We present results obtained with a new soft X-ray spectrometer based on transition-edge sensors (TESs) composed of Mo/Cu bilayers coupled to bismuth absorbers. This spectrometer simultaneously provides excellent energy resolution, high detection efficiency, and broadband spectral coverage. The new spectrometer is optimized for incident X-ray energies below 2 keV. Each pixel serves as both a highly sensitive calorimeter and an X-ray absorber with near unity quantum efficiency. We have commissioned this 240-pixel TES spectrometer at the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource beamline 10-1 (BL 10-1) and used it to probe the local electronic structure of sample materials with unprecedented sensitivity in the soft X-ray regime. As mounted, the TES spectrometer has a maximum detection solid angle of 2 × 10−3 sr. The energy resolution of all pixels combined is 1.5 eV full width at half maximum at 500 eV. We describe the performance of the TES spectrometer in terms of its energy resolution and count-rate capability and demonstrate its utility as a high throughput detector for synchrotron-based X-ray spectroscopy. Results from initial X-ray emission spectroscopy and resonant inelastic X-ray scattering experiments obtained with the spectrometer are presented.

1.
F.
De Groot
and
A.
Kotani
,
Core Level Spectroscopy of Solids
(
CRC Press
,
2008
).
2.
J.
Stöhr
,
NEXAFS Spectroscopy
(
Springer Science & Business Media
,
2013
), Vol. 25.
3.
R.
Mitzner
,
J.
Rehanek
,
J.
Kern
,
S.
Gul
,
J.
Hattne
,
T.
Taguchi
,
R.
Alonso-Mori
,
R.
Tran
,
C.
Weniger
,
H.
Schröder
 et al.,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
3641
(
2013
).
4.
E.
Proietti
,
F.
Jaouen
,
M.
Lefèvre
,
N.
Larouche
,
J.
Tian
,
J.
Herranz
, and
J.-P.
Dodelet
,
Nat. Commun.
2
,
416
(
2011
).
5.
J.-M.
Tarascon
and
M.
Armand
,
Materials for Sustainable Energy: A Collection of Peer-Reviewed Research and Review Articles from Nature Publishing Group
(
World Scientific
,
2011
), pp.
171
179
.
6.
A.
Vailionis
,
G.
Glass
,
P.
Desjardins
,
D. G.
Cahill
, and
J.
Greene
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
4464
(
1999
).
7.
P.
Fons
,
H.
Tampo
,
A. V.
Kolobov
,
M.
Ohkubo
,
S.
Niki
,
J.
Tominaga
,
R.
Carboni
,
F.
Boscherini
, and
S.
Friedrich
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
045504
(
2006
).
8.
L.
Zhao
,
R.
He
,
K. T.
Rim
,
T.
Schiros
,
K. S.
Kim
,
H.
Zhou
,
C.
Gutiérrez
,
S.
Chockalingam
,
C. J.
Arguello
,
L.
Pálová
 et al.,
Science
333
,
999
(
2011
).
9.
K.
Siegbahn
,
C.
Nordling
,
G.
Johansson
,
J.
Hedman
,
P.-F.
Heden
,
K.
Hamrin
,
U.
Gelius
,
T.
Bergmark
,
L. O.
Werme
,
R.
Manne
, and
Y.
Baer
,
ESCA Applied to Free Molecules
(
North-Holland
,
1970
).
10.
A.
Kotani
and
S.
Shin
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
203
(
2001
).
11.
A.
Nilsson
and
L. G. M.
Pettersson
,
Surf. Sci. Rep.
55
,
49
(
2004
).
12.
M.
Dell’Angela
,
T.
Anniyev
,
M.
Beye
,
R.
Coffee
,
A.
Föhlisch
,
J.
Gladh
,
T.
Katayama
,
S.
Kaya
,
O.
Krupin
,
J.
LaRue
 et al.,
Science
339
,
1302
(
2013
).
13.
P.
Wernet
,
K.
Kunnus
,
I.
Josefsson
,
I.
Rajkovic
,
W.
Quevedo
,
M.
Beye
,
S.
Schreck
,
S.
Grübel
,
M.
Scholz
,
D.
Nordlund
 et al.,
Nature
520
,
78
(
2015
).
14.
J.
Nordgren
and
R.
Nyholm
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
246
,
242
(
1986
).
15.
Y.-D.
Chuang
,
Y.-C.
Shao
,
A.
Cruz
,
K.
Hanzel
,
A.
Brown
,
A.
Frano
,
R.
Qiao
,
B.
Smith
,
E.
Domning
,
S.-W.
Huang
 et al.,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
013110
(
2017
).
16.
A.
Hafner
,
L.
Anklamm
,
A.
Firsov
,
A.
Firsov
,
H.
Löchel
,
A.
Sokolov
,
R.
Gubzhokov
, and
A.
Erko
,
Opt. Express
23
,
29476
(
2015
).
17.
Z.
Yin
,
H.
Löchel
,
J.
Rehanek
,
C.
Goy
,
A.
Kalinin
,
A.
Schottelius
,
F.
Trinter
,
P.
