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Axion search experiments from ground and space with new X-ray pixel detectors

Publicly Offered Research

Project AreaWhat is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
Project/Area Number 21H05461
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

鶴 剛  京都大学, 理学研究科, 教授 (10243007)

Project Period (FY) 2021-09-10 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywordsアクシオン / 暗黒物質 / SOIPIX / X線 / X線
Outline of Research at the Start

申請者独自の「イベント駆動型X線SOIPIX」を用いる2つのアクシオン探索実験,すなわちテーブルトップ型の「ISAI実験」と,次世代硬X線衛星FORCEによる「ALPINE観測」を開始する. それぞれの実験は原子核または光子との相互作用に特化しており,相互作用の混合の不定性が無い.ISAI実験で従来を超える感度でアクシオンを探索し,アクシオンの質量や原子核との相互作用の強さに対し,過去最高の制限をつける.さらにISAI実験で得た知見から,衛星搭載用SOIPIXの高性能化を行い,FORCE衛星とALPINE観測の実現性を高める.

Outline of Annual Research Achievements

2020年6月,XENON1T実験より太陽アクシオン起源と解釈可能な信号が初めて得られた.アクシオン以外の可能性も残るが,アクシオン起源であった場合には,電子,光子,原子核それぞれとの相互作用の混合と解釈される.アクシオンの背後の物理を探るには,相互作用ごとに特化した測定が喫緊である.そこで独自の「イベント駆動型X線SOIPIX」を用いる2つの実験,テーブルトップ型の「ISAI実験」と次世代硬X線衛星FORCEによる「ALPINE観測」を開始する.それぞれの実験は原子核または光子との相互作用に特化しており,混合の不定性が無い.ISAI実験で従来を超える感度でアクシオンを探索し,アクシオンの質量や原子核との相互作用の強さに対し,過去最高の制限をつける.さらにISAI実験で得た知見から,衛星搭載用SOIPIXの高性能化を行い,FORCE衛星とALPINE観測の実現性を高める.2年間の研究実績として,(1) 本研究開始前までに行っていた全体の構成の検討をさらに進め,それぞれのコンポーネントの間のインターフェースを決定した.(2)実験に必要な装置の導入を行った.すなわち,低温動作させ暗電流を抑えるために必要な恒温槽,太陽アクシオンの標的となるFe-57箔,必要なイベント駆動型X線SOIPIXの確保,読み出し回路基板の確保, アクティブシールドの部材の製造などである.別途確保した科研費で,カメラ部の無酸素銅やFe-57箔フォルダの製造も行った.(3) SOIPIX素子の性能向上にもつとめ,アナログ出力波形の改善を行った新しい大型素子XRPIX-Xの製造を行った.以上の開発研究から,コミッショニングに必要な準備は終了することができた.これが本研究の実績である.本研究に引き続き,同じ学術変革領域の公募研究として新たに採択されたので,太陽アクシオン観測を開始する.

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (57 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 6 results) Presentation (47 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Discovery of Year-scale Time Variability from Thermal X-Ray Emission in Tycho’s Supernova Remnant2022

    • Author(s)
      Matsuda Masamune、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Yamaguchi Hiroya、Tsuru Takeshi Go
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 940 Issue: 2 Pages: 105-105

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac94cf

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Spatially resolved study of the SS?433/W?50 west region with Chandra: X-ray structure and spectral variation of non-thermal emission2022

    • Author(s)
      Kayama Kazuho、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Tsuru Takeshi Go、Sudoh Takahiro、Inoue Yoshiyuki、Khangulyan Dmitry、Tsuji Naomi、Yamamoto Hiroaki
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 74 Issue: 5 Pages: 1143-1156

    • DOI

      10.1093/pasj/psac060

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High-resolution X-ray study of supernova remnant J0453.6?6829 with unusually high forbidden-to-resonance ratio2022

    • Author(s)
      Koshiba Yosuke、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Amano Yuki、Sano Hidetoshi、Tsuru Takeshi Go
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 74 Issue: 4 Pages: 757-766

    • DOI

      10.1093/pasj/psac033

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Proton radiation damage tolerance of wide dynamic range SOI pixel detectors2022

    • Author(s)
      Tsunomachi Shun、Kohmura Takayoshi、Hagino Kouichi、Kitajima Masatoshi、Doi Toshiki、Aoki Daiki、Ohira Asuka、Shimizu Yasuyuki、Fujisawa Kaito、Yamazaki Shizusa、Uchida Yuusuke、Shimizu Makoto、Itoh Naoki、Arai Yasuo、Miyoshi Toshinobu、Nishimura Ryutaro、Tsuru Takeshi G.、Kurachi Ikuo
    • Journal Title

      Proc. SPIE

      Volume: 12191 Pages: 12191-12191

    • DOI

      10.1117/12.2629771

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Single event tolerance of x-ray silicon-on-insulator pixel sensors2022

