超低バックグラウンドを実現するＡＤ変換器一体型の広帯域Ｘ線ＳＯＩ撮像分光器の開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23340047
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鶴 剛 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10243007)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 新井 康夫 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (90167990)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: Ｘ線天文学 / 宇宙物理 / Ｘ線 / 検出器

Research Abstract

電荷有感アンプ内蔵素子の開発によるエネルギー分解能の向上：読み出しノイズを改善するために，今年度は全てのピクセルに電荷有感アンプを内蔵する素子XRPIX3の開発を行った．その結果，ゲインが従来の3.5倍に向上し，読み出しノイズ33e-(rms)を達成した．図2はXRPIX3を-50℃，バックバイアス電圧5V，フレーム読み出しで得たFe-55からのMn-K X線のスペクトルである．エネルギー分解能300eV（FWHM）を達成し，Mn -Kα線とKβ線の分離が初めて可能になった．
軟Ｘ線性能を改善するための裏面処理の開発：軟Ｘ線を検出するためには，Ｘ線を照射させる素子裏面の不感層をできるだけ薄くする必要がある．その際，不純物を打ち込むだけの単純な裏面処理では，多数の格子欠陥が生ずるので暗電流が増えて，読み出しノイズを劣化させる．そこで暗電流を抑えるプロセスを開発する必要がある．本年度は(a)厚いウェハに対するラピス裏面プロセス，(b)薄くしたウェハに対するラピス裏面プロセス，(c)「ピザプロセス」の３つのプロセスを試した．次年度にそれぞれの性能評価を行う．

Current Status of Research Progress

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

Reason

最大の課題であった，読み出しノイズとエネルギー分解能が向上した．電荷有感アンプの導入は精巧であった．また，軟Ｘ線検出感度向上への方策も進める事に成功した．

Strategy for Future Research Activity

素子回路のレイアウトを改良し，さらなるエネルギー分解能の向上を目指す．また組み込みADCのTEGとしてXRPIX-ADC1の評価を行う．評価結果次第で実際の組み込みは本研究終了後になる可能性もある．

Research Products

• [Journal Article] Design and Evaluation of an SOI Pixel Sensor for Trigger-Driven X-Ray Readout (2013)
  • Author(s): Takeda, Ayaki; Arai, Yasuo; Ryu, Syukyo Gando; Nakashima, Shinya; Tsuru, Takeshi Go; Imamura, Toshifumi; Ohmoto, Takafumi; Iwata, Atsushi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 60 Pages: 586-591
  • DOI: 10.1109/TNS.2012.2225072
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development and Performance of Kyoto's X-Ray Astronomical SOI Pixel Sensor (2014)
  • Author(s): Takeshi Tsuru
  • Organizer: FEE2014
  • Place of Presentation: Argonne National Laboratory, アルゴンヌ市, イリノイ州, 米国
  • Year and Date: 20140519-20140523
  • Invited
• [Presentation] Development of SOI Pixel Sensors for X-ray Astronomy (2013)
  • Author(s): Takaaki Tanaka, Shinya Nakashima, Hideaki Matsumura, Takeshi Go Tsuru, Ayaki Takeda, Yasuo Arai
  • Organizer: IEEE NSS 2013
  • Place of Presentation: Soule, Korea
  • Year and Date: 20131027-20131102
• [Presentation] Development and Performance of Kyoto’s X-ray Astronomical SOI pixel sensor Sensor (2013)
  • Author(s): S.G. Ryu, S.Nakashima, Matsumura, T.Tanaka, A.Takeda, Y.Arai, T. Imamura, A. Iwata, T. Ohmoto, T. Maeda, M. Bautz, G.Y.Prigozhin, S.E.Kissel, B.LaMarr, R.F.Foster
  • Organizer: SDW2013
  • Place of Presentation: Florence, Italy
  • Year and Date: 20131007-20131011
• [Presentation] Development of a Fully Depleted Back Illumination Sensor Based on SOI CMOS Technology for Future X-Ray Astronomy Satellites (2013)
  • Author(s): Hideaki Matsumura, S. Nakashima, T. G. Tsuru, T. Tanaka, A. Takeda, Y. Arai, T. Miyoshi, R. Ichimiya, T. Imamura, T. Ohmoto, A. Iwata
  • Organizer: HSDT9
  • Place of Presentation: Hiroshima, JAPAN
  • Year and Date: 20130901-20130905
• [Presentation] Development of Kyoto’s X-ray Astronomical SOI pixel sensor (2013)
  • Author(s): S.G. Ryu, S.Nakashima, Matsumura, T.Tanaka, A.Takeda, Y.Arai, T. Imamura, A. Iwata, T. Ohmoto, T. Maeda, M. Bautz, G.Y.Prigozhin, S.E.Kissel, B.LaMarr, R.F.Foster
  • Organizer: SOI Collaboration Meeting at Krakow
  • Place of Presentation: Krakow, Poland
  • Year and Date: 20130506-20130507
• [Remarks] 次世代衛星用X線SOIピクセルカメラ
  • URL: http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/member/ryu/html/SOIPIX.html