半導体コンプトンカメラの革新によるラインガンマ線天文学の開拓

• 研究課題/領域番号: 16H02170
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 天文学
• 研究機関: 東京大学 (2018-2019); 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 (2016-2017)
• 研究代表者: 高橋 忠幸 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (50183851)
• 研究分担者: 渡辺 伸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (60446599) ; 武田 伸一郎 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (80553718)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円); 2019年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2018年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円); 2017年度: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円); 2016年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: ガンマ線検出器 / コンプトンカメラ / ガンマ線天文学 / MeVガンマ線 / 電子飛跡追跡 / エレクトロントラッキング

研究成果の概要

我々が独自に考案した、Si-CMOSハイブリッドSi検出器の大型化を行い、それを用いたSi/CdTeコンプトンカメラを開発、評価した。素子は、20ミクロン角で640x640の画素を持ち、コンプトンカメラの散乱体として動作する上で必要な数μ秒のタイミング特性を持つ。我々は解析的な方法と機械学習を用いた手法の研究を行い、散乱電子の散乱方向を得ることに成功した。2mm厚のCdTe両面ストリップ検出器と組み合わせ、662 keVのガンマ線に対して、7.4 keV (FWHM)のエネルギー分解能、3.1 度(FWHM)の角度分解能と、優れた性能が得られた

研究成果の学術的意義や社会的意義

感度のギャップに埋もれて進展が妨げられている数100keV から数MeVの領域でのガンマ線天文学に革新をもたらすために、エネルギー分解能が高く、また角度分解能が高い半導体コンプトンカメラの開発が重要である。本研究で新たに開発した散乱電子の方向を測定できるSi検出器とCdTeイメージャを組み合わせたコンプトンカメラは、到来するガンマ線の方向を一意に決めることができる。これを発展させることで、天体観測ばかりではなく、放射性物質の分布の可視化や医学イメージングにおいて検知力の向上につながる。