Miedema
,
A.
Jain
,
J.
Valerio
 et al.,
Opt. Lett.
43
,
4390
(
2018
).
18.
F.
Marschall
,
Z.
Yin
,
J.
Rehanek
,
M.
Beye
,
F.
Döring
,
K.
Kubiček
,
D.
Raiser
,
S. T.
Veedu
,
J.
Buck
,
A.
Rothkirch
 et al.,
Sci. Rep.
7
,
8849
(
2017
).
19.
T.
Tokushima
,
Y.
Horikawa
, and
S.
Shin
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
073108
(
2011
).
20.
K.
Irwin
and
G.
Hilton
, “
Transition-edge sensors
,” in
Cryogenic Particle Detection
, edited by
C.
Enss
(
Springer Berlin Heidelberg
,
Berlin, Heidelberg
,
2005
), pp.
63
150
.
21.
W. B.
Doriese
,
P.
Abbamonte
,
B. K.
Alpert
,
D.
Bennett
,
E.
Denison
,
Y.
Fang
,
D.
Fischer
,
C.
Fitzgerald
,
J.
Fowler
,
J.
Gard
 et al.,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
053108
(
2017
).
22.
J.
Uhlig
,
W.
Doriese
,
J.
Fowler
,
D.
Swetz
,
C.
Jaye
,
D.
Fischer
,
C.
Reintsema
,
D.
Bennett
,
L.
Vale
,
U.
Mandal
 et al.,
J. Synchrotron Radiat.
22
,
766
(
2015
).
23.
R.
Qiao
,
Q.
Li
,
Z.
Zhuo
,
S.
Sallis
,
O.
Fuchs
,
M.
Blum
,
L.
Weinhardt
,
C.
Heske
,
J.
Pepper
,
M.
Jones
 et al.,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
033106
(
2017
).
24.
J.
Bufon
,
S.
Schillani
,
M.
Altissimo
,
P.
Bellutti
,
G.
Bertuccio
,
F.
Billè
,
R.
Borghes
,
G.
Borghi
,
G.
Cautero
,
D.
Cirrincione
 et al.,
J. Instrum.
13
,
C03032
(
2018
).
25.
M. O.
Krause
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
8
,
307
(
1979
).
26.
W. B.
Doriese
,
J.
Adams
,
G.
Hilton
,
K.
Irwin
,
C.
Kilbourne
,
F.
Schima
, and
J.
Ullom
,
AIP Conf. Proc.
1185
,
450
453
(
2009
).
27.
J.
Chervenak
,
K. D.
Irwin
,
E. N.
Grossman
,
J. M.
Martinis
,
C. D.
Reintsema
, and
M.
Huber
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
4043
(
1999
).
28.
J. N.
Ullom
and
D. A.
Bennett
,
Supercond. Sci. Technol.
28
,
084003
(
2015
).
29.
W. B.
Doriese
,
K. M.
Morgan
,
D. A.
Bennett
,
E. V.
Denison
,
C. P.
Fitzgerald
,
J. W.
Fowler
,
J. D.
Gard
,
J. P.
Hays-Wehle
,
G. C.
Hilton
,
K. D.
Irwin
 et al.,
J. Low Temp. Phys.
184
,
389
(
2016
).
30.
C. D.
Reintsema
,
J.
Beyer
,
S. W.
Nam
,
S.
Deiker
,
G. C.
Hilton
,
K.
Irwin
,
J.
Martinis
,
J.
Ullom
,
L. R.
Vale
, and
M.
MacIntosh
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
4500
(
2003
).
31.
W. B.
Doriese
,
J. A.
Beall
,
W.
Duncan
,
L.
Ferreira
,
G. C.
Hilton
,
K. D.
Irwin
,
C. D.
Reintsema
,
J. N.
Ullom
,
L. R.
Vale
, and
Y.
Xu
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
559
,
808
(
2006
).
32.
K. R.
Boyce
,
M. D.
Audley
,
R. G.
Baker
,
J. J.
Dumonthier
,
R.
Fujimoto
,
K. C.
Gendreau
,
Y.
Ishisaki
,
R. L.
Kelley
,
C. K.
Stahle
,
A. E.
Szymkowiak
 et al.,
Proc. SPIE
3765
,
741
751
(
1999
).
33.
J. W.
Fowler
,
B. K.
Alpert
,
W. B.
Doriese
,
J.
Hays-Wehle
,
Y.-I.
Joe
,
K. M.
Morgan
,
G. C.
O’Neil
,
C.
Reintsema
,
D. R.
Schmidt
,
J.
Ullom
 et al.,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
27
,
1
(
2016
).
34.
J. W.
Fowler
,
B. K.
Alpert
,
W. B.
Doriese
,
Y.-I.
Joe
,
G. C.
O’Neil
,
J. N.
Ullom
, and
D. S.
Swetz
,
J. Low Temp. Phys.
184
,
374
(
2016
).
35.
D.
Yan
,
R.
Divan
,
L. M.
Gades
,
P.
Kenesei
,
T. J.
Madden
,
A.
Miceli
,
J.-S.
