宇宙硬X線観測のための広帯域高速コンパクトデジタルカメラの開発研究

• 研究課題/領域番号: 18H01256
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 関東学院大学
• 研究代表者: 中嶋 大 関東学院大学, 理工学部, 准教授 (70570670)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2019年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2018年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円)
• キーワード: Ｘ線イメージング / CMOS / 放射線耐性 / 硬X線 / X線イメージング / X線天文学

研究成果の概要

もともと可視光および紫外光の高感度撮像のために製作されたCMOSセンサに注目し、冷却して単色X線を照射するシステムを構築した。22.1keVのX線に対して0.94keV(FWHM)のエネルギー分解能を達成した。これは従来のCCDカメラを上回るモノであり、宇宙硬X線観測に向けて十分な撮像分光性能を実証した。またセンサに対して陽子線および重粒子線を照射した結果、想定する衛星寿命を超える損傷を与えたにもかかわらず55Feからの輝線を分解出来ており、また致命的な故障も発生しなかった。これらの成果により、衛星搭載可能性が高まった。また、放射線シールドを設計製作した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

将来の高感度硬X線望遠鏡と従来のCCDを用いて観測したとすると、硬X線は検出器を透過してしまい検出できず、軟X線にしても検出器面上で光子密度が高くなりすぎて重なり合い(パイルアップ)、各光子の正確なエネルギーが測定できなくなるが、本研究で開発したCMOSを用いることで、パイルアップのない、連続的な観測を広帯域で行う見込みが得られた。