研究成果

• [国際共同研究] CEA/Saclay DSM(フランス)
• [国際共同研究] University of Minnesota(米国)
• [国際共同研究] University of Durham(英国)
• [国際共同研究] University of Minnesota(米国)
• [国際共同研究] ミネソタ大学(米国)
• [雑誌論文] Probing entanglement in Compton interactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Caradonna Peter、Reutens David、Takahashi Tadayuki、Takeda Shin’ichiro、Vegh Viktor
  • 雑誌名: Journal of Physics Communications 巻: 3 号: 10 ページ: 105005-105005
  • DOI: 10.1088/2399-6528/ab45db
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The thermal-radiative wind in low-mass X-ray binary H1743-322: radiation hydrodynamic simulations (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomaru Ryota、Done Chris、Ohsuga Ken、Nomura Mariko、Takahashi Tadayuki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 490 号: 3 ページ: 3098-3111
  • DOI: 10.1093/mnras/stz2738
  • NAID: 120007132816
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ghost-ray reduction and early results from the third FOXSI sounding rocket flight (2019)
  • 著者名/発表者名: Musset Sophie et al. (including Tadayuki Takahashi)
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 11118 ページ: 111181216-111181216
  • DOI: 10.1117/12.2530029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Event-selection technique for the multi-layer Si/CdTe Compton camera onboard Hitomi (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanori Ohno et al. (including T. Takahashi, S. Watanabe)
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 924 ページ: 327-331
  • DOI: 10.1016/j.nima.2018.09.114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of fine-pitch cadmium telluride detectors for the FOXSI sounding rocket experiment (Conference Presentation) (2019)
  • 著者名/発表者名: Vievering Juliana、Glesener Lindsay、Athiray P. Subramania、Musset Sophie、Ishikawa Shin-nosuke、Buitrago-Casas Juan Camilo、Takahashi Tadayuki、Watanabe Shin、Furukawa Kento、Hagino Kouichi、Ryan Daniel F.、Inglis Andrew、Krucker S?m、Christe Steven、Courtade Sasha
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 11118 ページ: 1111813-1111813
  • DOI: 10.1117/12.2530107
  • 国際共著
• [雑誌論文] Detection of polarized gamma-ray emission from the Crab nebula with the Hitomi Soft Gamma-ray Detector (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi collaboration
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 6 ページ: 113-113
  • DOI: 10.1093/pasj/psy118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-speed X-ray imaging spectroscopy system with Zynq SoC for solar observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Shin-nosuke、Takahashi Tadayuki、Watanabe Shin、Narukage Noriyuki、Miyazaki Satoshi、Orita Tadashi、Takeda Shin’ichiro、Nomachi Masaharu、Fujishiro Iwao、Hodoshima Fumio
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 912 ページ: 191-194
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.11.033
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Modeling of proton-induced radioactivation background in hard X-ray telescopes: Geant4-based simulation and its demonstration by Hitomi’s measurement in a low Earth orbit (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Odaka, M. Asai, K. Hagino, ..., K. Hayashi, ... (13番目/50人中)
  • 雑誌名: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 巻: 891 ページ: 92-105
  • DOI: 10.1016/j.nima.2018.02.071
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The FORCE mission: science aim and instrument parameter for broadband x-ray imaging spectroscopy with good angular resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakazawa, K., Mori, K., Tsuru, T. G., Ueda, Y., Awaki, H., Fukazawa, Y., Ishida, M., Matsumoto, H., Murakami, H., Okajima, T., Takahashi, T., Tsunemi, H., Zhang, W. W.
  • 雑誌名: Proceedings of the SPIE 巻: 10699 ページ: 84-84
  • DOI: 10.1117/12.2309344
  • 国際共著
• [雑誌論文] Monte Carlo simulations of the detailed iron absorption line profiles from thermal winds in X-ray binaries (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomaru Ryota、Done Chris、Odaka Hirokazu、Watanabe Shin、Takahashi Tadayuki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 476 号: 2 ページ: 1776-1784
  • DOI: 10.1093/mnras/sty336
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Design and performance of Soft Gamma-ray Detector onboard the Hitomi (ASTRO-H) satellite (2018)
  • 著者名/発表者名: Tajima, H., Fukazawa, Y.(3番目), 他40名
  • 雑誌名: JATIS 巻: 4 号: 02 ページ: 021411-021411
  • DOI: 10.1117/1.jatis.4.2.021411
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The hard X-ray imager (HXI) onboard ASTRO-H (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nakazawa, G. Sato, M. Kokubun, ..., K. Hayashi, ... (8番目/35人中)
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 4(2) 号: 02 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1117/1.jatis.4.2.021410
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In-Orbit Performance and Calibration of the Hard X-ray Imager (HXI) onboard Hitomi (ASTRO-H) (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Hagino, K. Nakazawa, G. Sato, ..., K. Hayashi, ... (7番目/40人中)
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 4(2) 号: 02 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1117/1.jatis.4.2.021409
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Long-term test of a stacked CdTe mini-HXI setup (2018)
  • 著者名/発表者名: Maier Daniel、Horeau Benoit、Laurent Philippe、Limousin Olivier、Renaud Diana、Kawaharada Madoka、Kokubun Motohide、Sato Goro、Takahashi Tadayuki、Watanabe Shin、Nakazawa Kazuhiro、Boatella Polo Cesar
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 912 ページ: 199-204
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.11.035
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Suzaku X-ray observations of the mixed-morphology supernova remnant CTB1 (2018)
  • 著者名/発表者名: Katsuragawa Miho、Nakashima Shinya、Matsumura Hideaki、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Lee Shiu-Hang、Uchiyama Yasunobu、Arakawa Masanori、Takahashi Tadayuki
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 6 ページ: 110-110
  • DOI: 10.1093/pasj/psy114
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Si-CMOS hybrid detectors towards electron tracking based Compton imaging in semiconductor detectors (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoneda Hiroki、Saito Shinya、Watanabe Shin、Ikeda Hirokazu、Takahashi Tadayuki
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 印刷中 ページ: 269-273
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.11.078
  • 査読あり
