宇宙線の加速機構に迫るＸ線ＳＯＩピクセル検出器の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15J01842
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 松村 英晃 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• キーワード: 超新星残骸 / 過電離プラズマ / FORCE衛星計画 / SOIピクセル検出器 / 宇宙線加速 / XRPIX

研究実績の概要

今年度は、超新星残骸 (SNR) G166.0+4.3、IC 443の天体解析および、イベント駆動型X線SOIピクセル検出器 XRPIXの素子開発を行った。
はじめに天体解析について述べる。一般的なSNRのプラズマは電離が優勢だが、幾つかの天体からは再結合優勢な過電離プラズマが発見されている。過電離プラズマの生成起源は分かっていないが、二つの有力な説がある。一つはガス密度の差による断熱膨張による冷却説、もう一つは分子雲との熱接触起源説である。起源が後者であるとすると、過電離プラズマは分子雲とSNRの衝撃波がまさに相互作用しているときのプラズマを見ていることとなる。G166.0+4.3、IC 443は共に東西で形状の異なる電波シェルを持つSNRである。双方ともその広がった形状から西側で希薄なガス環境が期待できる。G166.0+4.3は北東に、IC 443は南東にGeV/TeV放射が見られる。これらの放射がパイ0の崩壊によるものだとするとその場所に分子雲があることを意味する。これらのSNRから過電離プラズマを観測し、空間分布をしらべることで過電離プラズマの生成起源に迫る。
素子開発について述べる。XRPIXは2020年代打ち上げを目標とするFORCE衛星計画に搭載予定の検出器である。FORCEの科学目標にはSNRにおける宇宙線加速メカニズムの解明も含まれる。XRPIXは、シリコンのセンサー層、絶縁のための酸化膜層、回路層を一枚のシリコンウェハ内で形成している。各ピクセルに読み出し回路、トリガー回路を搭載することにより、X線が入射したピクセルのみを読み出すことができる。X線天文衛星の主要検出器であるX線CCDの読み出しが数秒であるのに対し、数マイクロ秒の読み出しが可能となる。今年度はXRPIXのX線入射面感度の向上、素子の大面積化についての研究を実施した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

はじめに天体解析について述べる。超新星残骸 (SNR) G166.0+4.3 の北東の領域で過電離プラズマを発見した。一方で、西側は電離優勢のプラズマであった。X線の放射量から見積もった星間空間のガス密度は北東の方が高く分子雲の存在が期待できる。北東のプラズマが分子雲に冷却されたとすると結果を簡単に説明する。これらの結果は国際学会で２回発表、その後主著論文にしPASJへ提出、受諾された。また野辺山電波観測所へG166.0+4.3に付随する分子雲の観測を目的にプロポーザルを提出、受諾され2017年4月に観測予定である。SNR IC 443 について先行研究で北東からしか観測されていない過電離プラズマをすべての領域から発見した。これらの空間分布を調べたところ分子雲とSNR衝撃波が相互作用している南東領域で電子温度が優位に低いことが分かった。この結果は、過電離プラズマの起源が分子雲による熱冷却である可能性を示す。この結果は2017年春の天文学会で報告し、主著論文を執筆中である。
次に検出器開発について述べる。本年度のXRPIXの開発の成果としてX線入射面感度の向上、素子大面積化がある。0.5 keVの低エネルギーのX線の検出効率は入射面にある不感層の厚みに大きく依存する。0.5 keVのX線に対する検出効率は、不感層厚が1umのとき10%である。この1umを要求性能とし開発している。入射面のイオンインプラとレーザーアニール処理を新しくした素子を性能評価した結果、不感層厚は0.5umと要求性能を達成した。この結果は共著論文としてNIM Aに提出、受諾された。また素子面積 21.9mm x 13.8mm の大きさを持つ大面積素子の開発を行った。これを２枚並べると衛星搭載の要求性能となる。素子でのスペクトル取得も成功し、XRPIXが大面積化可能であることを実証した。

