧洲报道的最佳TES微热量计性能，适用于未来的X射线空间任务和精密实验。