【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】15K05107 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 超新星残骸 / プラズマ / X線宇宙物理学 / X線天文学 / 衝撃波 / プラズマ診断 / X線 / ガンマ線 / ガンマ線天文学 / 超新星 / 中性子星

【研究成果の概要】

宇宙線は我々の銀河の基本構成要素だが、発見以来100年たった現在も加速機構などの議論が続いている。星の死の際の爆発の残骸「超新星残骸」の衝撃波は効率よい加速現場であるが、加速粒子が逃亡し宇宙線になる様は未解明であった。我々は衝撃波が分子雲と衝突した際に磁場減衰が起こり宇宙線が逃亡すると同時にプラズマが急冷却されることに注目し、急冷却プラズマの緩和時間を宇宙線逃亡のストップウォッチとして測定した。15天体程度の超新星残骸で急冷却プラズマの緩和時間(X線)と残された加速粒子の最高エネルギー(ガンマ線)を比較し、高エネルギー粒子ほど早いタイムスケールで逃亡していくことを初めて観測的に示した。

【研究の社会的意義】

宇宙線は宇宙マイクロ波背景放射や星光と同程度のエネルギー密度を持つ、我々の銀河の基本構成要素の一つであり、地上でも自然放射線の3割を占める。また、最高エネルギーは10^20電子ボルトにもなり、地上の実験加速器では到底再現できない素粒子物理学の探求も可能である。宇宙線の起源の理解の最後の1ピースのひとつであった、加速粒子が加速現場から逃亡し宇宙線になる瞬間をとらえた意義は大きい。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】原子力学

【研究領域課題番号】26289366 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

放射線計測 / 有機半導体 / インクジェット / ピクセル化 / X線 / 放射線分布 / エネルギー推定 / γ線 / エネルギー測定 / 生体等価 / パルス計測 / 放射線 / 有機ホトダイオード / シンチレータ / 分布

【研究成果の概要】

有機半導体を用いるピクセル型放射線計測素子のインクジェット法による製作について検討し、製作プロセスを最適化した。X線照射実験による性能評価および製作条件検討へのフィードバックを行うことで、性能を向上させた。溶剤の種類や塗布量、塗布間隔等について検討し、概ね安定した性能が得られる状態とした。単一のフィルム上に5個の有感部を持つピクセル型素子を作成し、各有感部からの信号によりX線分布が測定可能であることを実証した。有機半導体による複数の電流読み出し型検出器による放射線エネルギーの推定について検討し、その可能性を示した。医療現場や福島第一原発廃止措置作業など、高線量率場に適用できると考えている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】25246039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザー光蓄積 / 光空洞 / 自発的共鳴 / ガンマ線源 / 偏極粒子源 / 偏極陽電子源 / X線源 / 国際リニアコライダー / Compton / コンプトン / ガンマ線 / X線 / X線イメージング / ILC

【研究成果の概要】

レーザー増幅器とレーザー光蓄積空洞を光学的に一体とし、 共鳴状態を実現する波長を系が自発的に選択する全く新しい着想の「自発的共鳴型・レーザー発振蓄積空洞」を開発した。CW発振にて約19万倍という非常に高い増倍率をもつ光共鳴蓄積空洞の動作に成功し、自発的な共鳴・発振を確認 した。約 19 万倍という非常な高増倍率にもかかわらず、自発共鳴・発振のための一切のフィードバック制御は不要でり自発共鳴・発振というコンセプの正しさを実証できた。またモートドロックパルス化の研究も行い、まだ増倍率の低い状態ではあるが自発的な共鳴・発振の確認に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2018-03-31

【配分額】43,420千円 (直接経費: 33,400千円、間接経費: 10,020千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】22684012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / X線 / ガンマ線 / 加速 / 超新星残骸 / シンクロトロン放射 / パルサー星雲 / 超新星爆発 / X線宇宙物理 / TeVガンマ線 / X線宇宙物理学

【研究成果の概要】

我々の銀河の基本構成要素の一つである宇宙線の起源について研究を行なった。宇宙X線衛星「すざく」で多くのTeVガンマ線未同定天体を観測し、半数がパルサー星雲であることをつきとめた。一方、誰が宇宙線陽子成分を加速しているかについて、新たな謎が生まれた。また、宇宙線加速天体である超新星残骸の詳細観測から、加速効率の議論を行い、加速粒子が衝撃波から逃亡し、「宇宙線」となる瞬間をとらえた。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2015-03-31

【配分額】11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円)

【研究分野】原子力学

【研究領域課題番号】16360468 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スペクトロスコピー / 超伝導体 / 量子計測 / 位置敏感型放射線検出器 / X線 / γ線 / 蛍光X線分析 / TES