今後の研究の推進方策

今年度はIC 443の解析結果を国際学会で発表予定である。その後、主著論文を執筆する。また、同じく分子雲が付随し、過電離プラズマが見つかっている超新星残骸 W44 の解析を空間分布に着目して行い過電離プラズマの成因を調査する。G166.0+4.3、IC 443、W44 の解析結果をまとめて博士論文を執筆する。検出器開発については、XRPIXをベースに回路側にCdTe検出器を取り付け、SiとCdTeが一体となった検出器を考案している。これの開発に努める。

研究成果

• [雑誌論文] Localized recombining plasma in G166.0+4.3: A supernova remnant with an unusual morphology (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Matsumura, H. Uchida, T. Tanaka, T. G. Tsuru, M. Nobukawa, K. K. Nobukawa and M. Itou
  • 雑誌名: Publication of the Astronomical Society of Japan 巻: 69 ページ: 30-37
  • DOI: 10.1093/pasj/psx001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The first back-side illuminated types of Kyoto's X-ray astronomy SOIPIX (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Itou, T. G. Tsuru, T. Tanaka, A. Takeda, H. Matsumura, S. Ohmura, H. Uchida, S. Nakashima, Y. Arai, I. Kurachi, K. Mori, R. Takenaka, Y. Nishioka, T. Kohmura, K. Tamasawa and C. Tindall
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 巻: 831 ページ: 55-60
  • DOI: 10.1016/j.nima.2016.04.012
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Reduction of cross-talks between circuit and sensor layer in the Kyoto's X-ray astronomy SOI pixel sensors with Double-SOI wafer (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ohmura, T. G. Tsuru, T. Tanaka, H. Uchida, A. Takeda, H. Matsumura, M. Itou, Y. Arai, I. Kurachi, T. Miyoshi, S. Nakashima, K. Mori, Y. Nishioka, N. Takebayashi, K. Noda, T. Kohmura, K. Tamasawa, Y. Ozawa, T. Sato, T. Konno, S. Kawahito, K. Kagawa, K. Yasutomi, H. Kamehama, S. Shrestha, K. Hara and S. Honda
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 巻: 831 ページ: 61-64
  • DOI: 10.1016/j.nima.2016.04.024
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 超新星残骸 IC 443 からの 過電離プラズマの成因 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松村英晃, 鶴剛, 田中孝明, 内田裕之, 尾近洸行, 立花克裕
  • 学会等名: 日本天文学会2017年度春季年会
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2017-03-15 – 2017-03-18
• [学会発表] Origin of Recombining Plasma in a Mixed-Morphology Supernova Remnant, G166.0+4.3 (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Matsumura, H. Uchida, T. Tanaka, T. G. Tsuru, M. Itou, M. Nobukawa and K. K. Nobukawa
  • 学会等名: SNR Workshop 2016 winter
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2016-11-21 – 2016-11-22
• [学会発表] 特異な構造を持つ超新星残骸 G166.0+4.3 からの再結合プラズマの発見 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松村英晃, 内田裕之, 田中孝明, 鶴剛, 伊藤真音, 信川正順, 信川久実子
  • 学会等名: 日本天文学会2016年度秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-16
• [学会発表] Suzaku Observation of G166.0+4.3: A Supernova Remnant with an Unusual Morphology (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Matsumura, H. Uchida, T. Tanaka, T. G. Tsuru, M. Itou, M. Nobukawa and K. K. Nobukawa
  • 学会等名: Supernovae Through The Ages
  • 発表場所: Ister Island
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-13
  • 国際学会
• [学会発表] Discovery of Recombining Plasma in G166.0+4.3: A Mixed-Morphology Supernova Remnant with an Unusual Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Matsumura, H. Uchida, T. Tanaka, T. G. Tsuru, M. Nobukawa, K. K. Nobukawa and M. Itou
  • 学会等名: Supernova Remnants: An Odyssey in Space after Stellar death
  • 発表場所: Chania
  • 年月日: 2016-06-06 – 2016-06-11
  • 国際学会