Development of High-Speed X-ray Imager using 10Gb Ethernet Transmission Data Acquisition System
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21K14174
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
西村 龍太郎 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別助教 (00828189)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | X線イメージング / 半導体検出器 / SOIPIX / 二次元検出器 / DAQ / 検出器 / データ収集システム / 10Gb Ethernet |
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| Outline of Research at the Start |
放射光における3次元X線CTイメージング実験のようなX線を用いた撮像は物体の内部構造を非破壊で知る有力な手段であるが、実施には高精細、大面積、高フレームレート撮像が必要となるため、これに対応するデータ収集システムの開発が必要となる。
そこで、Silicon-On-Insulator(SOI)技術を用いたセンサー・読出し回路が一体化されたモノリシック構造の二次元半導体X線検出器であるSOIピクセル検出器と、10Gb Ethernetをベースとした新たなデータ収集システムを組み合わせたX線イメージャーを開発し、高精細・大面積・高フレームレート撮像と柔軟なセットアップを両立した測定システムを開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題においては、二次元半導体検出器であるSOIピクセル検出器INTPIX4NAを用いたX線イメージャの開発を目指している。このINTPIX4NAは17um正方画素を832×512ピクセル搭載した有効視野14×9mmの検出器であり、5-20keVの範囲のX線に対して高い解像特性を持つことから、申請者の所属するKEK放射光施設に置いても期待される検出器の一つである。放射光施設での利用が可能なX線イメージャの完成に向けて、本課題では高速読み出しに対応するデータ収集システム基板とINTPIX4NA検出器のX線イメージャ用基板を開発し、これらを統合したカメラパッケージの構築を進めている。
昨年度までの実施内容として、以下の項目を実施済みである。(1)10GbE対応データ収集基板を用いたX線イメージャの設計を進めた。(2)検出器制御に用いる10GbE対応データ収集基板について、動作検証を実施し、検証内容を基に一部改修・追加基板の開発を行った。(3)INTPIX4NAを1素子搭載した、真空容器内での冷却に対応するX線イメージャ用基板を開発した。(4)検出器基板・冷却容器の開発を行った。(5)開発した10GbE対応データ収集基板・INTPIX4NA検出器基板・冷却容器を用いた撮像試験を実施し、本検出器の特性が発揮される低強度のエネルギー領域5-20keVのX線を用いる光学系における有効性を確認した。(6)得られた試験結果を基にノイズ特性の改善、利便性の向上のための方策を検討した。
以上を踏まえ、今年度に実施した研究実績は以下の通りである。
(1)ノイズ特性の改善のため、電源回路の再設計を行った。(2)開発したX線イメージャの応用展開に向けて、放射光施設の実験ステーションを用いた撮像試験を実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で開発するX線イメージャはINTPIX4NAを1素子搭載した小型検出器基板と冷却用真空容器、FPGA基板ベース10GbE対応データ収集基板を組み合わせたものである。
FPGA基板ベース10GbE対応データ収集基板については課題期間開始以前より開発を開始し、昨年度までに実施した検証の結果、検出器の性能上限である350Hzでの連続撮像の実現など、概ね意図した動作を得られている。また、昨年度開発を行ったノイズ対策済み電源基板については、本年度において更なる電源系へのノイズ対策及び必要な電源系周辺機器の構成最小化を図るための設計改良を実施した。
検出器搭載基板については真空容器内で冷却し、フィードスルーを経由して大気中のデータ収集基板と接続する構成であるが、昨年度から今年度にかけてセットアップの調整・制御の詳細条件を洗い出し、この構成において検出器温度を-15～-20℃の範囲での安定した冷却を実現した。
昨年度から今年度にかけては本X線イメージャによる撮像試験をKEK放射光施設において実施し、本検出器の特性が発揮される低強度のエネルギー領域5-15keVのX線を用いる光学系における有効性を確認した。本年度は本X線イメージャの応用展開に向けて放射光施設内の実験ステーションにおいて試料撮像等の応用試験を進めており、実験セットアップの工夫・改良は必要であるものの、比較的良好な結果を得ている。
現時点において、以上の進捗は計画に対しておおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は昨年度に引き続き、X線イメージャに必要となる各構成要素を統合したシステム全体での性能評価を実施とブラッシュアップを実施した。また、X線イメージャの応用展開を進めるため、試料撮像等の撮像試験を実施した、
現時点において、本課題で当初設定した目標は概ね計画通り進めることが出来ていると考えており、次年度は応用展開に重点を置いて更なる計画の発展・高度化を進める方針である。
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Report
(3 results)
Research Products
(17 results)