    • Author(s)
      Hagino Kouichi、Hayashida Mitsuki、Kohmura Takayoshi、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Kitajima Masatoshi、Tsuru Takeshi G.、 et al.
    • Journal Title

      Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems

      Volume: 8 Issue: 04 Pages: 046001-046001

    • DOI

      10.1117/1.jatis.8.4.046001

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission2022

    • Author(s)
      Koji Mori, Takeshi G. Tsuru, Tetsu Kitayama (31番目), 他
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation

      Volume: 12181 Pages: 1218122-1218122

    • DOI

      10.1117/12.2628772

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the x-ray imaging and spectroscopy mission (XRISM)2022

    • Author(s)
      Mori Koji、Tomida Hiroshi、Nakajima Hiroshi、(他52名)
    • Journal Title

      Proceedings of the SPIE

      Volume: 12181 Pages: 11-11

    • DOI

      10.1117/12.2626894

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] X-ray radiation damage effects on double-SOI pixel detectors for the future astronomical satellite FORCE2022

    • Author(s)
      Kitajima Masatoshi、Hagino Kouichi、Kohmura Takayoshi、Hayashida Mitsuki、Oono Kenji、Negishi Kousuke、Yarita Keigo、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Tsuru Takeshi G.、et al.
    • Journal Title

      Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems

      Volume: 8 Issue: 02 Pages: 26007-26007

    • DOI

      10.1117/1.jatis.8.2.026007

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Proton radiation hardness of x-ray SOI pixel sensors with pinned depleted diode structure2021

    • Author(s)
      Hayashida Mitsuki、Hagino Kouichi、Kohmura Takayoshi、Kitajima Masatoshi、Yarita Keigo、Oono Kenji、Negishi Kousuke、Tsuru Takeshi G.、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Kayama Kazuho、Kodama Ryota、Mori Koji、Takeda Ayaki、Nishioka Yusuke、Hida Takahiro、Yukumoto Masataka、Arai Yasuo、Kurachi Ikuo、Kitamura Hisashi、etc
    • Journal Title

      Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems

      Volume: 7 Issue: 03 Pages: 036001-036001

    • DOI

      10.1117/1.jatis.7.3.036001

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 史上最大の恒星フレアの NICER とせいめい望遠鏡によるX線・Hα 線観測2023

    • Author(s)
      井上峻, 榎戸輝揚 (京大), 野津湧太 (コロラド大/東工大), 岩切渉 (千葉大), 前原裕之, 行方宏介 (NAOJ), 本田敏志 (兵庫県立大) 他
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      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 星周物質の X 線精密分光解析による超新星残骸 RCW 103 の親星推定2023

    • Author(s)
      成田拓仁, 内田裕之, 吉田敬, 鶴剛(京都大学), 田中孝明(甲南大学)
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      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 超新星残骸 G0.61+0.01 におけるジェット状爆発の観測的証拠の発見2023

    • Author(s)
      田中優貴子, 内田裕之, 松永海, 成田拓仁, 天野雄輝, 佳山一帆, 鶴剛, 前田啓一 (京都大), 田中孝明 (甲南大), 岡朋治 (慶應義塾大), 竹川俊也 (神奈川大)
    • Organizer
      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 超新星残骸 G359.0-0.9 の X 線解析による親星の質量制限2023

    • Author(s)
      松永海, 内田裕之, 成田拓仁(京都大学), 榎谷玲依(慶應義塾大学), 鶴剛(京都大学)
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      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (9)2023

    • Author(s)
      信川久実子 (近大), 森浩二 (宮崎大, ISAS/JAXA), 冨田洋 (ISAS/JAXA), 中嶋大 (関東学院大, ISAS/JAXA), 野田博文, 林田清 (阪大), 他 XRISM/Xtend チーム
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      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (15)2023

    • Author(s)
      森浩二, 武田彩希 (宮崎大), 村上弘志 (東北学院大), 他 FORCE WG
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      日本天文学会 2023春季年会
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  • [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 56:MeV ガンマ線観測への応用 に向けた SOI ピクセル検出器の基礎特性評価 (2)2023

    • Author(s)
      橋爪大樹, 須田祐介, 深澤泰司 (広島大学), 鶴剛 (京都大学), 武田彩希 (宮崎大学)
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      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] SOI 技術を用いた新型X線撮像分光器の開発 57 : PDD 構造を持つ大面積X線 SOI-CMOS 検出器 XRPIX の性能評価2023

    • Author(s)
      泉大輔, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 川島陸斗, 眞方恒陽 (宮崎大学), 鶴 剛 他
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      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 降着駆動型 X 線パルサーの軟 X 線超過放射と低電離鉄輝線の系統的な解析2023