【研究成果の概要】

本研究は、昨年度より開始されており、エネルギー分解能の点で極めて優れた超伝導転移端温度計(Transition Edge Sensor TESと略す)を用いたX線検出器の開発を行うものである。昨年、1個TESが破損したが、今年はIr-TESとIr/Au-TESについて動作を確認し、放射光での実験も実施できた。
まず、第一に高エネルギー分解能にするためには雑音(Noise)が少ない必要があるが、従来TESには、excess noiseとよばれる理由不明な成分がかなりの割合を占めていた。TFN(Thermal Fluctuation Noise)を導入した理論的な説明をIr/Au-TESについて拡張しこれで説明できた。
次に、Ir-TESについてであるが、安定性や動作抵抗を高くできるなどのメリットがMo、Tiに比べてあるが、製膜が難しく、不均一な熱伝導性のためによい成果が得られなかった。このためIrセンサーとAuセンサーを二重膜にバイレイヤ構造にして、伝導率を均一化したり、センサーの数を増やし、1個当りの面積を減らす多ピクセル化を試みた。
この方針に基づき、Ir/Auというバイレイヤ型を試作したところ、超伝導転移端の特性が極めてシャープになり改善が見られた。5.9KeVのX線に対するエネルギー分解能もFWHM=9.4eVになった。これを筑波の高エネルギー加速器研究所(KEK)の放射光装置で、8KeVのX線入射に対する蛍光X線分析を行い約1桁エネルギー分解能のよい出力蛍光X線を得た。
また、Ir-TESについて多ピクセル化して、X線の入射位置が測定できることを示した。来年は更なるエネルギー分解能向上とともにAu/Ir/Auなど三重膜にもトライしてみる予定である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】15,000千円 (直接経費: 15,000千円)

【研究分野】天文学

【研究領域課題番号】12554006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

CdTe / CZT / CdZnTe / ピクセル検出器 / 放射線検出器 / ガンマ線 / 検出器 / テルル化カドミウム / X線

【研究成果の概要】

われわれは、これまで、高い分解能を持つテルル化カドミウム(CdTe)ダイオード検出器の開発を行い、それを用いてガンマ線イメージング検出器の開発を行ってきた。本研究では、第一に、2.15cm角というこれまでにない大きさのCdTe検出器を製作し、その性能を評価した。検出器の均一性は極めてたかく、60keVのガンマ線に対して、2.7keV(FWHM)という分解能を得ている。宇宙への応用を意識して、振動試験、ビーム試験などを行ない、最終的に気球実験を行った。その結果、本検出器を衛星搭載検出器として十分に用いることができることがわかった。さらに、この大型の素子を数10段というよう段数を積み重ねたCdTe検出器を実際に作り、ガンマ線に対して高い感度を持つことを確認した。その他にも、200ミクロン角のピクセルをもち、1024のピクセル数を持つガンマ線検出器の実証、1mm角の大きさを持つCdTe素子を1024個並べた検出器の基礎研究を行った。また、検出器に対する理論的な研究では、CdTeダイオードを常温で動かすときに、問題であった、ポラリゼーション現象に着目し、理論的な考察を行うことで、この現象が、深いアクセプタのイオン化によって説明がつくことを見いだし、現象の温度依存性やバイアス電圧依存性を説明することに成功した。さらに、Swift衛星で用いられるテルル化亜鉛カドミウム(CdZnTe)半導体検出器のモビリティ・寿命特性を、スペクトルからフィッティングによって求める方法を開発した。この方法は、われわれが参加しているSwift衛星のプロジェクトによって、正式に採用され、効果を発揮している。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】13,500千円 (直接経費: 13,500千円)

【研究分野】天文学

【研究領域課題番号】11440066 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

CdTe / CZT / CdZnTe / X線天文学 / 放射線検出器 / ブレーザー / ガンマ線 / 半導体検出器 / テルル化カドミウム / X線 / イメージャー / ガンマ線天文学

【研究成果の概要】

新しい硬X線・ガンマ線天文学を切り開くための次世代ガンマ線検出器の基礎となるガンマ線イメージング素子の開発、および、「あすか」衛星を中心とした多波長観測を通じて、ブレーザー天体のジェットの研究を行った。われわれが開発を続けてきた高いエネルギー分解能を持つテルル化カドミウム(CdTe)半導体をピクセル化するにあたって、もっとも障害となっていたのは、数100ミクロンという一微細幸電極、ひとつひとつに独立なアンプを接合する際のバンプ技術である。CdTeはシリコンと異なり熱や圧力を加えると、性能が劣化するなど、バンプ接合の技術が確立していなかった。われわれは、新しい金スタッドバンプ方式を用いて、CdTeの微小なピクセルをバンプ接合する技術を確立し、各ピクセルの大きさが625ミクロン角で全体で400ピクセルのCdTe素子を読みだし用の基板にバンプ接合し、信号を外側に引きだした後、シリコンストリップ用の1次元ASICを用いて各ピクセルからの信号をフォトン毎に測定する方式を行い、成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】10,600千円 (直接経費: 10,600千円)

