平成 30 年度 修士論文

Ｘ線 SOI-CMOS 素子のイベント駆動読出しの評価および改良
宮崎大学 工学研究科 工学専攻 エネルギー系コース

福田昂平

2019 年 1 月 28 日

3

Abstract
我々が開発中のＸ線 SOI-CMOS 素子の最大の特徴は、トリガー出力機能を用いることでＸ線がヒットしたタイミン
グでヒットしたピクセルのみを読み出す「イベント駆動読み出し」である。しかし、イベント駆動読み出しで得られたス
ペクトルは、通常のフレーム読み出しで得られたスペクトルと比較して、形状が劣化し、オフセットがのってしまう問題があった。先行研究による調査の結果、それらは回路レイアウトやセンサー構造に起因する信号間の干渉に原因があることが推測されていた。我々は、今回、新たに 2 種類のＸ線 SOI-CMOS 素子を開発し、イベント駆動読み出しの問題
点の原因の追及とその改良の確認を行った。1 つ目の素子は、推測された原因とは関係のない部分を変更した素子であり、予想通り、依然として問題がみられることがわかった。2 つめの素子は、回路レイアウトの変更および Double-SOI構造を取り込み問題点の原因の解消を図った素子であり、実際に問題が解消していることを確認した。以上の結果から、先行研究で推測されたイベント駆動読み出しの問題の原因が実際に回路レイアウトとセンサー構造にあること、及び、最新の素子ではそれらの問題が改善していることを確認した。

5

目次

第1章

Introduction

71.1

Ｘ線 CCD とＸ線 SOI-CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.2

Ｘ線 SOI-CMOS 素子の読み出し方法による問題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.3

本研究の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.4

本論文の流れ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

SOI-CMOS 素子

92.1

Bulk-CMOS と SOI-CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92.2CMOS 回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2.1

ソース接地増幅回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2.2

ドレイン接地増幅回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

XRPIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.3.1

BPW によるバックゲート効果の抑制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.3.2

XRPIX シリーズ

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.3.3

XRPIX のセンサー構造の違い . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.3.4

Single-SOI と Double-SOI 構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.3.5

XRPIX の回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.3.6

XRPIX の読み出し方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

ソフトウェア . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.4.1

DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.4.2

解析ソフト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

ハードウェア . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.5.1

FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.5.2

読み出しボード. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

第2章

2.3

2.4

2.5

第3章

3.1

3.2

第4章

過去に行われた XRPIX2b のイベント駆動読み出しの調査

31

イベント駆動読み出しの問題点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.1.1

イベント駆動読み出しでのエネルギー分解能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.1.2

入射Ｘ線のエネルギーと波高値の関係におけるオフセット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

原因追求のための取り組み . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.2.1

イベント駆動読み出しのアナログ信号の解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.2.2

コンパレータが動作することによる影響の評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

実験セットアップ35

4.1

性能評価実験のセットアップ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

4.2

アナログ信号観測実験のセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

6
4.3

第5章

目次
データ取得領域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.3.1

XRPIX3b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.3.2

XRPIX6D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

39

5.1

XRPIX3b、XRPIX6D のイベント駆動読み出しで予想される問題と改善 . . . . . . . . . . . . . . . .

39

5.2

XRPIX3b のイベント駆動読み出しの調査 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

5.2.1

入射Ｘ線のエネルギーと波高値の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

5.2.2

イベント駆動読み出し時のアナログ信号の観測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

5.2.3

コンパレータ動作時の影響の調査 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

XRPIX6D のイベント駆動読み出しの調査 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

5.3.1

入射Ｘ線のエネルギーと波高値の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

5.3.2

イベント駆動読み出し時のアナログ信号の観測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

5.3.3

コンパレータ動作時の影響の調査 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

XRPIX3b、6D のイベント駆動読み出しの調査結果のまとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

まとめ

57

5.3

5.4
第6章
参考文献

59

付録 A

XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

61

付録 B

XRPIX6D の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

75

7

第1章

Introduction
1.1 Ｘ線 CCD とＸ線 SOI-CMOS
X線半導体検出器

X

Pixel

Direct Detection
Off-Chip

On-Chip
小型、安価
Monolithic
高感度
SOI CMOSX

SOI-CMOS

HybridX線Strip検出器
Indirect Detection)(高感度だが位置・エネルギー分解能に難))X CCD(読み出し速度に制限)例)Medipix(Mechanical Bondingで性能に制限)

Bulk CMOS
例)CMOS APS(空乏層が薄く、感度が悪い)

図 1.1 X 線半導体検出器の分類表 [2]

現在、Ｘ線天文衛星に搭載されている主Ｘ線検出器はＸ線 CCD である。図 1.1 にＸ線半導体検出器の分類を示す [2]。
Ｘ線 CCD はピクセル検出器の一部で、読み出し回路がピクセル回路上にない Oﬀ-Chip 読み出し型検出器の代表例である。特徴としてバケツリレー方式の電荷転送読み出し方法が挙げられ、相関二重サンプリング (CDS:Correlated-Double

Sampling) により低ノイズ読み出しを実現している。一方で、電荷転送するため読み出し速度が遅いという一面を持ち、読み出すピクセル数が増加するほどこの傾向は顕著に現れる。故に、Ｘ線 CCD は「時間分解能が低い」、「パイルアップ耐性が低い」といった問題点を抱えている。これらを改善できる可能性を持つものが On-Chip 読み出し型検出器である。各ピクセルに読み出し回路を搭載できるため劇的に読み出し速度が向上し、時間分解能とパイルアップ耐性の向上が期待できる。また、構造上高機能化が容易であるため、宇宙線起源のバックグラウンド (NXB:Non X-ray Background)の除去に効果的な反同時計数法を採用でき、広帯域でＸ線が検出可能になる。この On-Chip 読み出し型検出器の内、我々が必要とする厚い空乏層を実現できるものとしてＸ線 SOI-CMOS 素子がある。SOI とは Sillicon-On-Insulatorの略であり、比抵抗の異なる 2 枚の Si ウェハーを一体化させる技術のことである。これを採用する利点として寄生容量の減少や回路の高速化、省電力化が挙げられ、宇宙利用に有用であると期待されている。そこで、我々はこのＸ線

SOI-CMOS を次世代のＸ線検出器としてＸ線天文衛星に搭載すべく開発を進めている。

8

第 1 章 Introduction

1.2 Ｘ線 SOI-CMOS 素子の読み出し方法による問題
Ｘ線 SOI-CMOS 素子の最大の特徴は、その読み出し方にある。Ｘ線 SOI-CMOS 素子は従来のＸ線 CCD のようにピクセル全面を読み出す方法と、Ｘ線がヒットしたピクセルのみを読み出す方法の 2 種類の読み出し方法が選択可能な素子である。我々は前者の読み出し方法をフレーム読み出し、後者をイベント駆動読み出しと称している。このイベント駆動読み出しを採用することで、高時間分解能を達成することができるため、反同時計数法を使用することができる。反同時計数法とは検出器をシンチレータなどのアクティブシールドで取り囲むことによって、検出器とアクティブシールドの同時に検出したイベントを NXB と判定して除去する方法である。このイベント駆動読み出しが可能
なＸ線 SOI-CMOS 素子の性能向上にむけて様々な素子開発を行ってきた。開発したＸ線 SOI-CMOS 素子において、

takeda(2014)[9] によってイベント駆動読み出しでＸ線スペクトルの取得の成功が報告された。イベント駆動読み出しの実用化において大きな一歩であるが、同時にいくつか問題があることが報告された。また、さらに詳細な調査によってこの問題の原因を突き止めることに成功した。我々はこの報告をうけて、2 つのＸ線 SOI-CMOS を新たに開発した。1
つのＸ線 SOI-CMOS 素子はイベント駆動読み出しの問題の改善を目的とした素子ではないため、報告された問題の改善は見込まれていない素子である。もう一つのＸ線 SOI-CMOS 素子はイベント駆動読み出しの問題の改善を図るため、新たな構造や回路レイアウトを取り入れた素子である。しかし、イベント駆動読み出しの問題の改善が期待されるＸ線

