Ia型超新星の爆発機構の解明に向けた高い分光性能のX線SOIピクセル検出器の開発

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J23327
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 佳山 一帆 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Keywords: マイクロクェーサー / SOIピクセル検出器 / X線天文学 / 宇宙線加速 / XRPIX / 宇宙ジェット / FORCE衛星計画

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、銀河系内のマイクロクェーサーであるSS433の解析および、SOIピクセル検出器のエネルギー分解能向上に向けた素子開発を行った。
SS433はW50星雲の中心に存在し、東西に0.26cの速さでジェットを放出する天体である。中心から20pcほど離れた領域から、東西にシンクロトロン放射で光る、X線で明るいジェットがあり、そのジェットの中にはknotと呼ばれる局所的に明るい構造が存在する。また、この領域から25TeVを超えるγ線の放射が検出されており、130TeVを超えるエネルギーまで加速された電子の存在が示唆されている。本研究では、Chandraで観測されたW50西側領域の解析を行った。その結果、SS433から遠ざかるにつれて光子指数が大きくなり、特にknotでは急激に大きくなることがわかった。これは、電子の最大エネルギーが小さくなることを意味しており、knotは磁場が強い領域だと考えると定性的な解釈が可能である。そこで、非熱的粒子の時間発展についてモデル計算を行い、観測結果と比較した結果、knotで磁場強度を周辺に比べて数10倍だと仮定すると、観測結果を説明できることを発見した。
次に素子開発について述べる。我々はXRPIX6Eを用いてイベント駆動読み出しの性能評価を行なった。イベント駆動読み出しとは、X線が入射したタイミングで入射したピクセルのみ読み出す独自の読み出し方法である。従来の全フレームを読み出す方法より優れた時間分解能を実現している。本年度は軟X線性能評価を行い、Al-Kの初検出に成功した。しかし、検出効率がフレーム読み出しよりも低いことや、ノイズが原因で1.1 keV未満のX線が検出できないなどの問題点は残る。そこで、我々は新たに改良型新素子を開発し、性能評価を行なった。その結果、高温・低バックバイアス電圧でも動作し、衛星計画の要求性能に大きく近づいた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

SS433の観測的研究については新発見があり、この成果については日本天文学会において発表を行った。現在、主著者として論文を執筆中であり、また、本年度は共著者としてXRPIXの開発にも着手しており、低エネルギーX線性能についての研究成果を共著者として論文発表している。

Strategy for Future Research Activity

来年度はまず、天体解析の成果を論文として発表する。現在、主著者として論文を執筆中であり、来年度の前半には発表予定である。また、研究会での招待講演で発表を予定している。来年度は、SS433からの熱的・非熱的放射について現在ある観測データの解析を行い、必要であれば躊躇なく観測提案を行う予定である。
また、来年度も引き続き、XRPIXの開発にも尽力する。今年度末に新型素子の製造を行っており、来年度はそれの性能評価を行い、その成果を主著または共著者として論文として発表する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Low-energy X-ray performance of SOI pixel sensors for astronomy, “XRPIX” (2021)
  • Author(s): Kodama Ryota、Tsuru Takeshi Go、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Kayama Kazuho、Amano Yuki、Takeda Ayaki、Mori Koji、Nishioka Yusuke、Yukumoto Masataka、Hida Takahiro、Arai Yasuo、Kurachi Ikuo、Kohmura Takayoshi、Hagino Kouichi、Hayashida Mitsuki、Kitajima Masatoshi、Kawahito Shoji、Yasutomi Keita、Kamehama Hiroki
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 986 Pages: 164745～164745
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164745
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Radiation damage effects on double-SOI pixel sensors for X-ray astronomy (2020)
  • Author(s): Hagino Kouichi,Yarita Keigo,Negishi Kousuke,Oono Kenji,Hayashida Mitsuki,Kitajima Masatoshi,Kohmura Takayoshi,Tsuru Takeshi,Tanaka Takaaki,Uchida Hiroyuki,Kayama Kazuho,Amano Yuki,Kodama Ryota,Takeda Ayaki,Mori Koji,Nishioka Yusuke,Yukumoto Masataka,Hida Takahiro,Arai Yasuo,Kurachi Ikuo,Hamano Tsuyoshi,Kitamura Hisashi
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 978 Pages: 164435～164435
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164435
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proton radiation hardness of x-ray SOI pixel detectors with pinned depleted diode structure (2020)
  • Author(s): Hagino Kouichi,Yarita Keigo,Negishi Kousuke,Oono Kenji,Hayashida Mitsuki,Kitajima Masatoshi,Kohmura Takayoshi,Tsuru Takeshi,Tanaka Takaaki,Uchida Hiroyuki,Kayama Kazuho,Amano Yuki,Kodama Ryota,Takeda Ayaki,Mori Koji,Nishioka Yusuke,Yukumoto Masataka,Hida Takahiro,Arai Yasuo,Kurachi Ikuo,Hamano Tsuyoshi,Kitamura Hisashi
  • Journal Title: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, 2020, Proceedings Volume: 11454 Pages: -
  • DOI: 10.1117/12.2562392
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectroscopic performance improvement of SOI pixel detector for X-ray astronomy by introducing Double-SOI structure (2020)
  • Author(s): Takeda A.、Mori K.、Nishioka Y.、Fukuda K.、Yukumoto M.、Hida T.、Tsuru T.G.、Tanaka T.、Uchida H.、Hayashi H.、Harada S.、Okuno T.、Kayama K.、Arai Y.、Kurachi I.、Kohmura T.、Hagino K.、Negishi K.、Oono K.、Yarita K.、Matsumura H.、Kawahito S.、Kagawa K.、Yasutomi K.、Shrestha S.、Nakanishi S.、Kamehama H.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 15 Pages: P11001～P11001
  • DOI: 10.1088/1748-0221/15/11/P11001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Chandra 衛星の観測を用いた W50/SS 433 西側領域における粒子加速の研究 (2021)
  • Author(s): 佳山 一帆
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会