• [雑誌論文] A compact imaging system with a CdTe double-sided strip detector for non-destructive analysis using negative muonic X-rays (2017)
  • 著者名/発表者名: Katsuragawa Miho、Tampo Motonobu、Hamada Koji、Harayama Atsushi、Miyake Yasuhiro、Oshita Sayuri、Sato Goro、Takahashi Tadayuki、Takeda Shin’ichiro、Watanabe Shin、Yabu Goro
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 印刷中 ページ: 140-143
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.11.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of the polarimetric performance of a Si/CdTe semiconductor Compton camera for the Hitomi satellite (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Katsuta, T. Takahashi et al. (SGD Team)
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods A 巻: 840 ページ: 51-58
  • DOI: 10.1016/j.nima.2016.09.057
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sensitivity of the Fe Kα Compton shoulder to the geometry and variability of the X-ray illumination of cosmic objects (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Odaka, H. Yoneda, T.Takahahshi and A. Fabian
  • 雑誌名: Monthly Nntice of the Royal Astronomical Society 巻: 462 号: 3 ページ: 2366-2381
  • DOI: 10.1093/mnras/stw1764
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fine-pitch CdTe detector for hard X-ray imaging and spectroscopy of the Sun with the FOXSI rocket experiment (2016)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa, M. Katsuragawa, S. Watanabe, Y. Uchida, S. Takeda, T. Takahashi, S. Saito, L. Glesener, J.C. Buitrago-Casas, S. Krucker, S. Christe
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research (Space Physics) 巻: 121 号: 7 ページ: 6009-6016
  • DOI: 10.1002/2016ja022631
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] The cosmos at high energies: exploring extreme physics through novel instrumentation (2019)
  • 著者名/発表者名: Tadayuki Takahashi
  • 学会等名: The cosmos at high energies: exploring extreme physics through novel instrumentation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The thermal-radiative disc wind in the low mass X-ray binary H 1743-322” (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryota Tomaru, Chris Done, Ken Ohsuga, Mariko Nomura, Takahashi Tadayuki,
  • 学会等名: XCalibur2019, Next Generation X-ray Spectroscopy,
• [学会発表] High Energy Resolution CdTe Diode and its Applications to Hard X-ray and Gamma-ray Imaging, (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Takahashi, S. Takeda, T. Orita, S. Watanabe
  • 学会等名: CERN Medpix Open Meeting
• [学会発表] Development of CdTe Hybrid Pixel ASIC for Hard X-ray Imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Orita, T. Kawamura, K. Mine, S. Takeda, S. Watanabe, H. Ikeda, T. Takahashi
  • 学会等名: International Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD12)
• [学会発表] 磁気リコネクションに伴う粒子加速の理解を目指す衛星計画PhoENiXの進捗報告(2019年秋) (2019)
  • 著者名/発表者名: 成影典之、高橋忠幸、渡辺伸他 Phoenixワーキンググループ
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会
• [学会発表] Si/CdTeコンプトンカメラの原子物理実験における偏光測定への応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 都築豊, 渡辺伸, 大石晋平, 沼館直樹, 櫻井誠, 渡邉裕文, 中村信行, 内田悠介, 米田浩基, 小高裕和, 高橋 忠幸
  • 学会等名: 原子衝突学会第44回年会
• [学会発表] 軟X線/硬X線の広帯域を高感度観測する次世代衛星 FORCE：サイエンスとミッション提案の現状 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中澤知洋、高橋忠幸、渡辺伸他 FORCEワーキンググループ
  • 学会等名: 日本物理学会, 2019年秋季大会
• [学会発表] Study of 3D image reconstruction using a Si/CdTe semiconductor Compton Camera (2018)
  • 著者名/発表者名: Goro Yabu, Hiroki Yoneda, Tadashi Orita, Shin’ichiro Takeda, Fumiki Moriyama, Shin Watanabe,and Tadayuki Takahashi
  • 学会等名: The 2018 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a front-end ASIC for CdTe Hybrid Pixel Detector, (2018)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Orita, Shin’ichiro Takeda, Shin Watanabe, Hirokazu Ikeda, Tadayuki Takahashi,
  • 学会等名: International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging (PIXEL 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Novel and interdisciplinary application of space hard X-ray and gamma-ray detectors, (2018)
  • 著者名/発表者名: Tadayuki Takahashi
  • 学会等名: The 1st Workshop on Quantum Beam Imaging
  • 招待講演
• [学会発表] FOXSI-3ロケット実験に向けた狭ピッチCdTe両面ストリップ検出器の性能評価とイメージングアルゴリズムの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 古川健人, 高橋忠幸, 武田伸一郎, 渡辺伸, 石川真之介, 萩野浩一, Lindsay Glesener, ほかFOXSIチーム
  • 学会等名: 日本物理学会, 2018年秋季大会
• [学会発表] 将来のミッションへの搭載を目指した広視野小型全天モニターの研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大下紗百合, 桂川美穂, 内田悠介, 武田伸一郎, 萩野浩一, 渡辺伸, 高橋忠幸
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] Full spectral model for thermal wind line profiles using Monte Carlo method (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryota Tomaru, Chris Done, Tadayuki Takahashi
  • 学会等名: KITP Conference; Disks, Dynamos, and Data: Confronting MHD Accretion Theory with Observations
  • 発表場所: Santa Barbara, USA
  • 年月日: 2017-02-06
  • 国際学会
• [学会発表] Large Area CdTe Imaging Sensor and its applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Tadayuki Takahashi, Shin Watanabe, Shin'ichiro Takeda
  • 学会等名: SPIE Optics + Photonics 2017
• [学会発表] Si/CdTe semiconductor Compton cameras with electron-tracking based imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe, H. Yoneda, S. Saito, H. Ikeda, T. Takahashi, S. Takeda
  • 学会等名: IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
• [学会発表] 電子軌跡検出型のSi/CdTe半導体コンプトンカメラの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 伸、米田 浩基、池田 博一、高橋 忠幸、武田 伸一郎
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Development of 60 micro m pitch CdTe double-sided strip detectors for the FOXSI-3 sounding rocket experiment.”, 11th International "Hiroshima" Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD11), 2017/12 (2017)
  • 著者名/発表者名: Kento Furukawa, Athiray P. S., Juan Camiko Buitrago Casas, Juliana Vievering, Koichi Hagino, Lindsay Glesener, Sam Krucker, Shin Watanabe, Shin'ichiro Takada, Shin'nosuke Ishikawa, Sophie Musset, Steven Chritste, Tadayuki Takahashi
  • 学会等名: ymposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD11)
• [学会発表] Double-photon emission imaging of 111-In with a high-resolution Si/CdTe Compton camera (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Takeda, T. Orita, F. Moriyama, H. Sugawara, G. Yabu, H. Yoneda, S. Watanabe, T. Takahashi, Y. Mizumachi, M. Uenomachi, Y. Yoshihara, H. Takahashi, K. Shimazoe
  • 学会等名: ymposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD11)
• [図書] 宇宙物理学ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 高原文郎、家正則、小玉英雄、高橋忠幸
  • 総ページ数: 912
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254131277