SOI-CMOS 素子で問題の改善が調査されたことがなかった。Ｘ線 SOI-CMOS 素子の宇宙利用においてイベント駆動読
み出しの性能向上は重要事項である。そのため、今後の素子開発を進める上でもイベント駆動読み出しの問題改善の実証は必要である。

1.3 本研究の目的
本研究では、先行研究で調査されたＸ線 SOI-CMOS 素子のイベント駆動読み出しにおける問題点について、改善が見込まれていないＸ線 SOI-CMOS 素子と改善が見込まれているＸ線 SOI-CMOS 素子の両者のイベント駆動読み出しを評価することで、イベント駆動読み出しの問題点の原因追求とその改善を調査することを目的とする。

1.4 本論文の流れ
本論文では、第 2 章でＸ線 SOI-CMOS 素子について述べ、第 3 章で先行研究で報告されたイベント駆動読み出しにおける問題点をまとめについて述べる。第 4 章では実験セットアップ、データ取得範囲について述べ、第 5 章で実験結果を述べ、6 章でまとめを述べる。

9

第2章

SOI-CMOS 素子
本章では一般的な CMOS である Bulk-CMOS と本研究で使用する SOI-CMOS の違いについて説明し、次に CMOS回路である CSA 回路と SF 回路について説明し、Ｘ線 SOI-CMOS である XRPIX について説明する。なお、この章は松村 (2015) 京都大学修士論文 [3]、林 (2018) 京都大学修士論文 [7] を参考にした。

2.1 Bulk-CMOS と SOI-CMOS
Gate
Source/Drain

Gate

Gate
Source/Drain

Source/Drain

Source/Drain

n+

Gate
Source/Drain

Source/Drain

n+

-

n

SiO2

Si Wafer(n-)

図 2.1 Bulk-CMOS の構造

Handle Wafer

図 2.2 SOI-CMOS の構造

図 2.1 に Bulk-CMOS の断面構造、図 2.2 に SOI-CMOS の断面構造を示す。SOI (Silicon-On-Insulator) とは、基盤となる Si ウェハー上に酸化皮膜 (SiO2 ) である BOX (Buried OXide) 層を作り、更にその上に別の Si 薄膜 (SOI 層) を形成する技術である。Bulk-CMOS は基盤となる Si ウェハーに p-well/n-well を埋め込み、その上に NMOS/PMOS を形成するのに対し、SOI-CMOS は SOI 層に回路層を設ける。これにより、SOI-CMOS は個々のトランジスタが BOX
層により絶縁され、寄生容量の減少や回路の高速化、省電力化が可能となる。

10

第 2 章 SOI-CMOS 素子

2.2 CMOS 回路
2.2.1 ソース接地増幅回路

図 2.3

ソース接地増幅回路

図 2.3 にソース接地増幅回路を示す。ソース接地増幅回路は MOSFET のソースを固定電源 (GND) に接続した状態で動作させ、信号を増幅させる回路である。電圧の入力はゲート、電圧の出力はドレインである。入力電圧の変化分をvin 、出力電圧の変化分を vout とすると、入力電圧 Vin は、
Vin = VGS + vin(2.1)

である。飽和領域で動作させていることから、

ID ≃

β
β
(VGS + vin − VT )2 ≃ (VGS − VT )2 + gm vin ≡ I0 + id
2
2

(2.2)

と表すことができる。よって、出力電圧 Vout は、Vout = VDD − Ref f (I0 + id ) = (VDD − Ref f I0 ) − Ref f id ≡ V0 + voutである。ここで、実効的な出力抵抗 Ref f は、

(2.3)

rop ronrop + ron

(2.4)

vout
rop ron= −gm Ref f = −gmvin
rop ron(2.5)

Ref f =と表される。以上から、電圧利得 ACS は、−ACS ≡

である。便宜上、ACS が正の値を持つようにマイナスを加えている。また、符号が逆になることからソース接地増幅回
路では入力電圧が反転増幅されて出力される。

図 2.4

Ｘ線 SOI-CMOS 素子のセンスノード直後にソース接地回路による CSA 回路を置いた回路

図 2.5 Ｘ線による電荷 QX が生じた場合の各場所の電位の変化

図 2.4 にＸ線 SOI-CMOS 素子のセンスノード直後にソース接地回路による CSA (Charge Sensitive Amplifer) 回路を置いた回路を示し、図 2.5 にＸ線による電荷 QX が生じた場合の各場所の電位の変化を示す。Ｘ線 SOI-CMOS 素子

2.2 CMOS 回路

11では、センサー層からの信号電荷をセンスノードで収集し、そのすぐ直後にあるソース接地増幅回路による CSA で信号電荷を電圧に変換しながら増幅している。センサー層の容量を Csen 、フィードバックキャパシタを Cf とする。センサー層には電荷 Qsen が誘起しているとし、そこにＸ線による信号電荷 QX が生じ、図 2.5 のようにセンサー層直後の電位に VX が足されるとすると、Csen と Cf の間の電荷が保存することから、

VX =

QX
Csen + (ACS + 1)Cfとなる。よって出力電圧は、

vout = −ACS VX = −

QX
1
C
+
(1 + ACS)Cf
ACS sen
1

(2.6)

(2.7)

に増幅される。そのため、センスノード後段にソース接地回路による CSA 回路を置いたＸ線 SOI-CMOS 素子では、Ｘ
線による信号電荷が CSA によって負に増幅される。

2.2.2 ドレイン接地増幅回路

図 2.6 ドレイン接地増幅回路

図 2.6 にドレイン接地増幅回路を示す。ドレイン接地増幅回路は MOSFET のドレインを固定電源 (GND) に接続した状態で動作させ、信号を増幅させる回路である。電圧の入力はゲート、電圧の出力はソースである。ソースの出力信号がゲート電圧に追随することから SF (Source Follower) 回路とも呼ばれる。2.2.1 項と同様に、入力電圧の変化分をvin 、出力電圧の変化分を vout とすると、′
vout = gm (vin − vout )Ref
f

(2.8)

′
rop rop′Ref=f′
rop + rop(2.9)

と表される。よって、SF 回路の電圧利得 ASF は、

ASF ≡

′
gm Ref
vout
f
=
′
vin
1 + gm Ref
f(2.10)′である。ASF < 1 であり、gm Ref
f が十分に大きい場合は、SF 回路の電圧利得は 1 倍である。SF 回路は vin と vout 間の電圧が保持されながら動作するため、Vout = Vin + VSF のようにオフセットが乗って出力される。SF 回路では電圧の増幅はされないが、バッファーとして使用されることが多い。

図 2.7 Ｘ線 SOI-CMOS のセンスノードの直後に SF 回路を置いた回路

12

第 2 章 SOI-CMOS 素子

図 2.7 にＸ線 SOI-CMOS のセンスノードの後段に SF 回路を置いた回路を示す。2.2.1 項と同様に、センサー層の容量を Csen とすると、

vout = ASF VX = ASF

QX
X
Csen ≃ CQsen(2.11)となる。

2.3 XRPIX

図 2.8

XRPIX の構造

図 2.8 に XRPIX の構造を示す。XRPIX の特徴は、SOI 技術を用いることで BOX 層を挟んで高比抵抗 (1 kΩ ·cm)のセンサー層と低比抵抗 (18 Ω ·cm) の回路層を一体化していることである。BOX 層下に高比抵抗 Si を用いることでＸ線の検出効率を上げるための厚い空乏層を実現することができ、回路層に低比抵抗の Si を用いることで CMOS 回路を形成することができる。

2.3.1 BPW によるバックゲート効果の抑制

図 2.9 BPW (buried P-Well) の配置の概念図 [1]図 2.10 BPW の有無によるトランジスタの Ids − Vgs 特性 [3]BPW (Buried P-Well) とは、センサー層のセンスノード近傍にインプラントされた薄い p 層のことを指す。図 2.9 にBPW の配置の概念図を示す [1]。BPW は、センサー層で印加されたバイアス電圧による電場から回路層を保護する。
BPW を配置しない場合、センサー層でバイアス電圧による電場がトランジスタまで影響を及ぼす。その結果、ソースドレイン間の BOX 層界面でバックチャネルが形成されてしまう。これをバックゲート効果と呼ぶ。図 2.10 に BPW の2.3 XRPIX

