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

2013 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 / 宇宙物理 / Ｘ線 / 検出器

研究概要

電荷有感アンプ内蔵素子の開発によるエネルギー分解能の向上：読み出しノイズを改善するために，今年度は全てのピクセルに電荷有感アンプを内蔵する素子XRPIX3の開発を行った．その結果，ゲインが従来の3.5倍に向上し，読み出しノイズ33e-(rms)を達成した．図2はXRPIX3を-50℃，バックバイアス電圧5V，フレーム読み出しで得たFe-55からのMn-K X線のスペクトルである．エネルギー分解能300eV（FWHM）を達成し，Mn -Kα線とKβ線の分離が初めて可能になった．
軟Ｘ線性能を改善するための裏面処理の開発：軟Ｘ線を検出するためには，Ｘ線を照射させる素子裏面の不感層をできるだけ薄くする必要がある．その際，不純物を打ち込むだけの単純な裏面処理では，多数の格子欠陥が生ずるので暗電流が増えて，読み出しノイズを劣化させる．そこで暗電流を抑えるプロセスを開発する必要がある．本年度は(a)厚いウェハに対するラピス裏面プロセス，(b)薄くしたウェハに対するラピス裏面プロセス，(c)「ピザプロセス」の３つのプロセスを試した．次年度にそれぞれの性能評価を行う．

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

最大の課題であった，読み出しノイズとエネルギー分解能が向上した．電荷有感アンプの導入は精巧であった．また，軟Ｘ線検出感度向上への方策も進める事に成功した．

今後の研究の推進方策

素子回路のレイアウトを改良し，さらなるエネルギー分解能の向上を目指す．また組み込みADCのTEGとしてXRPIX-ADC1の評価を行う．評価結果次第で実際の組み込みは本研究終了後になる可能性もある．

研究成果

• [雑誌論文] Design and Evaluation of an SOI Pixel Sensor for Trigger-Driven X-Ray Readout (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeda, Ayaki; Arai, Yasuo; Ryu, Syukyo Gando; Nakashima, Shinya; Tsuru, Takeshi Go; Imamura, Toshifumi; Ohmoto, Takafumi; Iwata, Atsushi
  • 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
• [学会発表] Development and Performance of Kyoto's X-Ray Astronomical SOI Pixel Sensor (2014)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Tsuru
  • 学会等名: FEE2014
  • 発表場所: Argonne National Laboratory, アルゴンヌ市, イリノイ州, 米国
  • 年月日: 20140519-20140523
  • 招待講演
• [学会発表] Development of SOI Pixel Sensors for X-ray Astronomy (2013)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Tanaka, Shinya Nakashima, Hideaki Matsumura, Takeshi Go Tsuru, Ayaki Takeda, Yasuo Arai
  • 学会等名: IEEE NSS 2013
  • 発表場所: Soule, Korea
  • 年月日: 20131027-20131102
• [学会発表] Development and Performance of Kyoto’s X-ray Astronomical SOI pixel sensor Sensor (2013)
  • 著者名/発表者名: S.G. Ryu, S.Nakashima, Matsumura, T.Tanaka, A.Takeda, Y.Arai, T. Imamura, A. Iwata, T. Ohmoto, T. Maeda, M. Bautz, G.Y.Prigozhin, S.E.Kissel, B.LaMarr, R.F.Foster
  • 学会等名: SDW2013
  • 発表場所: Florence, Italy
  • 年月日: 20131007-20131011
• [学会発表] Development of a Fully Depleted Back Illumination Sensor Based on SOI CMOS Technology for Future X-Ray Astronomy Satellites (2013)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Matsumura, S. Nakashima, T. G. Tsuru, T. Tanaka, A. Takeda, Y. Arai, T. Miyoshi, R. Ichimiya, T. Imamura, T. Ohmoto, A. Iwata
  • 学会等名: HSDT9
  • 発表場所: Hiroshima, JAPAN
  • 年月日: 20130901-20130905
• [学会発表] Development of Kyoto’s X-ray Astronomical SOI pixel sensor (2013)
  • 著者名/発表者名: S.G. Ryu, S.Nakashima, Matsumura, T.Tanaka, A.Takeda, Y.Arai, T. Imamura, A. Iwata, T. Ohmoto, T. Maeda, M. Bautz, G.Y.Prigozhin, S.E.Kissel, B.LaMarr, R.F.Foster
  • 学会等名: SOI Collaboration Meeting at Krakow
  • 発表場所: Krakow, Poland
  • 年月日: 20130506-20130507
• [備考] 次世代衛星用X線SOIピクセルカメラ
  • URL: http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/member/ryu/html/SOIPIX.html