    • Author(s)
      永井悠太郎, 榎戸輝揚, 内田裕之, 鶴剛(京都大学)
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      日本天文学会 2023春季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (9)2023

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      内田裕之, 萩野浩一, 野田博文, 林田清, 冨田洋, 森浩二, 中嶋大, 田中孝明, 鶴剛, 松本浩典, 岡島崇, 吉田鉄生, 米山友景, 石田学, 前田良知, 村上弘志, 山内誠, 廿日出勇, 信川正順, 信川久実子, 幸村孝由, 小林翔悟, 鈴木寛大, 平賀純子, 内山秀樹, 山岡和貴, 尾崎正伸, 堂谷忠靖, 常深博, 水野恒史, 他 XRISM/Xtend チーム
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      日本物理学会 第77回年次大会(2022年)
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  • [Presentation] 広帯域X線の高感度観測衛星 FORCE:高精度の姿勢決定系の検討と汎用天文台としての位置づけ2023

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      中澤知洋, 森浩二, 村上弘志, 久保田あや, 小林翔悟, 幸村孝由, 萩野浩一, 高橋忠幸, 馬場彩, 小高裕和, 寺田幸功, 榎戸輝揚, 内山泰伸, 佐藤寿紀, 石村康生, 北山哲, 谷津陽一, 藤田裕, 石田学, 渡辺伸, 山口弘悦, 中嶋大, 古澤彰浩, 信川正順, 太田直美, 鶴剛, 他 FORCE WG
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      日本物理学会 第77回年次大会(2022年)
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  • [Presentation] SOIPIX を用いたsub-MeVガンマ線観測用の電子飛跡検出型コンプトンカメラの開発2023

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      加賀谷美佳, 片桐秀明, 加藤凌, 東城直美, 武田彩希, 島添健次, 鶴剛, 田中孝明, 上ノ町水紀, Lan Zhang
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      日本物理学会 第77回年次大会(2022年)
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  • [Presentation] 巨大分子雲 Sgr B2 からの He-like 鉄輝線放射と高速度コンパクト雲2022

    • Author(s)
      田中 優貴子, 松永 海, 成田 拓仁, 天野 雄輝, 佳山 一帆, 内田 裕之, 鶴 剛 (京都大), 田中 孝明(甲 南大), 岡 朋治(慶應義塾大)
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      日本天文学会 2022年秋季年会
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  • [Presentation] Chandra 衛星およびXMM-Newton 衛星の観測を用いた SS 433/W50 における 粒子加速の研究2022

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      佳山 一帆, 鶴 剛, 内田 裕之 (京都大学), 田中 孝明 (甲南大学), 須藤 貴弘 (オハイオ州立大学), 井 上 芳幸 (大阪大学), Dmitry Khangulyan (立教大学), 辻 直美 (神奈川大学), 山本 宏昭 (名古屋大学)
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      日本天文学会 2022年秋季年会
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  • [Presentation] 超新星残骸 RX J1713.7-3946 南西部の衝撃波速度の測定2022

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      田中孝明 (甲南大学), 内田裕之 (京都大学), 佐野栄俊 (岐阜大学), 鶴剛 (京都大学)
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      日本天文学会 2022年秋季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (8)2022

    • Author(s)
      小林翔悟 (東理大), 鈴木寛大 (甲南大), 森浩二 (宮大, ISAS/JAXA), 冨田洋 (ISAS/JAXA), 中嶋大 (関東学院大, ISAS/JAXA), 林田清, 野田博文 (阪大), 鶴剛 (京大), 他 XRISM/Xtend チーム
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      日本天文学会 2022年秋季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のフライト用 CCD 素子の地上較正試験に おける分光性能の評価2022

    • Author(s)
      宮_啓太郎, 寺田裕太, 金丸善朗, 楠康平, 大塚芳徳, 横須晴彦, 米丸若菜, 森浩二 (宮崎大学), 青木悠 馬, 信川久実子 (近畿大学), 筆本脩介, 信川正順 (奈良教育大学), 内田裕之, 鶴剛 (京都大学), 他 XRISM/Xtend チーム
    • Organizer
      日本天文学会 2022年秋季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のイベント検出アルゴリズムのパラメタ決定2022

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      大塚芳徳, 金丸善朗, 宮_啓太郎, 楠康平, 横須晴彦, 米丸若菜, 森浩二 (宮崎大学), 信川久実子 (近畿 大学), 信川正順 (奈良教育大学), 内田裕之, 鶴剛 (京都大学), 他 XRISM/Xtend チーム
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      日本天文学会 2022年秋季年会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] X 線分光撮像衛星 XRISM 搭載 CCD 検出器における Goffset のシミュレーション2022