13

有無によるトランジスタの Ids − Vgs 特性を示す。BPW を配置することで BOX 層手前で電場を固定できるため、トランジスタの閾値変化を抑えることが可能になる。また、センサー層の電場がセンスノードや BPW に収束するため、電荷収集効率が向上する。また、センサー層のウェハタイプが p 型の場合、BPW ではなく BNW (Buried N-well) が配置される。

2.3.2 XRPIX シリーズ

XRPIXシリーズの歴史
2011

2010
1.0 mm

1.0 mmXRPIX1XRPIX1b

2.4 mm

2.4 mmFirst Model
Trigger Output(Event-driven readout)

4.6 mmXRPIX2

New Readout Circuit

1.0 mm

1.0 mmXRPIX3

XRPIX3b

2.9 mm

2.9 mmXRPIX2b6.0 mm

6.0 mmMiddle Size

Buttable

Charge Sensitive
Ampliﬁer

2016

XRPIX5608 x 384 pixels
36 µm sq. pixel

24.6 mmXRPIX6HXRPIX6D

21.9 mm
6.0 mm2014

Large Size

15.3 mmXRPIX4XRPIX4

4.6 mm

4.0 mm13.8 mm

2015

2014

2013

2012

XRPIX6E

4.45 mm

Pixel Structure

図 2.11 XRPIX の開発歴史 [7]。XRPIX のスケールは合わせていない。

図 2.11 にこれまで開発してきた XRPIX の一覧を示す。KEK と京都大学が 2010 年に XRPIX の最初のプロトタイ
プである XRPIX1 を開発してから、東京理科大学、静岡大学などと共に XRPIX の改良を行なってきた。以下に、先行研究で用いられた XRPIX2b と本研究で用いた XRPIX3b と XRPIX6D の仕様について説明する。

14

第 2 章 SOI-CMOS 素子

XRPIX2b

図 2.12 XRPIX2b のチップ写真

図 2.12 に XRPIX2b のチップ写真を示す。XRPIX2b はＸ線天文学用に京都大学と KEK が共同開発した XRPIX シ
リーズ 4 番目の素子である。チップサイズは 6.0 mm×6.0 mm でピクセルサイズは 30 µm×30 µm であり、ピクセル
数は 152 × 152 = (∼ 23 k) ピクセルである。しかし、実際に読み出しに使用するピクセルは 144 × 144 = (∼ 21 k) ピ
クセルである。また、イベント駆動読み出しが可能な素子であるが、先行研究により、イベント駆動読み出しのアナロ
グ出力信号に問題が生じていることがわかっている [4]。

XRPIX3b図 2.13 XRPIX3b のチップ写真

2.3 XRPIX

15

図 2.13 に XRPIX3b のチップ写真を示す。XRPIX3b は XRPIX シリーズ 6 番目の素子である。XRPIX3b は n ウェ
ハーで、センサー層の厚さは 310 µm である。チップサイズは 2.9 mm×2.9 mm でピクセルサイズは 30 µm×30 µm である。ピクセル数は 32 × 32 = (∼ 1 k) ピクセルであるが、図 2.13 のように読み出し回路の異なる 2 つの領域に分けられている。左側の領域はセンスノード直後の回路に XRPIX2b 同様に SF 回路を使用している。また、右側の領域では
センスノード直後の SF 回路に代わり、CSA 回路を使用している。この回路を用いることで回路ゲインを増幅させ、出力ゲインを向上させている。

XRPIX6の概要
XRPIX6D

ピクセル構造の研究開発が目的

DECODER & TRIGGER
PROCESSOR- チップサイズ：4.45 mm x 4.45 mm（有効領域：1.7 mm x 1.7 mm）

PGA
Col. Amp.

- ピクセル数：48 x 48 (= ~2.3k)- センサ層厚：200 µm

S/H Cap.

- センサタイプ：~25kΩ cm・FZ P-type

OUT BUF- カラムアンプのゲインが切り替え可能-> Programmable Gain Amp

XRPIX6D
48 x 48 pixel array1 Pixel : 36 µm sq.

- ピクセルサイズ：36 µm sq.

回路構成の特徴

1.7 mm

4.45 mm

基本構成

4.45 mm

1.7 mm-> 分光性能向上に必要な指針を示す。
XRPIX6H -> 従来構造版
XRPIX6D -> Double-SOI (D-SOI)構造版
XRPIX6E -> Pinned Depleted Diode(PDD) 構造版

DECODER & TRIGGER
PROCESSOR＊XRPIX6c：たくさんのTEG(Test Element
図 2.14 XRPIX6D のチップ写真
Group)を持つXRPIX6Dを単一ピクセル構造にしたもの。FY17-1のMPWランで設計した。

- 信号の波高値を差動出力する
図 2.14 に XRPIX6D のチップ写真を示す。XRPIX6D は XRPIX シリーズ 10 番目の素子である。チップサイズは4.45 mm×4.45 mm でピクセルサイズは 36 µm×36 µm である。ピクセル数は 48 × 48 = (∼ 2 k) ピクセルだが、8 × 16
ピクセルの領域ごとにセンサー構造がそれぞれ異なる TEG (Test Elemental Group) がある。

図 2.15 XRPIX6D のセンサー層の構造図

16

第 2 章 SOI-CMOS 素子

図 2.15 に XRPIX6D のセンサー層の構造図を示す。BNW のサイズ、BPW のサイズ、BNW と BPW 間の距離をそれぞれ rBN W 、wBP W 、d と定義してこれらのパラメータを変えた構造をとっている。それぞれの TEG を評価することで電子の収集効率が最も高い構造を調べることができる。先行研究 [7] により、一番電荷収集効率が高い構造は[rBN W , wBP W , d] = [6.5, 2, 9.5] であることがわかっている。

2.3.3 XRPIX のセンサー構造の違い

図 2.16 XRPIX2b、3b の断面構造

図 2.17 XRPIX6D の断面構造

図 2.16 に XRPIX2b と XRPIX3b の断面構造を示し、図 2.17 に XRPIX6D の断面構造を示す。XRPIX2b、3b はセンサー層が n 型のウェハで構成されており、センスノードは局所的に p にインプラントしている。センスノードの周
りにはバックゲート効果抑制のための BPW を配置している。X 線がセンサー層に入射すると、センサー層内で光電吸収を起こし X 線のエネルギーに対応した数の電子正孔対が生じる。生じた電子と正孔は、センサー層内で発生している
電場によってそれぞれ電極へと引き寄せられる。XRPIX2b、3b は正孔を回収して電気信号へと変換している。対して

XRPIX6D では、センサー層に p 型の Si ウェハを使用しているためセンスノードのタイプは n 型になり、その周りには BNW が配置されている。XRPIX6D は電子を回収して電気信号へと変換している。
また、両者の最大の違いは XRPIX6 シリーズで新たに導入された中間 Si 層である。XRPIX6D では BOX 層に Si 層を追加した Double-SOI 構造を取り入れている。Double-SOI と XRPIX2b、3b の Single-SOI 構造の違いは次の項で説明する。

2.3.4 Single-SOI と Double-SOI 構造

図 2.18 Single-SOI の構造

図 2.19 Double-SOI の構造

図 2.18 に Single-SOI の断面構造、図 2.19 に Duble-SOI の断面構造を示す。Single-SOI 構造は XRPIX5 以前の素子に取り入れられ、Double-SOI 構造は XRPIX6D に取り入れられている。本研究で使用した XRPIX3b は Single-SOI構造であり、先行研究によって、Single-SOI 構造は回路層のデジタル回路と BPW との間に容量結合があり、この結合によってトリガー信号と BPW が干渉を起こしていることがわかっている [4]。そこで、容量結合による干渉を低減する

2.3 XRPIX

17

ために、BOX 層に Si 層 (中間 Si 層) を挿入した Double-SOI 構造が開発された。中間 Si 層の電位を固定し、静電シー
ルドとしてはたらかせる。これにより、干渉の原因となっている回路層と BPW 間の容量結合を切ることができ、干渉を抑えることができる [5]。Double-SOI 構造によってデジタル信号との干渉が実際に抑えられていることを先行研究で確認している [6]。

