2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of Compton camera for high-resolution and polarization X-ray spectroscopy
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20K20527
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| Research Institution | Rikkyo University |
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Principal Investigator |
山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
一戸 悠人 立教大学, 理学部, 助教 (30792519)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Keywords | X線検出器 / 超伝導検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙におけるX線精密分光を実現するために、超伝導遷移端検出器は次世代の非分散型の分光器の重要なテクノロジーの一つである。超伝導遷移端検出器は、超伝導から常伝導に変化するときの抵抗値の飛びをセンサーとして用いるもので、X線帯域でのエネルギー分解能において半導体検出器を20倍ほど超えるレベルまで高めることができる。しかし、その動作温度は超伝導体が遷移する100mK程度と低く、極低温実験の様々な技術が必要になる。読み出しが可能な素子数を増やすためには、信号線の帯域として、4GHzから8GHzの極低温HEMTアンプが増幅できる帯域を活用し、多重化された信号を復調して読み出す事ができる。将来の偏光観測やコンプトンイベントの活用においては、エネルギー帯域の拡大と多画素化は本質的に重要であり、これまでに約40画素を同時に駆動し、優れたエネルギー分解能の実現に成功した。これをベースラインの設計とし、読み出し方式を改良し、約80画素読み出せるセットアップを組み、信号の取得の確認までできた。読み出し装置の室温部分は、大規模なFPGAと1Gサンプル14bitのAD変換器が使われており、マイクロ波をダウンコンバートして帯域を狭めた後に高速でA/D変換を行い、高速で処理する設計となっており、簡易的な放射線計測器を用いたX線の観測なども行い、性能評価も行い、予定通りに動作していることを検証することも確認できている。多画素の複数のトリガーイベントを処理する上での基本的な波形処理の標準的な動作は可能となり、機械学習を用いた波形弁別の効率的な手法についての研究も進めた。次世代の室温読み出しのためのデジタル回路の検討も行い、組み込みCPUの選定から開発方法などの検討を進めた。
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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
波形処理部分の概念設計は、概ね出来上がってきたと言えるが、性能の主要な鍵を握るアナログ信号をデジタル化する部位については、近年の高周波機器の進展を見極めて、部品レベルでの検討が必要となっている。これまでに、TCPの通信部のエミュレータの製作などを行い、読み出し用のソフトウェアの開発とデバッグが効率的にできる環境構築は整った。アナログの擬似信号を生成し、FPGAの信号処理部を検証も可能となっている。同じハードウェアを用いた読み出し装置を用いて、カロリメータの性能評価試験も順調んでおり、室温のハードウェアとしては比較的安定してエネルギー分解能の評価に耐えうるレベルには稼働している。次世代のアナログ部とFPGAや組み込みCPUおよび通信部分について、必要なハードウェアの要件の調査と、開発プラットホームの調査も行ってきた。分析結果としては、現在のハードウェアの性能を落とすことなく、新しいファームウェアに更新できると考えられる。データの解析方法については、クロストークの影響など多画素化を進めていく時には課題があり、物理的なメカニズムを明確化することが課題の一つである。熱的なクロストークについては、様々なタイミング解析を行うことで理解が進展してきた。カロリメータのシステムの成熟化についても、様々な応用に用いて、環境に応じて修正を施すことで、安定した動作方法についての知見が進んできた。宇宙応用においては、軌道上での波形弁別のシステムの開発も必要であり、宇宙向けの室温デジタルエレキの開発や理解についても深まってきたと言える。今後も実験室での室温デジタル回路の実装から宇宙応用を目指して研究を進めていく必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
宇宙応用のためには、設計寿命の範囲内で故障なく安定して動作するかどうかが重要であり、その上で、必要なリソースや電力をどのように最小化するかは検討事項である。室温デジタル部の基礎的な設計と検証は順調に進んでいるが、宇宙応用に向けた要素分析と開発、システムの成熟度の向上を進めていく必要がある。半導体不足による部品高騰に対しての対策も検討課題の１つである。今後5年の開発インフラを意識してファームウェアの選定と開発を進めていく。高周波の帯域の活用で、電力を最小化できるように効率的な信号処理方法についても改良を進めていきたい。X線以外の波長帯でもハードウェア部としては同様のものの宇宙応用が赤外線や電波帯域では進んでおり、放射線耐性の情報などを見極めて選定も進めていく。検出器帯域の拡張についてもまだ開発の余地があり、エネルギー分解能や検出効率の最適化なども踏まえて引き続き検証を進めていく。基本設計は、高速読出しのアナログ部分の検討を進めつつ、リアルタイム性のよい動作設計を踏まえて進めていき、FPGAのリソースの最小化も進めていく必要があり、高速化とのトレードオフも見極めて検証を進める。現実的なアプリケーションを踏まえて、コンプトン散乱や偏光イベントを弁別するために、検出器の応答関数の構築を進め、実際の観測に向けて検討を進める。宇宙X線の偏向観測が安定して実現されており、実際の観測データやバックグラウンドデータの解析と分析を進め、宇宙応用に向けての必要な要件について整理を行う。モンテカルロシミュレーションや最適なデータ処理方法など、ポストプロセスの設計開発や機械学習なども取り込んで、引き続きデータ処理部の検討も進めていく予定である。
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| Causes of Carryover |
FPGAなどの半導体の品薄と発注の事前調査のための調査を行うことを優先したため次年度使用額が生じた。計画としては、現行のファームウェアでもセンサーの動作試験では問題がないので支障はない。今年度の使用計画は、アナログ信号の入力部の部品と室温デジタルエレキの開発および実験備品や計器類および打ち合わせと企業と連携した開発を進める。
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