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      青木悠馬,信川久実子(近畿大),信川正順(奈良教育大),金丸善朗,宮崎啓太郎,楠康平,森浩二 (宮崎大),冨田洋(JAXA),中嶋大(関東学院大),松本浩典,野田博文,林田清(大阪大),鶴剛,他 XRISM/Xtend チーム
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      日本天文学会 2022年秋季年会
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  • [Presentation] 軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (14)2022

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      森浩二, 武田彩希 (宮崎), 村上弘志 (東北学院), 寺田幸功 (埼玉),, 鶴剛, 他 FORCE WG
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  • [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 53:MeV ガンマ線観測への応用 に向けた SOI ピクセル検出器の基礎特性評価2022

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      橋爪大樹, 須田祐介, 深澤泰司 (広島大学), 鶴剛 (京都大学), 武田彩希 (宮崎大学)
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  • [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 54 : PDD 構造を有する X 線SOI-CMOS 検出器 XRPIX の TID 効果測定試験2022

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      岩切卯月, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 泉大輔 (宮崎大学), 鶴剛, 内田裕之, 天野 雄輝, 佳山一帆, 松田真宗 (京都大学), 倉知郁生 (ディーアンドエス), 新井康夫 (KEK), 幸村孝由, 土 居俊輝, 角町駿, 武居悠貴, 清水真 (東京理科大学), 萩野浩一 (関東学院大学), 田中孝明 (甲南大学)
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      鶴 剛, 内田裕之, 上ノ町水紀,池田智法,佳山一帆, 松田真宗, 天野雄輝(京都大), 森浩二, 武田彩 希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 泉大輔, 岩切卯月(宮崎大), 幸村孝由, 他
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      Hornschemeier, Ann ; Mori, Koji ; Tsuru, Takeshi ; Nakazawa, Kazuhiro ; Ueda, Yoshihiro ; Tanaka, Takaaki ; Watanabe, Shin ; Ishida, Manabu ; Matsumoto, Hironori ; Awaki, Hisamitsu ; Okajima, Takashi ; Zhang, William ; Yukita, Mihoko ; Williams, Brian
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      SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, 2022, Montr_al, Qu_bec, Canada
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  • [Presentation] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (10)2022

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      鈴木寛大, 小林翔悟, 森浩二, 冨田洋B, 中嶋大, 林田清, 野田博文, 内田裕之, 他 XRISM/Xtend チーム
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      幸村孝由, 北島隼正, 角町駿, 土居俊輝, 武居悠貴, 清水真, 萩野浩一, 鶴剛, 内田裕之, 上ノ町水紀, 天野雄輝, 佳山一帆, 松田真宗, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 泉大輔, 川島陸斗, 眞方恒陽, 田中孝明, 鈴木寛大, 新井康夫, 倉知郁生
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      日本物理学会 2022年秋季大会
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      松田真宗, 藤井俊博, 鶴剛, 池田智法, 天野雄輝, 佳山一帆, 岩崎啓, 上ノ町水紀, 身内賢太朗, 小貫良行, 井上慶純, 武多昭道
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      日本物理学会 2022年秋季大会
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  • [Presentation] 軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (13)2022

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      森浩二,武田彩希,鶴剛,田中孝明,信川正順,他
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      日本天文学会 2022年春季大会
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      中澤知洋,信川正順,鶴剛,田中孝明,武田彩希,他
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      日本物理学会 第77回年次大会
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      加賀谷美佳,武田彩希,鶴剛,田中孝明,他
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      日本物理学会 第77回年次大会
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      森浩二,武田彩希,鶴剛,田中孝明,信川正順,他
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  • [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 48 : PDD 構造におけるリーク電流の原因特定とその解決手法2021

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      行元雅貴,武田彩希,鶴剛,田中孝明,他
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      米村修斗,武田彩希,鶴剛,田中孝明,他
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      北島正隼,鶴剛,田中孝明,武田彩希,他
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      日本天文学会 2021年秋季大会
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  • [Presentation] SOI 技術を用いた新型X線撮像分光器の開発 51 : Double-SOI 構造の大面積X線 SOI ピクセル検出器の性能評価2021

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      三枝紀嵐,武田彩希,鶴剛,田中孝明,他
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      武田 彩希,川島 陸斗,眞方 恒陽,三住 京也,Lan Zhang,島添 健次,高橋 浩之,神谷 好郎,上ノ町 水紀,森 浩二,鶴 剛,三好 敏喜,倉知 郁生,新井 康夫
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      日本中性子科学会
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      M. Kagaya, A. Takeda, T. G. Tsuru, T. Tanaka et al.
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  • [Book] 放射素過程の基礎2022

    • Author(s)
      中村 文隆、鶴 剛、長田 哲也、藤沢 健太、梅村 雅之、福江 純
    • Total Pages
      384
    • Publisher
      日本評論社
    • ISBN
      453560343X
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Published: 2021-10-22   Modified: 2023-12-25  

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