2.3.5 XRPIX の回路
本節では XRPIX の読み出し回路について説明する。

図 2.20 XRPIX のアナログ回路。上部のピクセルトリガー回路にはインバータチョッパ型コンパレータと SR ラッチがある。中央部のピクセルアナログ回路ではセンスノード直後に CSA を用いている。XRPIX2b 以前では緑点線
枠の SF を用いていた。CSA の後段にはグローバルシャッターの NMOS の STORE スイッチ、CDS キャパシタ、SF と続く。右部の読み出し回路は、CDS 付きのカラムアンプ、サンプルホールドキャパシタ、出力バッファーで構成される。XRPIX3b 以前の周辺読み出し回路はマゼンタの点線枠の回路を使用していた [7]。

XRPIX のアナログ信号処理回路は、図 2.20 のピクセルトリガー回路、ピクセルアナログ回路、読み出し回路の 3 つから構成される。以下で 3 つの回路の詳細と制御方法について説明する。
ピクセルトリガー回路
ピクセルトリガー回路はトリガー信号を出力するために使用しているコンパレータで構成された回路である。コンパ
レータは 2 つのインバータを用いている。ピクセルトリガー回路の制御方法を以下で説明する。なお、簡単のためリセットノイズは無視して説明する。

18

第 2 章 SOI-CMOS 素子

図 2.21 コンパレータリセット時の回路の動作(i) 図 2.21 のように RST VTH、RST COMP1、RST COMP2 を ON、RST CDS を OFF にして、コンパレータのリセットを行う。この時、青と緑で示した場所の電位は 1 つ目のコンパレータの動作電圧である VRST COMP1となり、マゼンダとシアンで示した場所の電位は 2 つ目のコンパレータの動作電圧である VRST COMP2 となる。

図 2.22 RST VTH を OFF にした後、RST COMP1 を

OFF にした回路の動作

図 2.23 RST COMP2 を OFF にした回路の動作(ii) 図 2.22 のように RST VTH を OFF にした後、RST COMP1 を OFF にする。
(iii) 図 2.23 のように RST COMP2 を OFF にする。

図 2.24 RST CDS を ON にした回路の動作(iv) 図 2.24 のように RST CDS を ON にする。入力電圧は VCDS になる。COMP Cap.1 に貯められた電荷は逃げる場所がなく、COMP Cap.1 の両側の電圧差は保持されるため、青の電位には −(V T H − V CDS) が加算される。また、出力側のシアンの電位は

V RST COM P 2− (V T H − V CDS) × A1 × A2となるが、A2(=A1) が十分大きければ、第 1 項を無視することができ、実質 −(V T H − V CDS) × A1 × A2 の電位となる。この V T H − V CDS が基準電位となる。実際の動作では、ピクセルアナログ回路初段の CSA でＸ

2.3 XRPIX

19

線電荷による信号電圧が反転するため (2.2.1 の項を参照)、ホール収集型の XRPIX では V T H − V CDS < 0、
電子収集型の XRPIX では V T H − V CDS > 0 で用いる。

図 2.25 X 線による信号 (V SIG) 入射時の回路の動作(v) Ｘ線による信号 (V SIG) が生じると、CCDS の電位差は保存されるので、入力側の赤の電位は VCDS+V SIG、
出力側のシアンの電位は実質

V SIG − (V T H − V CDS) × A1 × A2となり、V SIG > (V T H − V CDS) ならば HighV SIG < (V T H − V CDS) ならば Lowと判定され、High の場合トリガー信号が出力される。
このように VTH、VCDS を設定し、トリガー閾値電圧を決めることでトリガー信号を出力している。
ピクセルアナログ回路
ピクセルアナログ回路はＸ線により生成された電荷を電圧に変換し、後段の周辺読み出し回路へ伝達する役割を果たす回路である。Ｘ線により生成された電荷は CSA で出力を増幅させ、CDS (Correlated Double Sampling) 回路を通り、バッファーの役割を果たす SF 回路を経て、後段の読み出し回路へ伝達される。CSA はソース接地増幅回路にフィードバックキャパシタを組み込んだものであり、XRPIX3 以降に導入した。XRPIX3 以前は CSA の代わりに SFを用いていた。CDS 回路はピクセルのリセット時に発生する kT/C ノイズを低減させる機能を持つ回路である。ピクセ
ルアナログ回路の制御方法を以下で説明する。なお、簡単のためリセットノイズは無視して説明する。

図 2.26 RST PD と、RST CDS を ON にした回路の動作(i) 図 2.26 のようにピクセルトリガー回路のリセット後にピクセルアナログ回路のリセットを行う。RST PD とRST CDS を ON にして青と緑で示した場所の電位を CSA のリセット電圧 VRST CSA に、マゼンダの電位を
VCDS に固定する。SF 後段のシアンの電位は、SF のリセット電圧である V SF が足された電圧となる。

20

第 2 章 SOI-CMOS 素子

図 2.27 RST PD を OFF にした回路の動作

図 2.28 RST CDS を OFF にした回路の動作(ii) 図 2.27 のように RST PD を OFF にする。
(iii) 図 2.28 のように RST CDS を OFF にする。

図 2.29 X 線による信号 (V SIG) 入射時の回路の動作(iv) 図 2.29 のようにＸ線による信号 (V SIG) が生じると、CCDS にかかる電圧が保持されるように電位が変化する
ため、各電位で赤字の電圧が足される。最終的に取り出す信号は、CDS リセット電圧との差動を取るため、(V CDS + VS F − VS IG × ACSA ) − (V CDS + VS F ) = −VS IG × ACSAとなる。
このようなオペレーションで入射したＸ線の信号を増幅して読み出す。
読み出し回路
読み出し回路は各ピクセルから伝達されたアナログ信号を順に読み出す回路である。各列に備わっているカラムアン
プで信号の増幅を行い、サンプルホールドキャパシタ (S/H Cap.) に一度電圧をためておき、その後差動出力で読み出しを行う。読み出し回路は XRPIX4 以降で導入した。読み出し回路の制御方法を以下で説明する。なお、簡単のためリセットノイズは無視して説明する。

図 2.30 ϕR と ϕSS を ON、ϕSR を OFF にした後、ROW READ と COL READ を ON にした回路の概念図

2.3 XRPIX

21(i) 図 2.30 のように ϕR と ϕSS を ON、ϕSR を OFF にした後、読み出すピクセルの Row と Column を指定して、ROW READ と COL READ を ON にする。ピクセルに V SIG の信号が入っている場合、各場所の電位は図の赤字で示した電位となる。カラムアンプの入力端子はバーチャルショートで常に VCOM の電圧になろうとする
ため、CSIG に VCOM の電圧を保持する。

図 2.31 ϕSS と ϕR を OFF、ϕSR を ON にした後、RST CDS を ON にした回路の動作(ii) 図 2.31 のように ϕSS と ϕR を OFF、ϕSR を ON にした後、指定したピクセルの RST CDS を ON にすること
でピクセルのリセットを行う。各場所の電位は図の青字で示した電位となる。CP ED の電位が VCOM − V SIG
1×ACSA × C
C2 となるのは、C1 と C2 間の電荷が保存し、それに追随して後段の電位が変化するためである。

図 2.32 ϕRR を ON にした回路の動作

図 2.33 ϕRR を OFF、ϕH を ON にした回路の動作(iii) CSIG と CP ED に信号電圧とリセット電圧を保持した後はその電圧差を出力するプロセスに移る。まず、図 2.32のように ϕRR を ON にして Output Buﬀer のリセットを行なう。次に、図 2.33 のように ϕRR を OFF、ϕH を1
ON にして、S/H Cap. に保持していた電圧差を読み出す。このときの電圧差は V SIG × ACSA × C
C2 となる。この C1 と C2 はカラムラインに搭載している PGA (Programmable Gain Amplifier) 回路によって調整が可能であるが、本論文では C1 = C2 で用いるため、V SIG が各ピクセルの CSA の倍率がかかって出力される。また、

