超低バックグラウンドを実現するＡＤ変換器一体型の広帯域Ｘ線ＳＯＩ撮像分光器の開発

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23340047
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 鶴 剛 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10243007)
• 研究分担者: 新井 康夫 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 (90167990)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: Ｘ線天文学 / Ｘ線検出器 / ＳＯＩ

研究概要

初期宇宙の銀河中心で超巨大ブラックホールが誕生する瞬間を捉え，超新星残骸や銀河団などの宇宙大規模高温プラズマの衝突によって起こる高エネルギー粒子加速を探査するためには，微弱な天体の硬X線精密分光撮像が必要である．従来の検出器では，分光能力の不足や衛星軌道上の放射線による高いバックグラウンドが問題となり，その実現が阻まれていた．そこで私たちはSOI(Silicon-On-Insulator)技術を応用した日本独自のアナログ・デジタルICと厚いX線検出部を持つ一体型シリコンピクセルSOI検出器「X線SOIPIX」でこの困難を打ち破り，ワイドバンドX線分光撮像天文学を開拓する．今年度は下記の成果を得た．
(1)ピクセル間クロストーク：隣り合うピクセル間のクロストークは 0.2 - 0.5%と分かった．理想エネルギー分解能に対して十分小さく，性能に影響を与えない事がわかった．(2)中型素子 XRPIX2-CZの開発：XRPIX1/1bの撮像領域1mm角から4mm角を持つ素子XRPIX2の開発に成功した．基本的な動作確認を行った後に，下記に示す開発研究に供した．(3)XRPIX2-CZによる撮像領域とピクセルサイズ拡大の効果の研究：撮像サイズの大型化(1mm→4mm角)に伴う性能変化(劣化)は見られないことがわかった．単純なピクセルサイズの拡大では，チャージシェアリング効果が減少し，シングルピクセルイベントが増加する．一方でピクセル内部の電荷収集効率が下がる．ピクセル内電荷収集ノード数を増やすと，電荷収集効率は上昇するがゲインが下がる．(4)イベント駆動読み出し：レーザーを用いた検証実験等を行ったところ，トリガ回路にラッチが必要である事がわかった．(5)次年度の開発に向けた準備：XRPIX2b，新FZウェハ，ピザプロセス，XRPIX3の準備を行った．

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

今年度はピクセル間クロストーク，中型素子 XRPIX2-CZの開発，XRPIX2-CZによる撮像領域とピクセルサイズ拡大の効果の研究，イベント駆動読み出し，α線を用いたＸ線発生装置の開発を行い，次年度に向けてXRPIX2b，新FZウェハ，ピザプロセス，XRPIX3の準備を行った．いずれも計画以上に進展している．

今後の研究の推進方策

次年度は(1)撮像領域サイズとして敷き詰め可能なXRPIX2bの試験，(2)ウェハとして新FZの導入と，ピザプロセスによる裏面からの暗電流低下．(3)アナログ部として各ピクセルに電荷有感アンプを設ける．(4)デジタル部としてヒット回路の改良とイベント駆動読み出し機能の強化を行う．

研究成果

• [雑誌論文] Tests With Soft X-rays of an Improved Monolithic SOI Active Pixel Sensor (2013)
  • 著者名/発表者名: S.G. Ryu, T.G.Tsuru, G.Prigozhin, S.Kissel, M.Bautz, B.LaMarr, S.Nakashima, R.Foster, A.Takeda, Y.Arai, T.Imamura, T.Ohmoto, A.Iwata
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 60 ページ: 465-469
  • DOI: 10.1109/TNS.2012.2231880
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and Evaluation of a SOI Pixel Sensor for X-ray Trigger-driven Readout (2013)
  • 著者名/発表者名: Ayaki Takeda, Yasuo Arai, Syukyo Gando Ryu, Shinya Nakashima, Takeshi Go Tsuru, Toshifumi Imamura, Takafumi Ohmoto, and Atsushi Iwata
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 60 ページ: 586-591
  • DOI: 10.1109/TNS.2012.2225072
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development and characterization of the latest X-ray SOI pixel sensor for a future astronomical mission (2013)
  • 著者名/発表者名: Shinya Nakashima, Syukyo Gando Ryu, Takaaki Tanaka, Takeshi Go Tsuru, Ayaki Takeda, Yasuo Arai, Toshifumi Imamura, Takafumi Ohmoto, Atsushi Iwata
  • 雑誌名: NIM A 巻: 未定 ページ: 未定
  • 査読あり
• [雑誌論文] Progress in Development of Monolithic Active Pixel Detector for X-ray Astronomy with SOI CMOS Technology (2012)
  • 著者名/発表者名: Shinya Nakashima, Syukyo Gando Ryu, Takeshi Go Tsuru, Ayaki Takeda, Yasuo Arai, Toshinobu Miyoshi, Ryo Ichimiya, Yukiko Ikemoto, Toshifumi Imamura, Takafumi Ohmoto, Atsushi Iwata
  • 雑誌名: Physics Procedia 巻: 37 ページ: 1373–1380
  • DOI: 10.1016/j.phpro.2012.04.100 T
  • 査読あり
• [学会発表] Development and Performance of Kyoto's X-ray Astronomical SOI pixel sensor (2012)
  • 著者名/発表者名: T.G.Tsuru, S.G. Ryu, S.Nakashima, A.Takeda, Y.Ara, T. Imamura, A. Iwata, T. Ohmoto, T. Maeda, M. Bautz, G.Y.Prigozhin, S.E.Kissel, B.LaMarr, R.F.Foster,. Nakajima, H. Tsunemi, J.P.Doty
  • 学会等名: SPIE
  • 発表場所: Amsterdam
  • 年月日: 20120701-20120706
• [備考] SOIPIX
  • URL: http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/member/ryu/html/SOIPIX.html