研究成果

• [雑誌論文] Screening and selection of XRISM/Xtend flight model CCD (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoneyama Tomokage、Noda Hirofumi、Hanaoka Maho et al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 985 ページ: 164676-164676
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164676
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical blocking performance of CCDs developed for the X-ray Astronomy Satellite XRISM (2020)
  • 著者名/発表者名: Uchida, Hiroyuki; Tanaka, Takaaki; Amano, Yuki; Okon, Hiromichi; Tsuru, Takeshi G.; Nakajima, Hiroshi; Noda, Hirofumi; Hayashida, Kiyoshi; Matsumoto, Hironori; Hanaoka, Maho; Yoneyama, Tomokage; Okazaki, Koki; Asakura, Kazunori; et al.
  • 雑誌名: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 巻: 978 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164374
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Soft x-ray imager (SXI) for Xtend onboard X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Nakajima, Hirofumi Noda, Hironori Matsumoto, Kumiko K. Nobukawa et al.
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 11444 ページ: 1144423-1144423
  • DOI: 10.1117/12.2560348
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Sub-arcseconds to micro-arcsecond x-ray imaging with multi image x-ray interferometer method (MIXIM): concept and scalabe mission plans (2020)
  • 著者名/発表者名: Hayashida Kiyoshi、Asakura Kazunori、Ishikura Ayami、Hirofumi Noda (8番目) et al.
  • 雑誌名: SPIE proceedings, Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray 巻: - ページ: 44-44
  • DOI: 10.1117/12.2562193
• [雑誌論文] Subsub-arcseconds x-ray imaging with multi-image x-ray interferometer module (MIXIM): experimental results (2020)
  • 著者名/発表者名: Asakura Kazunori、Hayashida Kiyoshi、Hanasaka Takashi、Kawabata Tomoki、Yoneyama Tomokage、Noda Hirofumi、Sakuma Shotaro、Okazaki Koki、Ishikura Ayami、Hanaoka Maho、Ide Shuntaro、Hattori Kengo、Matsumoto Hironori、Tsunemi Hiroshi、Awaki Hisamitsu、Nakajima Hiroshi、Hiraga Junko S.
  • 雑誌名: SPIE proceedings, Space Telescopes and Instrumentation 2020: Ultraviolet to Gamma Ray 巻: - ページ: 152-152
  • DOI: 10.1117/12.2560772
• [雑誌論文] Developing the detector of x-ray imaging spectrometer for GEO-X mission (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Nakajima, et al.
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 11454 ページ: 21-21
  • DOI: 10.1117/12.2562221
• [雑誌論文] X-ray photon counting performance of front-illuminated scientific CMOS image sensor (2020)
  • 著者名/発表者名: Junko S. Hiraga, Hiroshi Nakajima et al.
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 11454 ページ: 1145438-1145438
  • DOI: 10.1117/12.2562976
• [雑誌論文] Inverse First Ionization Potential Effects in Giant Solar Flares Found from Earth X-Ray Albedo with Suzaku/XIS (2020)
  • 著者名/発表者名: Katsuda Satoru et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 891 号: 2 ページ: 126-126
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab7207
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray imaging polarimetry with a 2.5-μm pixel CMOS sensor for visible light at room temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Asakura Kazunori、Hayashida Kiyoshi、Hanasaka Takashi、Kawabata Tomoki、Yoneyama Tomokage、Okazaki Koki、Ide Shuntaro、Noda Hirofumi、Matsumoto Hironori
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 5 号: 03 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1117/1.jatis.5.3.035002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Radiation hardness of a p-channel notch CCD developed for the X-ray CCD camera onboard the XRISM satellite (2019)
  • 著者名/発表者名: Kanemaru Y., Sato J., Mori K. et al.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 14 号: 04 ページ: C04003-C04003
  • DOI: 10.1088/1748-0221/14/04/c04003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Universal detection of high-temperature emission in X-ray isolated neutron stars (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoneyama Tomokage、Hayashida Kiyoshi、Nakajima Hiroshi、Matsumoto Hironori
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 71 号: 1 ページ: 17-17
  • DOI: 10.1093/pasj/psy135
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atmospheric gas dynamics in the Perseus cluster observed with Hitomi (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, Aya Bamba, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 9-9
  • DOI: 10.1093/pasj/psx138
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurements of resonant scattering in the Perseus Cluster core with Hitomi SXS (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, Aya Bamba, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 10-10
  • DOI: 10.1093/pasj/psx127
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature structure in the Perseus cluster core observed with Hitomi (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, Aya Bamba, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 11-11
  • DOI: 10.1093/pasj/psy004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic data and spectral modeling constraints from high-resolution X-ray observations of the Perseus cluster with Hitomi* (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, Aya Bamba
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 12-12
  • DOI: 10.1093/pasj/psx156
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hitomi observation of radio galaxy NGC1275: The first X-ray microcalorimeter spectroscopy of Fe-Kα line emission from an active galactic nucleus (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, Aya Bamba, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 13-13
  • DOI: 10.1093/pasj/psx147
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for thermal X-ray features from the Crab nebula with the Hitomi soft X-ray spectrometer (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, Aya Bamba, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 14-14
  • DOI: 10.1093/pasj/psx072
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hitomi X-ray studies of giant radio pulses from the Crab pulsar (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, Aya Bamba, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 15-15
  • DOI: 10.1093/pasj/psx083
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hitomi observations of the LMC SNR N 132D: Highly redshifted X-ray emission from iron ejecta (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi collaboration, A. Bamba, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 16-16
  • DOI: 10.1093/pasj/psx151
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Glimpse of the highly obscured HMXB IGR J16318-4848 with Hitomi (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration, A. Bamba et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 17-17
  • DOI: 10.1093/pasj/psx154
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In-orbit performance of the soft X-ray imaging system aboard Hitomi (ASTRO-H) (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Hiroshi, Bamba Aya et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 2 ページ: 21-21
  • DOI: 10.1093/pasj/psx116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hitomi X-ray observation of the pulsar wind nebula G21.5-0.9 (2018)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Collaboration、Aharonian Felix、...、Kohmura Takayoshi...、et al (他191名）
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 3 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1093/pasj/psy027
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultralightweight x-ray telescope missions: ORBIS and GEO-X (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Ezoe, Yoshizumi Miyoshi, Satoshi Kasahara, Tomoki Kimura, Kumi Ishikawa, Masaki Fujimoto, Kazuhisa Mitsuda, Hironori Sahara, Naoki Isobe, Hiroshi Nakajima, Takaya Ohashi, Harunori Nagata, Ryu Funase, Munetaka Ueno, Graziella Branduardi-Raymont
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 4 号: 04 ページ: 46001-46001
  • DOI: 10.1117/1.jatis.4.4.046001
  • NAID: 120006543343
  • 査読あり / 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
• [学会発表] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況(7) (2021)
  • 著者名/発表者名: 中嶋大、林田清、冨田洋、森浩二、田中孝明、内田裕之、鶴剛、野田博文、松本浩典、岡島崇、林多佳由、吉田鉄生、石田学、前田良知、村上弘志、山内誠、廿日出勇、信川正順、信川久実子、幸村孝由、萩野浩一、小林翔悟、平賀純子、内山秀樹、山岡和貴、尾崎正伸、堂谷忠靖、常深博、他XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 宇宙軟X線観測用CMOSセンサの分光性能と放射線耐性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村彰太郎、中嶋大、光野皓、平賀純子、由比大斗、江副祐一郎、石川久美
  • 学会等名: 応用物理学会
• [学会発表] CMOSイメージセンサーにおけるX線撮像分光性能の評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鎌田恭彰、平賀純子、吉田明弘、由比大斗、中嶋大
  • 学会等名: 応用物理学会
• [学会発表] 宇宙軟X線観測用CMOSカメラの開発(2) (2020)
  • 著者名/発表者名: 中嶋大、中村彰太郎、光野皓、平賀純子、由比大斗、江副祐一郎、石川久美
  • 学会等名: 応用物理学会
• [学会発表] 宇宙X線観測に向けた裏面照射型CMOSセンサの撮像分光性能評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中嶋大、樫村晶、平賀純子、由比大斗、吉田将之、江副祐一郎
  • 学会等名: 応用物理学会