CSA で反転増幅され、カラムアンプでも反転増幅されるため、最終出力は信号電荷と同じ方向に電圧が振れる。

22

第 2 章 SOI-CMOS 素子

2.3.6 XRPIX の読み出し方法
フレーム読み出し
フレーム読み出しとは一定時間露光後の指定したピクセルのデータを 1 フレームのデータとして扱い、指定したフレーム数まで 1 フレームごとにデータを繰り返し読み出す方法である。CCD と似た読み出し方法をとっているが、デー
タを取得するピクセルを指定できる点に違いがある。CCD は電荷転送によって読み出しを行うためすべてのピクセルを読み出さなくてはならないが、XRPIX では各ピクセルに読み出し口が備わっているため指定したピクセルのみを読み出すことができる。本論文では必要に応じて読み出すピクセルを指定して実験を行った。
イベント駆動読み出し
イベント駆動読み出しとは一定時間露光中にＸ線を検出した場合に、検出したタイミングで、検出したピクセルのみを読み出す方法である。この読み出し方法は各ピクセルにトリガー出力機能を搭載している XRPIX 特有の読み出し方法である。トリガー出力機能はＸ線の入射にともなって増大したアナログ信号が予め設定したトリガー閾値電圧 (VTH)を超えた場合にトリガー信号が出力される機能である。このトリガー信号の出力は読み出し方法にかかわらず、VTH を超えると出力される。フレーム読み出しではこのトリガー出力機能を利用せず読み出しているのに対して、イベント駆動読み出しではトリガー信号が出力されたピクセルのみを読み出している。以下にイベント駆動読み出しの読み出しプ
ロセスを示す。
XRPIX

読み出しボード(vi) COL_ADDR(vi) ROW_ADDR(v) HIT_ROW_ADDR

XRPIX

(ii)
(ii)
(i) X-ray

PATTERN PROCESSOR

Row ADDR. DECODERPATTERN PROCESSOR

Row ADDR. ENCODER

Trigger Detection (OR)

Trigger Detection (OR)TRIG_OUT_COL(iii) TRIG_OUT_ROW(iv) HIT_INFO(viii)FPGA≈
Ethernet(v) HIT_COL_ADDR
Digital Data

Column ADDR. ENCODER

DAQ-PC

Column ADDR. DECODER
Column Amp. / SH / OUTBUF(vii) ANALOG_OUT
Analog Signal

ADC

図 2.34 イベント駆動読み出しの読み出しプロセスの概念図

図 2.34 はイベント駆動読み出しの読み出しプロセスの概念図である。イベント駆動読み出しは図中の番号に沿って読み出しを行っている。以下にその説明を示す。なお、FPGA については 2.5.1 節で後述する。

(i) ピクセルにトリガー閾値電圧を超えるエネルギーのＸ線が入射(ii) Row 方向、Column 方向の射影にそれぞれのトリガー信号 (TRIG OUT ROW、TRIG OUT COL) が出力(iii) 全ピクセルの OR 信号を FPGA に出力しさらに FPGA 内で OR をとって TRIG OUT を出力(iv) ヒット情報信号を出力(v) ヒットアドレス信号を出力

2.4 ソフトウェア

23(vi) FPGA でＸ線と判定した場合、イベント確定信号 (Event Assert) の出力と、ヒットしたピクセルのアナログ信号の読み出し(vii) アナログ信号を外部の ADC (Analog to Digital Converter) で AD 変換し、FPGA のレジスタにデータを一時的に保存(viii) PC でデータを読み出し、保存

図 2.35 イベント駆動読み出しの読み出しのタイミングダイアグラム。それぞれのタイミングの幅は合わせていない。

図 2.35 にイベント駆動の読み出しのタイミングダイアグラムを示す。まず、STORE スイッチを ON にし、

RST PD、RST CDS、RST VTH を ON にして各電圧レベルのリセットを行う。その後Ｘ線の露光を開始し、VTH を超えるＸ線が入射すると Row 方向、Column 方向の射影に TRIG OUT ROW、TRIG OUT COL が出
力され、その OR をとって TRIG OUT が出力される。その際、TRIG OUT ROW、TRIG OUT COL が出力された場合のみイベント確定信号である Event Assert が出力され、どちらか一方の場合は出力されない。

2.4 ソフトウェア
本節では XRPIX のデータを取得する際に必要な DAQ ソフトウェアと取得したデータを解析するプログラムについて説明する。

2.4.1 DAQDAQ ソフトウェアは ROOT ライブラリ (C++) を用いて開発した。イーサネットを通して SEABAS ボードと通信でき、露光時間や取得フレーム数などの取得に必要なパラメータの設定と取得したデータをファイルに格納する役割を果たしている。データ取得中には、クイックルック画面としてスペクトル画像や、2D マップを随時確認することができる。また、DAQ ソフトウェアは GUI (Graphical User Interface) と CUI (Character User Interface) の 2 種類のソフトウェアが存在する。それぞれの DAQ ソフトウェアで操作方法が多少異なるため、以下で説明する。

24

第 2 章 SOI-CMOS 素子

GUI ソフトウェア

図 2.36 GUI の DAQ ソフトウェアの画面

図 2.36 は GUI の DAQ ソフトウェアの動作中の画面である。GUI のソフトウェアは XRPIX3b 以前の素子でデータ取得を行う際に使用されており、以降の素子では CUI のソフトウェアが使用されている。DAQ 画面では素子の各制御
信号のパラメータ設定や表示させるスペクトルの種類、データ取得のスタート、ストップなどが行える。以下でデータ取得の流れを説明する。

1 DAQ ソフトウェアを立ち上げ、各素子の制御信号を設定する。
2 USER FPGA は制御信号を受信し、素子の動作制御を行う。
3 START スイッチを押し、データの取得を開始する。
4 素子から出力されたデータを ADC がアナログ信号からデジタル信号に変換する。
5 デジタル信号を SiTCP FPGA がイーサネットで転送できる形式に変換し、PC に転送する。

CUI ソフトウェア
CUI の DAQ ソフトウェアは XRPIX3b 以降の素子でデータ取得を行う際に使用されている。CUI の DAQ ソフト
ウェアでは GUI ソフトウェアのように設定画面が立ち上がらないため、制御信号の設定はテキストデータに設定を書き込む。
以下でデータ取得の流れを説明する。

1 para.txt で素子の制御パラメータを設定し、mask.txt でマスクをかけるピクセルの設定を行う。
2 DAQ ソフトウェアを立ち上げてデータ取得を開始する。
3 素子から出力されたデータを ADC がアナログ信号からデジタル信号に変換する。
4 デジタル信号を SiTCP FPGA がイーサネットで転送できる形式に変換し、PC に転送する。

2.4.2 解析ソフト
フレーム読み出し
本小節では、フレーム読み出しで取得したデータの解析プロセスを説明する。

• xrpixfphgen1. オフセット成分の推定

2.4 ソフトウェア

25

図 2.37 生波高値の頻度分布

図 2.38 オフセット成分を引いた波高値の頻度分布

図 2.37 に生波高値のヒストグラム、図 2.38 にオフセット成分を引いた波高値のヒストグラムを示す。取得したデータから各フレームにおける各ピクセルのオフセット成分の推定値を算出する。各ピクセルにおいて、自身と各フレームの前後 50 フレームを含んだ 101 フレームの時間平均を計算し、その結果をオフセット成分の推定値としている。なお、最初の 50 フレームはオフセットの計算にのみ用いて解析からは除外している。

2. bad frame の選定
各フレームごとに出力平均を算出する。算出した出力平均からフレーム間の平均と標準偏差 σ を求め、平均値から 3σ 以上離れたフレームを bad frame と判定し以後の解析から除く。

3. 解析結果の出力

図 2.39 xrpixfphgen で得た解析結果

図 2.39 に xrpixfphgen で得た解析結果を示す。
（a）全ピクセルの波高値の頻度分布。縦軸がカウント数、横軸が波高値。
（b）全ピクセルのマップ。縦軸が Row Adress、横軸が Column Adress。
（c）全ピクセル平均のライトカーブ。縦軸が波高値、横軸がフレーム数。赤線は平均を示す。
（d）全ピクセルのオフセット成分を引いた波高値の頻度分布。縦軸がカウント数、横軸が波高値。

• xrpixevlistgen26

第 2 章 SOI-CMOS 素子

1. イベントセレクション

図 2.40 イベントセレクションの関係図

図 2.40 にイベントセレクションの関係図を示す。各フレーム、各ピクセルで、イベント閾値を超えたピクセ
ルとその周囲 8 ピクセルの出力よりイベント選定を行う。なお、本実験では赤線で囲んだ TYPE ONE を
シングルピクセルイベント、TYPE TWO をダブルピクセルイベント、TYPE THREE をトリプルピクセ
ルイベント、TYPE FOUR をアザーピクセルイベントと定義し評価する。

