精密X線分光偏光観測に向けた極低温コンプトンカメラの開発

• 研究課題/領域番号: 20K20527
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分16:天文学およびその関連分野
• 研究機関: 立教大学
• 研究代表者: 山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073)
• 研究分担者: 一戸 悠人 立教大学, 理学部, 助教 (30792519)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円); 2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2022年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円); 2021年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2020年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
• キーワード: X線天文学 / X線検出器 / 超伝導検出器

研究開始時の研究の概要

宇宙X線を高精度に分光観測することで，ガスの運動や，温度や電離状態など，基礎的な物理量を明らかにできる．将来観測における有望な非分散型のX線検出器は超伝導遷移端検出器(TES)であり，将来観測計画でも主検出器として採用されている．このような精密分光と同時に，偏光を観測することで，放射源の情報をより一層引き出すことができる．本研究はX線偏光分光を同時に取得可能なTESの開発を目指すことである．

研究成果の概要

超伝導遷移端検出器はX線帯域におけるエネルギー分解能を比較的に向上できるが高度な低温技術が求められる。素子数増を目指し、信号多重化の開発も必要である。偏光観測やコンプトンイベントの活用を見据え、エネルギー帯域の拡大と多画素化も必要である。本研究で、約80画素を読み出せるシステムを構築し、信号の取得を確認できた。室温部分では、大規模なFPGAと1Gサンプル14bitのAD変換器の活用から、次世代の室温読み出しに向けた5Gの高速AD/DAとFPGAの詳細検討も行った。研究期間を通じて、超伝導遷移端検出器の技術の成熟化と応用性能の向上が進められ、またX線観測や偏光観測との比較研究も進展している。

研究成果の学術的意義や社会的意義

この研究による超伝導遷移端検出器の基礎と応用的な発展は、X線観測の精度を飛躍的に向上させ、宇宙の詳細な構造や物理現象の解明に寄与するものである。また、エネルギー分解能の向上は物質分析技術の進展にも応用可能であり、より正確な物質の化学状態の把握や分析につながる可能性を秘めている。X線の偏光の測定にも応用可能な幾何学的な自由をもつ検出器であり、測定対象に応じて自由なデザインやカスタマイズが可能な検出器として、今後の活用が期待される。超伝導遷移端検出器の基礎となる極低温技術と高周波技術の両面の成熟度を高めることができたと考えている。

研究成果

• [国際共同研究] NIST/Colorado University(米国)
• [国際共同研究] SRON(オランダ)
• [雑誌論文] Richardson?Lucy Deconvolution with a Spatially Variant Point-spread Function of Chandra: Supernova Remnant Cassiopeia A as an Example (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakai Yusuke、Yamada Shinya、Sato Toshiki、Hayakawa Ryota、Higurashi Ryota、Kominato Nao
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 951 号: 1 ページ: 59-59
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acd9b3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Proof-of-Principle Experiment for Testing Strong-Field Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms: High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, T. Azuma, D. A. Bennett, I. Chiu, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T. Hashimoto, R. Hayakawa, G. C. Hilton, Y. Ichinohe, P. Indelicato, T. Isobe, S. Kanda, M. Katsuragawa, N. Kawamura, Y. Kino, K. Mine, Y. Miyake, K. M. Morgan, K. Ninomiya et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 号: 17 ページ: 173001-173001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.173001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-sensitive XANES analysis at Ce L2-edge for Ce in bauxites using transition-edge sensors: Implications for Ti-rich geological samples (2023)
  • 著者名/発表者名: Li Wenshuai、Yamada Shinya、et al.
  • 雑誌名: Analytica Chimica Acta 巻: 1240 ページ: 340755-340755
  • DOI: 10.1016/j.aca.2022.340755
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Absolute Energy Measurements with Superconducting Transition-Edge Sensors for Muonic X-ray Spectroscopy at 44 keV (2022)
  • 著者名/発表者名: Yan Daikang, Yamada Shinya et al.,
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 209 号: 3-4 ページ: 271-277
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02860-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray hot spots in the eastern ear of the supernova remnant W 50 and the microquasar SS 433 system (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayakawa Ryota、Yamada Shinya、Suda Hirotaka、Ichinohe Yuto、Higurashi Ryota、Sakemi Haruka、Machida Mami、Ohmura Takumi、Katsuda Satoru、Uchiyama Hideki、Sato Toshiki、Akamatsu Hiroki、Axelsson Magnus
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: - 号: 3 ページ: 510-520
  • DOI: 10.1093/pasj/psac011
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-Ray Studies of the Inverted Ejecta Layers in the Southeast Area of Cassiopeia A (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuchioka Tomoya、Sato Toshiki、Yamada Shinya、Uchiyama Yasunobu
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 932 号: 2 ページ: 93-93
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6e63
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurements of Strong-Interaction Effects in Kaonic-Helium Isotopes at Sub-eV Precision with X-Ray Microcalorimeters (2022)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto T. et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 128 号: 11 ページ: 112503-112503
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.112503
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Application of Deep Learning to the Evaluation of Goodness in the Waveform Processing of Transition-Edge Sensor Calorimeters (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Ichinohe et al.
  • 雑誌名: J. Low Temp. Phys. 巻: - 号: 5-6 ページ: 02719-02719
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02719-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deexcitation Dynamics of Muonic Atoms Revealed by High-Precision Spectroscopy of Electronic K X Rays (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 号: 5 ページ: 053001-053001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.053001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Broadband high-energy resolution hard x-ray spectroscopy using transition edge sensors at SPring-8 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada Shinya、Ichinohe Yuto、et al.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 1 ページ: 013103-013103
  • DOI: 10.1063/5.0020642
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transition-Edge Sensor Optimization for Hard X-ray Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Yan Daikang、Yamada Shinya、et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 31 号: 5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3059972
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low-noise microwave SQUID multiplexed readout of 38 x-ray transition-edge sensor microcalorimeters (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakashima Y.、Hirayama F.、Kohjiro S.、Yamamori H.、Nagasawa S.、Sato A.、Yamada S.、Hayakawa R.、Yamasaki N. Y.、Mitsuda K.、Nagayoshi K.、Akamatsu H.、Gottardi L.、Taralli E.、Bruijn M. P.、Ridder M. L.、Gao J. R.、den Herder J. W. A.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 号: 12 ページ: 122601-122601
  • DOI: 10.1063/5.0016333
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ブラックホール連星のX線観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山田真也
  • 学会等名: 宇宙プラズマの活動性 ~ 天体形成から高エネルギー現象まで
  • 招待講演
• [学会発表] Application of X-ray microcalorimeters from astrophysics to on-ground experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinya Yamada
  • 学会等名: UGAP2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 大強度加速器x超高精度「温度計」で原子核を作る力に迫る
  • URL: https://www.rikkyo.ac.jp/news/2022/03/mknpps000001wdb7.html
• [備考] 最先端超伝導検出器で探るミュオン原子形成過程の全貌
  • URL: https://www.rikkyo.ac.jp/news/2021/07/mknpps000001oo10.html
• [備考] 超伝導転移端検出器TESを用いた蛍光XAFS分析に成功
  • URL: https://www.rikkyo.ac.jp/news/2021/01/mknpps000001dxgp.html