宇宙最初期ブラックホールの探査研究を実現する衛星搭載Ｘ線精密イメージングの開拓

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Interdisciplinary research on quantum imaging opened with 3D semiconductor detector
• Project/Area Number: 25109004
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鶴 剛 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10243007)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森 浩二 宮崎大学, 工学部, 准教授 (00404393) ; 幸村 孝由 東京理科大学, 理工学部, 准教授 (20365505) ; 田中 孝明 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (20600406)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: Ｘ線天文学 / 宇宙物理 / Ｘ線 / 検出器 / SOI

Outline of Annual Research Achievements

宇宙最初期に誕生する超巨大ブラックホール「ファーストブラックホール」を探査・研究し、銀河も含めた形成と進化を読み解くことが本研究の科学的最終目標である。現在宇宙X線観測で主流のX線CCDでは読み出し速度が遅く、非同時計数によるバックグラウンド除去ができないので、科学目標に必要な微弱な天体のX線精密分光撮像が不可能である。そこでイベント駆動X 線SOIピクセル検出器(SOIPIX)を開発する。
ピクセル電荷有感アンプはXRPIX3で成功したものの，予定ゲインには達しなかった．検討の結果，アンプ入力部の寄生容量が大きい事がわかった．そこで，そのレイアウトデザインを改良した素子=AXRPIX1の開発を行った．
昨年度，C01班との協力のもとSPring-8で行った10μmΦのペンシルビームX線によるピクセル内部の電荷収集効率の測定の実験結果を解析したところ，ピクセル境界で著しく電荷収集効率が劣化している事がわかった．さらに詳しく検討した所，BPWでカバーされていないピクセル回路がセンサー層の電場構造を乱している事が原因である事がわかった．そして．回路を適切な位置に配置する事で避ける事ができることがわかった．
読み出しノイズの大部分が素子内部の周辺回路が源である事がわかった．そこで，A02班と協力し，新しい読み出し回路を備えたXRPIX4の開発を行った．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本B01班で開発するXRPIXの要素技術のうち最も重要な分光性能に関して，電荷収集効率のピクセル内部の非一様性とノイズ源を発見し，この原因を突き止め，改良の処方を得る事ができた．電荷収集効率の問題に対処し．さらに新しい読み出し回路を備えたXRPIX4の開発に成功した．

Strategy for Future Research Activity

XRPIX4で分光性能の改善を試みているので，平行して他の重要な要素技術の確立を行う．次年度は特に，素子の大型化(15mm×25mm)，不感層の薄い裏面プロセスの開発を行う．さらに，イベント読み出し時のセンサー層と回路層の電気的干渉を切る方策を探る．

Research Products

• [Journal Article] Improvement of Spectroscopic Performance using a Charge-sensitive Amplifier Circuit for an X-Ray Astronomical SOI Pixel Detector (2015)
  • Author(s): Ayaki Takeda, Takeshi Go Tsuru, Takaaki Tanaka, Hiroyuki Uchida, Hideaki Matsumura, Yasuo Arai, Koji Mori, Yusuke Nishioka, Ryota Takenaka, Takayoshi Kohmura, Shinya Nakashima, Shoji Kawahito , Keiichiro Kagawa , Keita Yasutomi, Hiroki Kamehama, and Sumeet Shrestha
  • Journal Title: JINST Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Investigation of charge-collection efficiency of Kyoto's X-ray astronomical SOI pixel sensors, XRPIX (2014)
  • Author(s): Matsumura, Hideaki; Tsuru, Takeshi Go; Tanaka, Takaaki; Nakashima, Shinya; Ryu, Syukyo G.; Takeda, Ayaki; Arai, Yasuo; Miyoshi, Toshinobu
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 765 Pages: 183-186
  • DOI: 10.1016/j.nima.2014.05.025
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Investigation of Charge-Collection Efficiency of Kyoto's X-ray Astronomical SOI Pixel Sensor, XRPIX (2014)
  • Author(s): Matsumura, Hideaki; Tsuru, Takeshi Go; Tanaka, Takaaki; Nakashima, Shinya; Arai, Yasuo; Takeda, Ayaki; Mori, Koji; Nishioka, Yusuke; Takenaka, Ryota; Kohmura, Takayoshi
  • Journal Title: Suzaku-MAXI 2014: Expanding the Frontiers of the X-ray Universe, proceedings of a conference held 19-22 February, 2014 at Ehime University, Japan. Edited by M. Ishida, R. Petre, and K. Mitsuda Volume: 1 Pages: 176 - 176
• [Journal Article] Development and Performance of Kyoto's X-ray Astronomical SOI pixel (SOIPIX) sensor (2014)
  • Author(s): Tsuru, Takeshi G.; Matsumura, Hideaki; Takeda, Ayaki; Tanaka, Takaaki; Nakashima, Shinya; Arai, Yasuo; Mori, Koji; Takenaka, Ryota; Nishioka, Yusuke; Kohmura, Takayoshi; Hatsui, Takak, et al.
  • Journal Title: Proceedings of the SPIE Volume: 9144 Pages: 914412-1 - 7
  • DOI: 10.1117/12.2057158
• [Presentation] XRPIXの開発計画 (2014)
  • Author(s): 鶴 剛
  • Organizer: SOI新学術領域研究会
  • Place of Presentation: 金沢工業大学
  • Year and Date: 2014-11-26 – 2014-11-27
• [Presentation] SOI技術を用いた新型X線撮像分光器の開発10: 開発の現状 (2014)
  • Author(s): 鶴剛, 松村英晃, 武田彩希, 田中孝明 (京大理), 中島真也 (ISAS/JAXA), 新井康夫 (KEK), 森浩二, 竹中亮太, 西岡祐介 (宮崎大工), 幸村孝由 (東京理科大), 初井宇記, 尾崎恭介, 香村芳樹, 和賀井達也, 武井大 (理研), 亀島敬 (JASRI), 川人祥二, 香川景一郎, 安富啓太, 亀濱博紀, Sumeet Shrestha (静岡大電子工学研究所)
  • Organizer: 日本天文学会
  • Place of Presentation: 山形大学
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] Development and Performance of Kyoto's X-ray Astronomical SOI pixel (SOIPIX) sensor (2014)
  • Author(s): Tsuru, Takeshi G.; Matsumura, Hideaki; Takeda, Ayaki; Tanaka, Takaaki; Nakashima, Shinya; Arai, Yasuo; Mori, Koji; Takenaka, Ryota; Nishioka, Yusuke; Kohmura, Takayoshi; Hatsui, Takaki; Kameshima et al.
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation
  • Place of Presentation: モントリオール, カナダ
  • Year and Date: 2014-06-22 – 2014-06-27
• [Presentation] Development and Performance of Kyoto's X-ray Astronomical SOI pixel sensor (2014)
  • Author(s): T.G.Tsuru, H. Matsumura, A.Takeda, T.Tanaka (Kyoto U.), Y.Arai (KEK), K.Mori, Y.Nishioka, R.Takenaka (U. Miyazaki), T.Kohmura (Tokyo U. of Science), S.Nakashima (ISAS/JAXA), T. Hatsui, T. Kameshima, K.Ozaki, Y.Kohmura, T. Wagai, D.Takei (Riken), S. Kawahito (Shizuoka U.)
  • Organizer: FEE2014
  • Place of Presentation: Argonne National Labo, USA
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [Remarks] ３次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開
  • URL: http://soipix.jp/