超高速微細ピクセル検出器が拓く構造生物学の新展開

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23227003
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 若槻 壮市 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 研究員 (00332114)
• 研究分担者: 後田 裕 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 (10342601) ; 三宅 秀樹 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, 助教 (20403115) ; 清水 伸隆 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (20450934) ; 樋口 岳雄 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任准教授 (40353370) ; 松垣 直宏 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (50342598) ; 田中 秀治 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, 准教授 (80311124)
• 研究期間 (年度): 2011-05-31 – 2016-03-31
• キーワード: X線結晶構造解析 / DEPFET検出器

研究概要

小面積DEPFETセンサーをX-Y二軸上で走査してニワトリコラーゲンからの小角散乱像を測定した。測定はKEK-PFのビームラインBL-10Cで行われた。小面積の像を結合した像（大面積検出器を模擬したもの）からは分子の構造を反映した明瞭な小角散乱パターンが観察された。
小面積センサーの感度ムラや欠陥ピクセルを調査する目的で、センサーに空間的に一様なX線（フラットフィールド）ビームを照射し、得られたイメージを解析した。結果として欠陥ピクセルは存在せず、センサー周辺部の数ピクセル幅でノイズが大きい（S/Nが低い）ことが分かった。
検出器の位置分解能を決める特性の一つ、ポイントスプレッド関数を実測した。KEK-PFのビームラインBL-5Aにおいて、二点ピンホール（Φ10ミクロン）配置を作り、センサー面にエネルギー12.3keVの小径ビームを照射できるようなセットアップを組んだ。ビームの広がり（10ミクロン強）を仮定すると、ポイントスプレッド関数は1ピクセル（20ミクロン）以下であることが示された。小径ビームをセンサーに斜め入射させたときのポイントスプレッド関数に関しても測定および評価を行った。

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

放射光ビームラインにおいてコラーゲンからの小角散乱像の取得に成功し、感度ムラや位置分解能等の検出器基礎データを収集・解析できた。その結果センサー仕様をほぼ決定することができた。

今後の研究の推進方策

決定した仕様に基づきドイツMPIグループの協力のもとセンサーの生産を開始する。同時にDAQやメカニクスの設計を進め、平成27年度の検出器完成を目指す。
研究計画では800万画素のセンサーを円筒状に配置する検出器の製作を想定していたが、大幅な円安等の理由でこれが困難となっている。現在の試算では300万画素程度の検出器となることが予想されるため円筒型検出器の製作は難しい。しかし、300万画素の平面検出器（有効面積約80mm角）でも、DEPFETの高速読み出しや小さなピクセルサイズといった特徴を生かした結晶構造解析および溶液散乱の実験に十分応用できる。

研究成果

• [学会発表] Study for development of novel detector system for structural biology using ultrafast fine pixel detector
  • 著者名/発表者名: HARA, Koji (KEK IPNS), WAKATSUKI, Soichi (KEK IMSS, SLAC Photon Science, Stanford Univ. School of Medicine), SHIMIZU, Nobutaka (KEK IMSS), MATSUGAKI, Naohiro (KEK IMSS), USHIRODA, Yutaka (KEK IPNS), TANAKA, Shuji (KEK IPNS), MIYAKE, Hideki (KEK IPNS), HIGUCHI, Takeo (Kavli IPMU)
  • 学会等名: 5th Asian Forum for Accelerators and Detectors (AFAD)
  • 発表場所: Australian Synchrotron, Melbourne, Australia