– シングルピクセルイベント
抽出したイベントに隣り合う上下左右の全てのピクセルの出力値が、予め設定したスプリット閾値よりも小さい時、これをシングルピクセルイベントと定義する。これはＸ線により作られた電荷が 1 つのピ
クセルに集まったイベントであると判定する。

– ダブルピクセルイベント
抽出したイベントに隣り合う上下左右のピクセルのうち、1 つのピクセルの出力値が予め設定したスプ
リット閾値を越えた時、これをダブルピクセルイベントと定義する。ダブルピクセルイベントの出力は、中心のピクセルとスプリット閾値を越えたピクセルの出力の合計とする。

– トリプルピクセルイベント
抽出したイベントに隣り合う上下左右のピクセルのうち、2 つのピクセルの出力値が予め設定したスプ
リット閾値を越えた時、これをトリプルピクセルイベントと定義する。トリプルピクセルイベントの出力は、中心のピクセルとスプリット閾値を越えたピクセルの出力の合計とする。

– アザーピクセルイベント
抽出したイベントの周囲 8 ピクセルのうち、3 つ以上のピクセルの出力値が、予め設定したスプリット
閾値を越えた時、これをアザーピクセルイベントと定義する。アザーピクセルイベントの出力は、中心のピクセルとスプリット閾値を越えたピクセルの出力の合計とする。

2. マルチピクセルイベントの評価
XRPIX のようなピクセル検出器では、電荷が複数のピクセルにまたがってしまうマルチピクセルイベントが発生する。空乏層の深い位置で発生した一次電子雲が読み出しノードがあるセンサー層表面に到達するまでに大きく広がることで、マルチピクセルイベントの割合が大きくなる。これは、空乏層のより深い位置まで透過できるエネルギーの高いＸ線で起こりやすい。マルチピクセルイベントは、複数の読み出しノードから電荷が回収させるので、入射したＸ線のエネルギーを知るためには、解析時にそれらの電荷を足し合わせる必要がある。

3. 解析結果の出力

2.4 ソフトウェア

27

図 2.41 xrpixevlistgen で得た解析結果

図 2.41 に xrpixevlistgen で得た解析結果を示す。
（a）解析から除いたバッドピクセルのマップ。縦軸が Row Adress、横軸が Column Adress。
（b）全グレードのイベントを足し合わせたマップ。縦軸が Row Adress、横軸が Column Adress。
（c）全ピクセルのオフセットを引いた波高値の頻度分布。縦軸がカウント数、横軸が波高値。
（d）バッドピクセルを除いて解析したピクセルのオフセットを引いた波高値の頻度分布。縦軸がカウント数、横軸が波高値。

• xrpixcpec
1. 解析結果の出力

図 2.42 xrpixespec で得た解析結果

図 2.42 に xrpixespec で得た解析結果を示す。
（a）シングルピクセルイベントのスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値。
（b）ダブルピクセルイベントのスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値。

28

第 2 章 SOI-CMOS 素子（c）トリプルピクセルイベントのスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値。
（d）アザーピクセルイベントのスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値。
（e）アザーピクセルイベントのスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値。
（f）シングル、ダブル、トリプル、アザーイベントを足し合わせたスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値。
（g）シングル、ダブル、トリプル、アザーイベントのスペクトルの重ね書き。縦軸がカウント数、横軸が波
高値。
（h）それぞれのイベントのカウント数。縦軸がカウント数、横軸がイベントのタイプナンバー。

イベント駆動読み出し
イベント駆動読み出しで取得したデータは以下の手順で解析を行う。

1. ペデスタルの差し引き
USER FPGA によって生波高値とペデスタルが各々 50 回ずつサンプリングされ、保存される。サンプリングされた生の波高値とペデスタルの平均を計算し、生波高値からペデスタルを差し引くことで、Ｘ線によって生じた
出力 (波高値) を算出する。

2. 出力ファイルの作成算出した波高値とピクセルの座標情報を基に、ヒストグラムとＸ線カウントマップを作成する。

図 2.43 イベント駆動読み出しで得た解析結果

図 2.43 にイベント駆動読み出し時で得た解析結果を示す。 左図は算出された波高値の頻度分布を示し、縦軸がカウ
ント数数、横軸が波高値である。右図はＸ線イベントのマップを示し、縦軸が Row Adress、横軸が Column Adress である。

2.5 ハードウェア
本節では XRPIX のデータを取得する際に必要なハードウェアについて説明する。XRPIX で必要なハードウェアは
主に FPGA と読み出し基板である。

2.5.1 FPGAFPGA (Feild Programmable Gate Array) とは書きかえ可能な集積回路である。一般的な集積回路は一度製造してしまうと後から回路を変更することができない。しかし、FPAG ではあらかじめ複数の回路を用意しておき、必要なものをスイッチで切り替えて使用することで様々な回路を作成することができる。このスイッチの役割を果たしているのが LUT (Look-Up Table) と呼ばれる論理回路の真理値表をメモリで構成したものである。FPGA 内の内蔵メモリに必

2.5 ハードウェア

29

要な真理値表を書き込んでおき、その内蔵メモリのアドレス入力をデータ入力とすることで必要な結果を得ることができる [8]。回路は PC 上の開発ツールを用いて HDL (Hardware Description Language) で設計し、PC 経由で FPGAに書き込む。XRPIX では読み出しボードに搭載された FPGA によって素子の制御を行っている。

2.5.2 読み出しボード
読み出しボードは素子の動作制御とデータの入出力を担う基板である。

図 2.44 読み出しボードの写真

図 2.44 は読み出しボードの写真である。読み出しボードは素子の種類に依らない共通のメインボードである SEABAS
ボードと素子の種類で異なる 2 つの基板を組み合わせて構成されている。

• SEABAS ボード
SEABAS ボードは素子の制御と PC へのデータ転送の役割を果たしている。SEABAS ボードには素子制御用のUser FPGA とデータ転送用の SiTCP FPGA の 2 つの FPGA が搭載されている。User FPGA は FPGA に書
き込む firmware を書き換えることで、使用者が意図した制御を可能にするものである。SiTCP FPGA は User

FPGA から送られてくる出力信号をイーサネットで転送できる形式に変換するものである。SEABAS ボードに設置されているコネクタと PC を接続することでデータの送受信を行うことができる。

• Sub ボード
Sub ボードは素子を制御するデジタル信号の伝達、必要な電圧の印加、SEABAS ボードへのデータ転送といった役割を果たしている。Sub ボードには ADC、DAC が搭載されており、それぞれ素子からのアナログ出力信号を
デジタル出力信号への変換、素子に必要な電圧の供給を行っている。また、XRPIX6D の Sub ボードには計装ア
ンプの INA103 を搭載している。素子からの差動アナログ出力信号を増幅し、差動出力で ADC へ増幅した信号を伝達している。増幅率は実際の測定結果から 2.02 であることがわかっている。

31

第3章

過去に行われた XRPIX2b のイベント駆動読み出しの調査
本章では Takeda et al.(2014)[4]、Takeda (2014)[9] によって報告されている XRPIX2b のイベント読み出しの調査について説明する。

3.1 イベント駆動読み出しの問題点
3.1.1 イベント駆動読み出しでのエネルギー分解能

図 3.1 XRPIX2b のフレーム読み出しで得られた 241 Am

図 3.2 XRPIX2b のイベント駆動読み出しで得られたからのＸ線入射時のスペクトル [9]241

Am からのＸ線入射時のスペクトル [9]図 3.1 に XRPIX2b のフレーム読み出しで得られた 241 Am からのＸ線入射時のスペクトルを示し、図 3.2 に XRPIX2bのイベント駆動読み出しで得られた 241 Am からのＸ線入射時のスペクトルを示す。素子を −50◦ C に冷却し、フレーム読み出しでは Vbb = 100 V、CDS RST V = 400 mV、VTH = 700 mV の条件で実験が行われ、イベント駆動読み出
しでは Vbb = 100 V、CDS RST V = 400 mV、VTH = 440 mV の条件で実験が行われた。図 3.2 から 13.9 keV におけるイベント駆動読み出しで得られたエネルギー分解能はおよそ 1 keV である。しかし、図 3.1 のフレーム読み出しで得られた 241 Am の 13.9 keV におけるエネルギー分解能はおよそ 650 eV であるため、イベント駆動読み出しのエネ
ルギー分解能がフレーム読み出しのエネルギー分解能と比較して劣っていることが述べられている。

32

第 3 章 過去に行われた XRPIX2b のイベント駆動読み出しの調査

3.1.2 入射Ｘ線のエネルギーと波高値の関係におけるオフセット

図 3.3 Ｘ線エネルギーと波高値の関係

図 3.3 は 5.9、13.95、17.74、20.77、22.2、24.9、26.3、31、および 35 keV での 55 Fe、241 Am、109 Cd および 133 BaのＸ線を用いた入射Ｘ線のエネルギーと波高値の関係を示している。図 3.3 からイベント駆動読み出しにおいて予期されていない以下の 2 つの問題があることが提示されている。

• 80 ADU (20 mV) のオフセットを有する。
• 低エネルギーの波高値 (5.9 keV) が線形性から外れてしまう。
この現象を理解するために、オシロスコープを用いてイベント駆動読み出しで得られたアナログ信号の観測が行われている。3.2.1 節で説明する。

3.2 原因追求のための取り組み

33

3.2 原因追求のための取り組み
3.2.1 イベント駆動読み出しのアナログ信号の解析

図 3.4

109

Cd からのＸ線入射時のイベント駆動読み出しにおける各信号の波形 [9]図 3.4 では 109 Cd からの 22.2 keV のＸ線検出時のイベント駆動読み出しにおける各信号の波形を示されている。

TRG OUT はコンパレータ回路の論理出力信号であり、Event Assert は FPGA によるイベント確定信号である。この
図 3.4 から、以下の 4 つの問題が生じていることがわかっている。

1. 350 mV の立ち下がりパルス
TRIG OUT の論理が Low から High に変化すると 350 mV 程度の大きな負のパルスが発生している。しかし、この問題は読み出すピクセルを固定するために発生する現象であり、通常のデータ収集中には発生しないことがわかっているため大きな問題ではないことが述べられている。回路レイアウトで信号ラインの隣接が原因であることが回路シミュレーションから確認されている。

2. 信号レベルの差
Ｘ線からの真の検出信号である “Real” Signal level と実際に XRPIX が出力する信号である Obtain Signal levelに差が生じている。これは、実際に得られる信号レベルがＸ線入射による信号レベルにオフセットが付加された状態で出力されてしまうことを意味している。実際に、図 3.3 のキャリブレーションプロットに現れているイ
ベント駆動時の 80 ADU のオフセットはこの信号レベルの差と一致している。この現象については得られたアナログ信号を解析することで別の視点からの検証も行われている。3.2.2 節で説明する。

3. 長い論理反転時間
Ｘ線が入射し、論理反転までにかかる時間が ∼3 µs と長い時間がかかっている。この現象は信号レベルと VTHの差が小さいほど論理反転までにかかる時間が長くなることからコンパレータ回路の特性であることがわかった。
そのため、イベント駆動読み出しを行う際は VTH と信号レベルの差をできるだけ離しておく必要があることがわかった。

4. アナログ信号の変化
Ｘ線が入射してから TRG OUT が論理反転するまでの間にアナログ信号が変化している。この現象はコンパ
レータ回路の動作とレイアウトによるものであることがわかった。コンパレータ回路には CMOS インバータが使用されており、信号レベルと VTH の差に応じて出力値が High レベルと Low レベルに変化する。しかし、信号レベルと VTH の差が小さい場合には大きな貫通電流が流れてしまい、それがアナログとデジタルの電源ライ

34

第 3 章 過去に行われた XRPIX2b のイベント駆動読み出しの調査ンを分離していなかったために結果としてアナログ信号に影響を与えてしまうことがわかった。図 3.3 の 55 Feの 5.9 keV が線形のフィッティングから外れていた理由もこのアナログ信号の変化によるものであることがわかった。

3.2.2 コンパレータが動作することによる影響の評価
フレーム読み出し時に、あえて信号レベルよりも VTH を低く設定することでトリガー信号を出力させ、3.2.1 節の 2の問題についての検証を takeda(2014)[9] で行なっている。

図 3.5

241

Am スペクトルの中心波高値の閾値電圧 (VTH) に対する依存性 [9]図 3.5 はフレーム読み出しで取得された 241 Am の中心波高値の閾値電圧 (VTH) に対する依存性を示している。

CDS RSTV(VCDS) を 400 mV に固定し、VTH を 570 mV から 400 mV まで変化させ、得られたスペクトルの中心
波高値をプロットしている。図 3.5 から VCDS と VTH の差分が小さくなるとアナログ信号に変化が現れ、VTH =470 mV から 450 mV の間ではアナログ信号が高エネルギー側から次第にジャンプしていることが確認されている。これは、VTH を下げていくことでアナログ信号が VTH を超え、コンパレータが動作することによって生じるオフセットが乗ってしまうためである [9]。この現象を改善するために導入した Double-SOI 構造を持つ素子が XRPIX6D である。

BOX 層の間に別の Si 層を挿入した Double-SOI 構造を採用することにより、回路層と BPW 間の容量結合を切ることができ、コンパレータによるアナログ信号への干渉を抑えることができる (2.3.4 項を参照)。
本研究では、このトリガー信号を利用したイベント駆動読み出しによる問題が改善されていない素子 (XRPIX3b) と改善されたと思われる素子 (XRPIX6D) を調査することで、問題の改善を確認することを目的としている。

35

第4章

実験セットアップ
本章では性能評価実験のセットアップとアナログ信号観測実験のセットアップについて説明する。

4.1 性能評価実験のセットアップ

図 4.1 実験セットアップ写真

図 4.2

恒温槽内の実験セットアップ写真

図 4.1 に性能評価実験のセットアップの全体写真を示し、図 4.2 に恒温槽内のセットアップを示す。
以下で実験に使用した装置について説明する。

• 恒温槽
恒温槽とは内部を設定した一定の温度に保つ装置である。−65 ℃から +150 ℃まで 0.1 ℃ごとに設定が可能であり、本実験では −60 ℃に冷やして実験を行った。この装置を使うことで、素子と読み出しボード全体を冷やすことができ、暗電流をおさえることができる。使用した恒温槽はエスペックの SU-662 である。

• 電源系
– 直流安定化電源
直流安定化電源は読み出しボードへ電源を供給する目的で使用した。使用した直流安定化電源は PW18-

1.8AQ、PW18-1.3ATS である。
– ソースメータ
ソースメータは素子へのバックバイアス電圧を印加する目的で使用した。使用したソースメータは KEITH-

LEY2410 である。

36

第4章

実験セットアップ

4.2 アナログ信号観測実験のセットアップ

図 4.3 アナログ信号測定実験セットアップ写真

図 4.4

恒温槽内の実験セットアップ写真

図 4.3 にアナログ信号測定実験のセットアップの全体写真を示し、図 4.4 に恒温槽内のアナログ信号測定実験のセッ
トアップを示す。基本的なセットアップに違いはないが、アナログ信号や制御信号を観測するためにオシロスコープを読み出し基板と接続する。図 4.4 の赤丸で囲んだレモコネクタから出力されたアナログ信号や制御信号をオシロスコー
プで読み取っている。アナログ信号をレモコネクタへ出力するのか、それとも PC へ出力するのかは Sub ボード上のジャンパーソケットの位置を変えることで選択することができる。オシロスコープの入力端子に BNC コネクタを接続
し、SEABAS ボードに搭載されているレモコネクタとレモケーブルを介して接続することにより、素子からの出力信号を波形情報として直接観測することができる。使用したオシロスコープは Tektronix の MSO2024B である。

4.3 データ取得領域
4.3.1 XRPIX3b

図 4.5 XRPIX3b の性能評価実験時のデータ取得領域の概念図

図 4.6 XRPIX3b のアナログ信号測定実験時のデータ取得領域の概念図

図 4.5 に XRPIX3b の性能評価実験時のデータ取得領域の概念図を示し、図 4.6 に XRPIX3b のアナログ信号測定実験時のデータ取得領域の概念図を示す。XRPIX3b は、CA = 16 を境にセンスノード後段のピクセル回路に SF を置いた SF 領域と、SF を CSA に置き変えた CSA 領域の 2 領域に分かれている。本研究では CSA 領域の評価を行うため、

