钼基TES微量能器的性能研究

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普遍存在于空间中的1/4keV能段软X射线背景辐射(1/4keV diffuse soft X-ray background简称DXRB)是X射线天文学的早期发现之一。Cox和Cravens等人认为其中的一个主要来源是太阳风中的重离子与星际气体中的氢和氦进行的电荷交换(Solar Wind Charge Exchange简称SWCX)产生的辐射。由于1/4keV能量附近的元素发射线众多,探测器需要具有1-2eV的能量分辨方能将这些发射线区分开来。X射线量子量能器(X-Ray Quantum Calorimeter简称XQC)探空火箭实验组的Morgan等人为了研究SWCX在DXRB中所占的比例,设计了一套基于钼金超导转变边缘探测器(Mo/Au Transition Edge Sensor简称Mo/Au TES)的微量能器。由于探空火箭实验的观测时间很短,为了收集到更多的X射线光子,该TES微量能器的吸收体面积很大,而大的吸收体面积导致TES微量能器的能量分辨率较低,经过戈达特飞行中心的初步测试,它的能量分辨率约为6eV,未能满足观测要求。  Sadleir等人提出了一种通过磁场调制提高TES微量能器能量分辨率的方法,并给出了0.3eV@1500eV的理论预期值,这为得到一种有较大吸收体面积的高能量分辨率TES微量能器提供了可能。因此,理解TES基础物理对提高TES微量能器的能量分辨率十分重要。弱连接模型(Weak Link)和相位跳变模型(Phase Slip Line简称PSL)是目前两个可以较好描述TES部分行为的模型,前者能较好解释尺寸较小的TES行为,后者能较好解释较大尺寸TES的行为。  本论文利用实验数据对这两种模型进行检验。为此,我们设计加工了用于TES微量能器测试的样品盒,对来自Micro-X及XQC探空火箭实验组的Mo/Au TES微量能器进行测试。从Micro-X和XQC探空火箭实验组的TES微量能器测量结果中,既可以看到TES弱连接模型预言的类夫琅和费衍射条纹,也可以看到PSL模型预言的电压跳变现象,但是这两个模型均不能很好的拟合测量的数值结果。因为无法使用这两个模型定量的指导和预测探测器的行为,所以需要用实测数据来指导探测器的设计和工作点的选取。本论文提出通过直接测量TES电阻随电压、温度、磁场变化的关系,计算出TES在每一个工作状态下的电阻温度系数(α)和电阻电流系数(β),再得到在每个工作状态下的能量分辨率。该方法可以在较短时间内给出TES微量能器在电阻、电压、温度、磁场四个维度下所有工作点的能量分辨率,为将来的TES微量能器的研制和测量工作提供了有用参考。
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