Wide Field Astronomical Survey by high Speed CMOS

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00181
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 宮崎 聡 国立天文台, 先端技術センター, 教授 (20290885)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤田 裕 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (10332165) ; 鎌田 有紀子 国立天文台, 先端技術センター, 技師 (10413973) ; 小宮山 裕 国立天文台, ハワイ観測所, 助教 (20370108) ; 大栗 真宗 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60598572) ; 川野元 聡 国立天文台, ハワイ観測所, 特任研究員 (90727398)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 天体観測 / 高速CMOS

Outline of Annual Research Achievements

広視野撮像探査観測は、その統計精度と幅広い応用性により、現代天文学と宇宙論において、中心的な役割を果たしている。すばる望遠鏡用に 開発されたHyper Suprime-Cam (HSC)により、日本がこの分野を主導してきている。さらに国際競争力を高めるため、高速に読み出し可能なCMOSセンサー開発し、これまでのCCDでは不可能であった、短時間変動する天体探査を行い、天体観測の新しいフロンティアを開拓することが本研究の目的である。
これまで行ってきた試作において、読み出し雑音2電子程度など、素子の電気的特性は概ね満足がいく試作品が完成しているものの、以下の3点が未解決のまま残されている。(1) 受光面内の量子効率の非一様性、(2) 量子効率と電荷の広がりのトレードオフの最適化、(3) 毎秒10フレーム読み出しを可能にする、読み出し回路の 開発、である。本年度は当初(1)の非一様性の課題に取り組む予定であったが、製作装置の準備の関係で、順番を変更し(2)に取り組んだ。量子効率を改善するために単純にシリコンを厚くすると、光で生成された電子(光電子)が電極に到達する前に横方向に広がり、解像度が劣化する。劣化を防ぐためには、光電子をなるべく垂直方向に移動させる必要がある。基板のエピタキシャル層の厚さと濃度などを変更し、さらにイオン注入のチューニングなどで、なるべく横方向に電子が広がらないポテンシャルを作り出す必要がある。これらを工夫することによって、電荷の広がりをピクセルサイズの半分(3.8ミクロン)以下に抑えかつ、最大値で5%程度の量子効率増加を達成することができた。
さらに、-40度までセンサーを冷却する装置を導入し、低温下で素子評価を行った。これによりMn K-alpha X線の分解能が150 eVと、CCD並みの数値が確認できた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

広島大学で試験観測を計画していたが、COVID-19のため出張ができず、不可能になった。

Strategy for Future Research Activity

2020年度に予定していた、受光面内の量子効率の非一様性の改善に向けた開発は2021年度に行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Cosmological constraints from cosmic shear two-point correlation functions with HSC survey first-year data (2020)
  • Author(s): Hamana Takashi, Shirasaki Masato, Miyazaki Satoshi.. +17 Authors
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 72 Pages: 16
  • DOI: 10.1093/pasj/psz138
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Active gas features in three HSC-SSP CAMIRA clusters revealed by high angular resolution analysis of MUSTANG-2 SZE and XXL X-ray observations (2020)
  • Author(s): Okabe Nobuhiro, Dicker Simon, .. Satoshi Miyazaki, (23rd).. +33 Authors
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 501 Pages: 1701
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2330
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Performances of an integral field unit for FOCAS on the Subaru telescope (2020)
  • Author(s): Ozaki Shinobu, Hattori Takashi, Aoki Kentaro, Lee Chien-Hsiu, Fukushima Mitsuhiro, Iwashita Hikaru, Mitsui Kenji Tanaka Yoko, Tsuzuki Toshihiro, Okada Norio, Obuchi Yoshiyuki, Miyazaki Satoshi, Yamashita Takuya
  • Journal Title: SPIE Volume: 11447 Pages: 5
  • DOI: 10.1117/12.2560602
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Velocity Dispersions of Massive Quiescent Galaxies from Weak Lensing and Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Utsumi Yousuke, Geller Margaret J., Zahid Harus J, Sohn Jubee, Dell'Antonio Ian P., Kawanomoto Satoshi, Komiyama Yutaka, Koshida Shintaro, Miyazaki Satoshi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 900 Pages: 50
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aba61c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing Dark Low-mass Halos and Primordial Black Holes with Frequency-dependent Gravitational Lensing Dispersions of Gravitational Waves (2020)
  • Author(s): Oguri Masamune Takahashi Ryuichi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 901 Pages: 58
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abafab
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] HSC Survey Update (2020)
  • Author(s): Satoshi Miyazaki
  • Organizer: German eROSITA Viirtual Consortium Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited