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所属 |
工学教育研究部 工学科半導体サイエンスプログラム担当 |
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職名 |
准教授 |
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関連SDGs |
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研究分野 【 表示 ／ 非表示 】
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ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 電子デバイス、電子機器
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自然科学一般 / 素粒子、原子核、宇宙線、宇宙物理にする実験
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エネルギー / 量子ビーム科学
論文 【 表示 ／ 非表示 】
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Takeda A., Mori K., Nishioka Y., Hida T., Yukumoto M., Kanemaru Y., Yonemura S., Mieda K., Tsuru T.G., Tanaka T., Kurachi I., Arai Y.
Journal of Instrumentation 15 ( 12 ) 2020年12月
担当区分：筆頭著者 記述言語：英語 掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：Journal of Instrumentation
This paper reports on the development of on-chip pattern processing in the event-driven silicon-on-insulator pixel detector for X-ray astronomy with background rejection purpose. X-ray charge-coupled device (CCD) detectors, well-established pixel detectors used in this field, has proven that classification of detected events considering their spatial pattern is effective for particle background rejection. Based on the current architecture of our device and from the CCD images obtained in space, we first established a design concept and algorithm of the pattern processor to be implemented. Then, we developed a new device, including a prototype pattern-processing circuit. Experiments using X-ray and beta-ray radioisotopes demonstrated that the pattern processor properly works as expected, and the particle background rejection is realized in an on-chip fashion. This function is useful, especially in a limited-resource system such as the CubeSat.
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Takeda A., Mori K., Nishioka Y., Fukuda K., Yukumoto M., Hida T., Tsuru T.G., Tanaka T., Uchida H., Hayashi H., Harada S., Okuno T., Kayama K., Arai Y., Kurachi I., Kohmura T., Hagino K., Negishi K., Oono K., Yarita K., Matsumura H., Kawahito S., Kagawa K., Yasutomi K., Shrestha S., Nakanishi S., Kamehama H.
Journal of Instrumentation 15 ( 11 ) 2020年11月
担当区分：筆頭著者 記述言語：英語 掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：Journal of Instrumentation
This paper reports the spectroscopic performance improvement of the silicon-oninsulator (SOI) pixel detector for X-ray astronomy, by introducing a double-SOI (D-SOI) structure. For applications inX-ray astronomical observatories, we have been developing a series of monolithic active pixel sensors, named as “XRPIXs,” based on SOI pixel technology. The D-SOI structure has an advantage that it can suppress a parasitic capacitance between the sensing node and the circuit layer, due to which the closed-loop gain cannot be increased in our conventional XRPIXs with a single-SOI (S-SOI) structure. Compared to the S-SOI XRPIX, the closed-loop gain is doubled in the D-SOI XRPIX. The readout noise is effectively lowered to 33% (16 e (rms)), and the energy resolution at 6.4 keV is improved by a factor of 1.7 (290 eV in FWHM). The suppression of the parasitic capacitance is also quantitatively evaluated based on the results of capacitance extraction simulation from the layout. This evaluation provides design guidelines for further reduction of the readout noise.
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Development and performance evaluation of a fully digitalized SOI pixel detector for X-ray astronomy 査読あり
Matsuhashi H., Hagino K., Bamba A., Takeda A., Yukumoto M., Mori K., Nishioka Y., Suzuki H., Tsuru T.G., Ikeda T., Matsuda M., Narita T., Tanaka T., Kurachi I., Kohmura T., Uchida Y., Arai Y., Kawahito S., Uenomachi M., Imamura T., Ohmoto T., Murasaka Y.
Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering 13625 47 - 47 2025年9月
掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス） 出版者・発行元：Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering
We are developing XRPIX, a monolithic active pixel sensor based on SOI technology for future X-ray astronomy satellites. For deployment on satellites, miniaturization of the sensor peripheral circuitry is essential. This requirement is particularly important for enabling large sensor area, as their readout systems should be compact in the limited area in the satellite. To address this challenge, we previously integrated Analog-to-Digital Converters (ADCs) into XRPIX9. As an extension of this work, the latest XRPIX chip now also incorporates Digital-to-Analog Converters (DACs) to achieve further miniaturization of the system, enabling a fully on-chip signal digitalization and minimizing the overall footprint. We evaluated the output noise of the on-chip DACs, which supply critical bias voltages such as the trigger threshold and reset levels. The resulting noise was measured to be 0.12 mV (3 e<sup>-</sup>). To provide a stable reference voltage for the DACs, we also implemented the on-chip bandgap reference (BGR) circuit. This circuit demonstrated good thermal stability, with a temperature dependence of 242 µV/<sup>o</sup>C, ensuring its suitability for observations. In an end-to-end test, we evaluated the X-ray spectroscopic performance of XRPIX12, operated by its on-chip circuits, using X-ray sources. In this test, we successfully read out events using the on-chip DACs and ADCs, and obtained an energy resolution of ∆E = 284 eV (FWHM) at 5.9 keV in the best-performing pixel.
DOI： 10.1117/12.3063042
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Komura Y., Tsuru T.G., Takeda A., Enoto T., Uchida H., Matsuda M., Narita T., Uebayashi H., Mori K., Hagino K., Matsuhashi H., Arai Y., Takayanagi T., Imamura T., Ono M.
Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering 13625 2025年9月
掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering
We have been developing “XRPIX”, an X-ray pixel sensor using silicon-on-insulator CMOS technology for next-generation X-ray astronomy satellites. Each pixel of XRPIX has a threshold circuit with the function of outputting a trigger signal and its coordinate when an event hits. By reading only the hit pixel in response to the trigger signal, XRPIX enables an efficient data acquisition with a time resolution of better than 10 µs. It allows us to observe variable phenomena on a sub-millisecond time scale, and reduce non-X-ray background by adopting an anti-coincidence technique. However, these intelligent operations currently require the XRPIX chip of communication with the external control circuit via ∼100 wires, which makes it difficult to place the multiple chips in a small sensor tray located at the focal plane of the X-ray telescope. To address this issue, we are developing the signal pattern generator (PG) to implement on the XRPIX chip. In according with simple commands from the control circuit, the PG outputs the complex signals on-chip required for XRPIX operation. This reduces the number of wiring between the chip and the control circuit to only 37. We have designed the function of the PG in a hardware description language (HDL). As the next step, we will operate the conventional XRPIX using a control circuit that reproduces the HDL source code of the PG to validate its design. Subsequently, a PG-TEG with additional pads for monitoring internal signals will be processed to verify the operation of the actual chip.
DOI： 10.1117/12.3063504
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Yukumoto M., Mori K., Takeda A., Nishioka Y., Kimura M., Fuchita Y., Yoshida T., Tsuru T.G., Kurachi I., Hagino K., Arai Y., Kohmura T., Tanaka T., Nobukawa K.K.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 1072 2025年3月
掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment
We have been developing silicon-on-insulator (SOI) pixel detectors with a pinned depleted diode (PDD) structure, named “XRPIX”, for X-ray astronomy. In our previous study, we successfully optimized the design of the PDD structure, achieving both the suppression of large leakage current and satisfactory X-ray spectroscopic performance. Here, we report a detailed study on the X-ray spectroscopic performance of the XRPIX with the optimized PDD structure. The data were obtained at −60 °C with the “event-driven readout mode”, in which only a triggering pixel and its surroundings are read out. The energy resolutions in full width at half maximum at 6.4 keV are 178±1eV and 291±1eV for single-pixel and all-pixel event spectra, respectively. The all-pixel events include charge-sharing pixel events as well as the single-pixel events. These values are the best achieved in the history of our development. We argue that the gain non-linearity in the low energy side due to excessive charge injection to the charge-sensitive amplifier is a major factor to limit the current spectroscopic performance. Optimization of the amount of the charge injection is expected to lead to further improvement in the spectroscopic performance of XRPIX, especially for the all-pixel event spectrum.
MISC 【 表示 ／ 非表示 】
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X線天文衛星搭載用SOIピクセル検出器に対する放射線耐性の評価
藤田紗弓, 志賀文哉, 幸村孝由, 内田悠介, 鶴剛, 内田裕之, 松田真宗, 成田拓仁, 上林暉, 上村悠介, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 木村明愉, 塩川朝日, 三谷美輝, 角谷昂亮, 鎌田信壱, 黒木瑛介, 齊藤悠人, 佐々木悠任, 渕田悠太, 吉田大雅, 信川久実子, 岸本拓海, 桑野慧, 萩野浩一, 松橋裕洋, 鈴木寛大, 田中孝明, 上ノ町水紀, 新井康夫, 倉知郁生
応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM) 85th 2024年
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SOI技術を用いた新型X線撮像分光器の開発63:PDD構造を導入したX線天文用SOIピクセル検出器のサブピクセルレベルのX線応答特性の評価
志賀文哉, 藤田紗弓, 土居俊輝, 幸村孝由, 内田悠介, 鶴剛, 内田裕之, 松田真宗, 成田拓仁, 上林暉, 上村悠介, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 木村明愉, 塩川朝日, 三谷美輝, 角谷昂亮, 鎌田信壱, 黒木瑛介, 齊藤悠人, 佐々木悠任, 渕田悠太, 吉田大雅, 信川久実子, 岸本拓海, 桑野慧, 萩野浩一, 松橋裕洋, 鈴木寛大, 田中孝明, 上ノ町水紀, 新井康夫, 倉知郁生
日本天文学会年会講演予稿集 2024 2024年
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SOI技術を用いた新型X線撮像分光器の開発64:周辺回路を内蔵した新型XR-PIXの開発と性能評価
松橋裕洋, 馬場彩, 萩野浩一, 武田彩希, 行元雅貴, 森浩二, 鶴剛, 松田真宗, 成田拓仁, 上林暉, 上村悠介, 田中孝明, 鈴木寛大, 倉知郁生, 幸村孝由, 内田悠介, 新井康夫, 高柳武浩
日本天文学会年会講演予稿集 2024 2024年
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軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画FORCEの現状(15)
森浩二, 武田彩希, 村上弘志, 寺田幸功, 久保田あや, 山田智史, 馬場彩, 小高裕和, 谷津陽一, 小林翔悟, 幸村孝由, 内山泰伸, 佐藤寿紀, 北山哲, 高橋忠幸, 石田学, 渡辺伸, 山口弘悦, 藤田裕, 中嶋大, 萩野浩一, 中澤知洋, 古澤彰浩, 鶴剛, 上田佳宏, 内田裕之, 榎戸輝揚, 水本岬希, 田中孝明, 鈴木寛大, 松本浩典, 野田博文, 常深博, 伊藤真之, 信川正順, 信川久実子, 太田直美, 粟木久光, 寺島雄一, 志達めぐみ, 深沢泰司, 水野恒史, 高橋弘充, 谷本敦, 赤松弘規, HORNSCHEMEIER Ann.E, OKAJIMA Takashi, ZHANG W.William, VENTERS Tonia, YUKITA Mihoko
日本天文学会年会講演予稿集 2023 2023年
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SOI技術を用いた新型X線撮像分光器の開発 57:PDD構造を持つ大面積X線SOI-CMOS謙都XRPIXの性能評価
泉大輔, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 川島陸斗, 眞方恒陽, 鶴剛, 内田裕之, 上ノ町水紀, 天野雄輝, 佳山一帆, 松田真宗, 島添健次, 高橋浩之, 倉知郁生, 新井康夫, 幸村孝由, 内田悠介, 土居俊輝, 角町駿, 武居悠貴, 清水真, 田中孝明, 鈴木寛大, 萩野浩一
日本天文学会年会講演予稿集 2023 2023年
講演・口頭発表等 【 表示 ／ 非表示 】
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超高層大気を観測するISS曝露部搭載X線SOI-CMOSカメラSUIMの開発状況
鈴木寛大, 武田彩希, 黒木瑛介, 田中富貴, 髙本巴瑠乃, 有川玲華, 柴田夢叶, 森浩二, 桒野慧
日本物理学会 2026年3月26日
開催年月日： 2026年3月23日 - 2026年3月26日
記述言語：日本語 会議種別：口頭発表（一般）
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超高層大気観測用X線カメラSUIMフライトモデルの地上試験X線スペクトル
松井怜生, 信川久実子, 桒野慧, 竹島優人, 佐藤彰太郎, 青木悠馬, 武田彩希
日本物理学会 2026年3月26日
開催年月日： 2026年3月23日 - 2026年3月26日
記述言語：日本語 会議種別：口頭発表（一般）
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超高層大気観測専用X線カメラ「SUIM」に搭載するスリットコリメータの開発
桒野慧, 信川久実子, 松井怜生, 竹島優人, 佐藤彰太郎, 青木悠馬, 武田彩希
日本物理学会 2026年3月26日
開催年月日： 2026年3月23日 - 2026年3月26日
記述言語：日本語 会議種別：口頭発表（一般）
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超高層大気を観測するISS曝露部搭載X線SOI-CMOSカメラSUIMの地上試験
武田彩希, 黒木瑛介, 田中富貴, 髙本巴瑠乃, 有川玲華, 柴田夢叶, 鈴木寛大, 森浩二, 信川久実子
日本物理学会 2026年3月26日
開催年月日： 2026年3月23日 - 2026年3月26日
記述言語：日本語 会議種別：口頭発表（一般）
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10B成膜SOI-CMOS検出器によるパルス中性子の応答評価
武田彩希，鎌田 信壱，井尻 真騎士
第73回応用物理学会春季学術講演会 2026年3月17日
開催年月日： 2026年3月15日 - 2026年3月18日
記述言語：日本語 会議種別：口頭発表（一般）
受賞 【 表示 ／ 非表示 】
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令和４年度 コニカミノルタ画像科学奨励賞
2023年3月 公益財団法人 コニカミノルタ科学技術振興財団 高感度・広帯域化を実現する異種半導体一体型Ｘ線イメージセンサの開発
武田 彩希
受賞区分：国内外の国際的学術賞
科研費（文科省・学振・厚労省）獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】
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情報推定型量子イメージングカメラの創出
研究課題/領域番号：24K21550 2024年04月 - 2027年03月
独立行政法人日本学術振興会 科学研究費基金 挑戦的研究（萌芽）
武田 彩希
担当区分：研究代表者
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パルス中性子イメージングの高解像度化を実現する半導体検出器の開発
研究課題/領域番号：22H03873 2022年04月 - 2025年03月
独立行政法人日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究(B)
武田 彩希, 島添 健次, 神谷 好郎
担当区分：研究代表者
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ＣＰＵ組み込みＦＰＧＡを用いたガンマ線リアルタイムイメージング手法の研究
研究課題/領域番号：19K14742 2019年04月 - 2022年03月
日本学術振興会 科学研究費補助金 若手研究
武田 彩希
担当区分：研究代表者
本研究は，CPU組み込みFPGAを用いたガンマ線リアルタイムイメージング手法の研究を目的とする。本研究により，以下の３つの研究成果を得た。１）パターン情報を抽出するデジタル回路を開発しイメージセンサ内へ組み込むことで，ガンマ線によるコンプトン散乱起因の反跳電子を効率よくデータ取得することが可能となった。２）コンプトン散乱事象をシミュレーションすることで反跳電子の疑似画像データを生成し，それらを用いてニューラルネットワークによるデータ処理モデルを作成した。３）開発したモデルをCPU組み込みFPGAに実装する手法を検討し，実機を用いた実装検討を進めることができた。
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多層化SOIピクセル検出器による電子飛跡型半導体コンプトンカメラの開発
研究課題/領域番号：15K17648 2015年04月 - 2018年03月
科学研究費補助金 若手研究(B)
担当区分：研究代表者
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日本発の高速ＳＯＩ検出器と変調型Ｘ線源による月面の高解像度蛍光Ｘ線元素マッピング
研究課題/領域番号：25H00691 2025年04月 - 2028年03月
独立行政法人日本学術振興会 科学研究費基金 基盤研究(A)
鶴 剛, 長岡 央, 玉川 徹, 武田 彩希, 石川 明正
担当区分：研究分担者
その他競争的資金獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】
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超小型衛星による地球超高層大気の観測に向けたＸ線カメラの開発
2022年08月 - 2023年07月
公益財団法人 村田学術振興財団 第38回（2022年度）公益財団法人 村田学術振興財団 研究開発助成
武田 彩希
担当区分：研究代表者
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可搬型ガンマ線実時間撮像装置の実現に向けたデータ処理技術の開発
2022年02月 - 2023年01月
公益財団法人 島津科学技術振興財団 2021年度研究開発助成
武田 彩希
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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高感度・広帯域化を実現する異種半導体一体型Ｘ線イメージセンサの開発
2023年03月 - 2025年02月
公益財団法人 コニカミノルタ科学技術振興財団 令和４年度コニカミノルタ画像科学奨励賞 助成金
武田 彩希
担当区分：研究代表者
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Si-CdTe一体型３次元半導体放射線イメージセンサの開発
2023年01月 - 2023年12月
公益財団法人 カシオ科学振興財団 第40回（令和４年度）研究助成
武田 彩希
担当区分：研究代表者