2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of wide-band high-speed compact digital camera for cosmic hard X-ray observation
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18H01256
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| Research Institution | Kanto Gakuin University |
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Principal Investigator |
中嶋 大 関東学院大学, 理工学部, 准教授 (70570670)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 硬X線 / CMOS / X線イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
硬X線まで感度を持たせた高速CMOSセンサを開発し、時間分解能、広帯域感度、さらに撮像分光性能の全てにおいて優れた、宇宙硬X線観測用カメラを開発することが本研究の目的である。申請者は2018年度において、本来可視光用に製作されたCMOSセンサをX線撮像分光用として開発するべく、室温及び冷却状態で単色X線(1.5keV, 5.9keV, 22keV)を照射した。その結果X線の光子計数に成功し、-30℃の冷却状態ではエネルギー分解能ΔE/E=4.3%@22.1keV であった。これは著者らが従来開発していた CCD+CsIの広帯域センサ(同4.6%@22.1keV (－70℃))に比べても優れた分光性能である。従来CCDの課題であった時間分解能についても、0.1秒以下の時間での撮像を実証した。これはCCDの10倍以上の速度である。またセンサと評価ボードをを用いて室温状態のセンサに照射した場合の結果は182eV(FWHM)@5.9keVであり、これは2016年打ち上げのひとみ衛星搭載 CCD の同型センサ179±3eV@5.89keV (－110℃) (Nakajima+18)に匹敵する分光性能であり、この性能を室温で達成したという点で特筆すべき結果であるといえる。しかし一方で、複数ピクセルにまたがるイベントについては、信号電荷の一部を失ってしまっていることが分かった。検出効率向上のためにはこのイベントについても失った電荷を回復するあるいは補正することが必要となる。
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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
本研究の目的であるX線撮像分光カメラは、その心臓部であるX線イメージセンサの性能を実証することが先決である。現在までにCMOSセンサのX線に対する応答を評価した結果は、十分に要求性能を満足する物であった。とくに本研究で開発するカメラの特色は、従来の軟X線(<=10keV)よりもエネルギーの高い硬X線にまで感度を持つ、というものであるが、これまでに試験した結果のうち、22keVに対する応答が非常に優れていることが分かった。また高速性能により可視光および荷電粒子バックグラウンドも低い。今後、複数ピクセルにまたがったイベントの光子計数については課題が残るものの、解析方法の最適化により改善すると見込んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、CMOSセンサのX線応答評価を詳細化するとともに、衛星搭載を念頭に放射線耐性を評価する実験を進める。具体的には低高度地球周回軌道を想定し、衛星およびカメラ筐体によるシールド厚を仮定し、軌道上相当で10年分以上のプロトンを照射し、撮像分光性能への影響を調査する。この結果次第で、低エネルギーX線に対する感度が決まる。これと並行して、カメラ設計を進める。具体的には、原子番号の異なるシールドを重ね合わせる Graded-Z シールドを採用したカメラボディを設計し、シミュレーションあるいは実測にて遮蔽性能を実証する。もしセンサ自体の放射線耐性が十分でない場合は、センサ自体の設計を変更するかあるいはカメラ筐体の遮蔽性能を向上させる。以上の実験を進めたうえで、最終的には硬X線感度を飛躍的に高め、2桁を超えるダイナミックレンジ(0.5-100keV)を達成するカメラを実現すること目的である。
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