【研究分野】原子力学

【研究領域課題番号】01460262 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レ-ザ- / 中性子検出 / ヘリウムネオンレ-ザ- / レ-ザ-増幅 / X線 / γ線 / ヘリウム・ネオン / 中性子 / 計算機制御

【研究成果の概要】

放射線計測用の新しいセンシング原理として放射線によるレ-ザ-発振効果を用いることが本研究の目的である。前年度は、特殊レ-ザ-発振管で照射実験を実施し、入射中性子束に対し、レ-ザ-発振開始電圧の減少量について校正実験を実施した。今年度の研究成果は以下の通りである。
1.放射線トリガ-型レ-ザ-発振モデルの検討
市販の他の^3Heレ-ザ-発振管について、このモ-ドでの動作実験をしたところ作動せず、レ-ザ-発振回路が従前のものとは変更され、高周波発振方式になっていることが分った。又、半導体レ-ザ-ではやはり、このモ-ドでの発振は生じなかった。これらのことより、HeーNeガスレ-ザ-を定電圧型で放電させる方式の場合に、トリガ-型の発振モ-ドを生ずることが分かり、ガス型の発射線検出器のガス増幅現象により、このモ-ドを説明することが妥当であることが分った。
2.中性子照射された^3HeーNeガスによるレ-ザ-光増幅実験
^3HeーNeガスセルに中性子を照射し、逆転準位を形成させておき、そこに外から^3HeーNeレ-ザ-光を通過させると、このレ-ザ-光が増幅される現象を確認した。この増幅率は中性子照射量とともに増加していくことも確認された。これは、中性子の強度が更に増加すれば、自己レ-ザ-発振(つまり核励起レ-ザ-)に至る前段階の現象である。と予測された。本方式も、放射線トリガ-型のレ-ザ-であると言える。
3.まとめ及び今後の課題
放射線トリガ-型のレ-ザ-発振モ-ドの現象につき、モデルに基づく理解が可能になった。このモデルにより、原子炉内中性子検出法の可能性について検討した。今後は、最適な放射線トリガ-型レ-ザ-発振管の設計の改良と実証が必要である。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1989 - 1990

【配分額】5,900千円 (直接経費: 5,900千円)

【研究分野】物理学一般

【研究領域課題番号】63302015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超新星 / X線 / ガンマ線 / 宇宙線 / ダスト / ニュ-トリノ / 中性子星 / パルサ- / SN1987A / 衝撃波 / 宇宙線加速 / 星風 / ニュートリノ / 一般相対論 / パルサー / 重力崩壊 / 放射性元素 / 元素の起源

【研究成果の概要】

超新星から放出されるγ線、X線の観測の解析と、それに基づく爆発のモデルの構築が主たる研究となった。
1.超新星からの硬X線とγ線の「ぎんが」、気球、飛行機による観測デ-タの解析を進めた(槇野、小山、釜江、松岡、西村)。
2.^<56>COの崩壊に伴うX線、γ線の光度曲線やスペクトルの計算と、観測との比較から、物質混合の度合いや非球称性の効果を求めた。さらに、線型安定性と2-3次元的非線型な振舞いの数値計算により混合がどのように進行するかを計算した(西村、野本、中村、江里口)。また、こうした物質混合とダスト形成の関係を研究した(長谷川、野本)。
3.「ぎんが」衛星を使った軟X線の解析はとモデル計算とにより、星周物質の位置や状態、爆発物質との衝突過程を研究した(早川、田原、政井、常深、祖父江)。
4.この星周物質の研究を手がかりとして、爆発前の星がどのような進化の道をたどったか、質量放出がどのように働いたかを、モデル計算を通して明らかにした(斉尾、加藤、宮路、野本、杉本)。
5.パルサ-から放出される高エネルギ-粒子とまわりの物質の相互作用を、ニュ-トリノ(戸塚、福来)やγ線(木舟、佐藤文)の観測とモデル計算(中村、佐藤文)によって探った。
6.重力波検出の可能性を検討した(中村、藤本、江里口)。
7.若いパルサ-の進化とその観測可能性を検討した(伊藤、佐藤勝、野本)。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1988 - 1989

【配分額】8,900千円 (直接経費: 8,900千円)