Park
,
U. M.
Patel
,
O.
Quaranta
,
H.
Sharma
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
111
,
192602
(
2017
).
36.
J.
Fowler
,
B.
Alpert
,
D.
Bennett
,
W.
Doriese
,
J.
Gard
,
G.
Hilton
,
L.
Hudson
,
Y.
Joe
,
K.
Morgan
,
G.
O’Neil
 et al.,
Metrologia
54
,
494
(
2017
).
37.
N.
Ketabi
,
T.
de Boer
,
M.
Karakaya
,
J.
Zhu
,
R.
Podila
,
A. M.
Rao
,
E. Z.
Kurmaev
, and
A.
Moewes
,
RSC Adv.
6
,
56721
(
2016
).
38.
K.
Kunnus
,
L.
Li
,
M.
Reinhard
,
K.
Ledbetter
,
K.
Kjaer
,
S.
Koroidov
,
K.
Hong
,
E.
Biasin
,
C.
Titus
,
S. J.
Lee
 et al., “
Solvation effects in ultrafast intramolecular electron back-transfer in molecular Fe-based photosensitizers
,” in
XXI International Conference on Ultrafast Phenomena
,
2018
.
39.
S.
Sainio
,
N.
Wester
,
C. J.
Titus
,
Y.
Liao
,
Q.
Zhang
,
D.
Nordlund
,
D.
Sokaras
,
S.-j.
Lee
,
K. D.
Irwin
,
W. B.
Doriese
 et al.,
J. Phys. Chem. C
123
,
6114
(
2019
).
40.
C. J.
Titus
,
M. L.
Baker
,
S. J.
Lee
,
H.-M.
Cho
,
W. B.
Doriese
,
J. W.
Fowler
,
K.
Gaffney
,
J. D.
Gard
,
G. C.
Hilton
,
C.
Kenney
 et al.,
J. Chem. Phys.
147
,
214201
(
2017
).
41.
R.
Golnak
,
J.
Xiao
,
K.
Atak
,
I.
Unger
,
R.
Seidel
,
B.
Winter
, and
E. F.
Aziz
,
J. Phys. Chem. A
120
,
2808
(
2016
).
42.
A.
Achkar
,
T.
Regier
,
H.
Wadati
,
Y.-J.
Kim
,
H.
Zhang
, and
D.
Hawthorn
,
Phys. Rev. B
83
,
081106
(
2011
).
43.
M.
Van Schooneveld
and
S.
DeBeer
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
198
,
31
(
2015
).
44.
S.
Li
,
S.-J.
Lee
,
X.
Wang
,
W.
Yang
,
H.
Huang
,
D. S.
Swetz
,
W. B.
Doriese
,
G. C.
O’Neil
,
J. N.
Ullom
,
C. J.
Titus
 et al.,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
12079
(
2019
).
45.
D.
Li
,
B.
Alpert
,
D.
Becker
,
D.
Bennett
,
G.
Carini
,
H.-M.
Cho
,
W.
Doriese
,
J.
Dusatko
,
J.
Fowler
,
J.
Frisch
 et al.,
J. Low Temp. Phys.
193
,
1287
(
2018
).
46.
J.
Hays-Wehle
,
D.
Schmidt
,
J.
Ullom
, and
D.
Swetz
,
J. Low Temp. Phys.
184
,
492
(
2016
).
47.
K.
Morgan
,
D.
Becker
,
D. A.
Bennet
,
R.
Dorisee
,
J. D.
Gard
,
K.
Irwin
,
S. J.
Lee
,
D.
Li
,
J.
Mates
,
C.
Pappas
 et al.,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
29
,
2100605
(
2019
).
48.
J.
Mates
,
D. T.
Becker
,
D. A.
Bennett
,
B.
Dober
,
J.
Gard
,
J.
Hays-Wehle
,
J.
Fowler
,
G.
Hilton
,
C.
Reintsema
,
D.
Schmidt
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
111
,
062601
(
2017
).
49.
S. W.
Henderson
,
Z.
Ahmed
,
J.
Austermann
,
D.
Becker
,
D. A.
Bennett
,
D.
Brown
,
S.
Chaudhuri
,
H.-M. S.
Cho
,
J. M.
D’Ewart
,
B.
Dober
 et al.,
Proc. SPIE
10708
,
1070819
(
2018
).
50.
J.
Gard
,
D.
Becker
,
D.
Bennett
,
J.
Fowler
,
G.
Hilton
,
J.
Mates
,
C.
Reintsema
,
D.
Schmidt
,
D.
Swetz
, and
J.
Ullom
,
J. Low Temp. Phys.
193
,
485
(
2018
).
51.
C. J.
Titus
,
D.
Li
,
B. K.
Alpert
,
H.-M.
Cho
,
J. W.
Fowler
,
S.-J.
Lee
,
K. M.
Morgan
,
D. S.
Swetz
,
J. N.
Ullom
,
A.
Wessels
 et al., “
Count rate optimizations for TES detectors at a femtosecond X-ray laser
,”
J. Low Temp. Phys.
(submitted).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.