4.3 データ取得領域

37

図 4.5 の RA = 0–32、CA = 16–32 の領域を使用した。また、アナログ信号測定実験時には読み出すピクセルを 1 ピク
セルに固定する必要があるため、図 4.6 に示す通り、RA = 16、CA = 24 のピクセル指定して使用した。

4.3.2 XRPIX6D

図 4.7 XRPIX6D の性能評価実験時のデータ取得領域の概念図

図 4.8

XRPIX6D のアナログ信号測定実験時のデータ取得領域の概念図

図 4.7 に XRPIX6D の性能評価実験時のデータ取得領域の概念図を示し、図 4.8 に XRPIX6D のアナログ信号測定実験時のデータ取得領域の概念図を示す。XRPIX6D は、8 × 16 の領域ごとにセンサー層のピクセル構造が異なる TEGを採用している。先行研究により、一番電荷収集効率が良い TEG は図 4.7 の左下の RA = 0–8、CA = 0–16 の 8 × 16領域であることがわかっている。そのため、本研究では RA = 0–8、CA = 8–16 の 8 × 8 の領域のデータを使用した。
また、アナログ信号測定実験時には読み出すピクセルを 1 ピクセルに固定する必要があるため、図 4.8 に示す通り、RA= 4、CA = 8 のピクセル指定して使用した。

39

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査
本章では、XRPIX3b、6D のイベント駆動読み出しの調査結果及び、調査結果と先行研究で調査された XRPIX2b の結果との比較を述べる。

5.1 XRPIX3b、XRPIX6D のイベント駆動読み出しで予想される問題と改善
3 章で XRPIX2b のイベント駆動読み出しの問題点を説明した。本研究で使用した XRPIX3b は XRPIX2b とセンサー構造が変わらず、回路レイアウトもほとんど同じ素子であるため、XRPIX2b で確認された問題が改善されていないと思われる素子である。対して、XRPIX6D はセンサー構造が Single-SOI から Double-SOI に変わり、回路レイアウ
トも変更されているため XRPIX2b で確認された問題が改善されたと思われる素子である。

表 5.1 XRPIX2b でみられた問題点とその改善見込みと
の対応表

図 5.1

問題点

XRPIX3b

XRPIX6D

1. 大きな立ち下がりパルス⃝⃝

2. 信号レベルの変化

×⃝

3. 長い論理反転時間

××

4. アナログ信号の変化

×⃝

先行研究 [9] で得られた XRPIX2b でのアナログ

信号と各制御信号の波形。黄は TRIG OUT、シアンはEvent Assert、緑はアナログ信号を表す。

図 5.1 に先行研究 [9] で得られた XRPIX2b におけるアナログ信号の問題点をまとめた図を示し、表 5.1 に XRPIX3bと XRPIX6D でアナログ信号を観測した場合における XRPIX2b の問題点及び改善の見込みとの対応表を示す。図 5.1で示されている先行研究で観測された XRPIX2b におけるアナログ信号の問題点は以下の 4 つである。

1. 大きな立ち下がりパルス
2. 信号レベルの変化
3. 長い論理反転時間
4. アナログ信号の変化
表 5.1 はそれぞれの素子で同様にアナログ信号を観測した際の改善の見込みをまとめた表である。× の記号は改善の

40

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

見込みがないことを表し、⃝ は改善が期待されることを表している。1. の問題は通常の動作ではみられない現象であるため大きな問題ではないが、XRPIX3b 以降は回路レイアウトの変更によって改善が見込まれている。したがって、

XRPIX3b、6D ともに ⃝ である。2. の問題は XRPIX3b は Single-SOI 構造であるため改善が見込めず、XRPIX6D
では Double-SOI 構造の導入により抑制が期待されるため、XRPIX3b では ×、XRPIX6D では ⃝ である。3. の問題
はコンパレータ回路の特性による現象であるためどちらも × である。4. の問題は XRPIX6D での回路のレイアウトの変更により、抑制されると期待されるため、XRPIX3b では ×、XRPIX6D では ⃝ である。
これら 4 つの問題に着目して、両素子のアナログ信号を調査した。

5.2 XRPIX3b のイベント駆動読み出しの調査
本節では XRPIX3b のイベント駆動読み出しで得られた結果について説明する。なお、データ取得範囲はすべて

XRPIX3b の CSA 領域を使用しており、以降 CSA 領域で取得したデータは XRPIX3b-CSA と表記する。また、必要に応じて VCDS−VTH を ∆VTH と表記する。

5.2.1 入射Ｘ線のエネルギーと波高値の関係

図 5.2 XRPIX3b-CSA のフレーム読み出しで得られた241

Am からのＸ線入射時のスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

図 5.3 XRPIX3b-CSA のイベント駆動読み出しで得られた 241 Am からのＸ線入射時のスペクトル。縦軸がカウ
ント数、横軸が波高値を表す。

図 5.2 に XRPIX3b-CSA のフレーム読み出しで得られた 241 Am からのＸ線入射時のスペクトルを示し、図 5.3 に

XRPIX3b-CSA のイベント駆動読み出しで得られた 241 Am からのＸ線入射時のスペクトルを示す。図 5.2 と図 5.3 を比較すると、XRPIX2b と同様に、フレーム読み出しで得られたスペクトルに対してイベント駆動読み出しで得られたスペクトルのエネルギー分解能が悪くなっていることがわかった。さらに、イベント駆動読み出しで得られたスペクト
ルは 241 Am の 13.9 keV のピークより低エネルギー側のテール成分が顕著にあらわれている。
また、図 5.2 のフレーム読み出しで得られた 241 Am の 13.9 keV の輝線中心波高値がおよそ 270 ADU であるのに対し、図 5.3 のイベント駆動読み出しで得られた 241 Am の 13.9 keV の輝線中心波高値は 1900 ADU とスペクトルにオフセットがのっていることが確認できた。

5.2 XRPIX3b のイベント駆動読み出しの調査

41

表 5.2

輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.57 ± 0.07

17.7

346.39 ± 0.11

20.8

407.09 ± 0.29

26.3

514.19 ± 0.45

図 5.4 XRPIX3b-CSA のフレーム読み出しで取得した
241

Am のＸ線スペクトルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値。赤線がフィッティングした関
数を示す。

表 5.3

輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1188.85 ± 0.52

17.7

1253.64 ± 0.57

20.8

1315.28 ± 1.81

図 5.5 XRPIX3b-CSA のイベント駆動読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクトルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値。赤線がフィッティングした関数を示す。

図 5.4 にフレーム読み出しで得られた 241 Am のスペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示し、表 5.2にフィッティングから得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線エネルギーの関係をまとめる。また、図5.5 にイベント駆動読み出しで得られた 241 Am のスペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示し、表 5.3 にフィッティングから得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線エネルギーの関係をまとめる。
各読み出し方法で得られた表 5.2 と表 5.3 の結果から、241 Am のピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線エネ
ルギーの関係をプロットし、一次関数でフィッティングした結果を以下の図 5.6 と図 5.7 に示す。
図 5.6 と図 5.7 の結果から、フレーム読み出し時はほとんどオフセットがないのに対してイベント駆動読み出し時は
約 946 ADU のオフセットがのっていることが確認できた。

42

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

図 5.6 XRPIX3b-CSA におけるフレーム読み出しでの図 5.7 XRPIX3b-CSA におけるイベント駆動読み出し

241

Am の輝線とピーク波高値の関係。縦軸が波高値、横での 241 Am の輝線とピーク波高値の関係。縦軸が波高値、軸が輝線エネルギー、青線がフィッティングに用いた一次横軸が輝線エネルギー、青線がフィッティングに用いた一関数を示す。p0 は切片、p1 は傾きを表す。

次関数を示す。p0 は切片、p1 は傾きを表す。

5.2.2 イベント駆動読み出し時のアナログ信号の観測
XRPIX2b でみられた問題点との比較

図 5.8 VCDS = 700 mV、VTH = 620 mV の条件で取得した XRPIX3b-CSA における 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号と各制御信号の波形。黄は TRIG OUT、シアンは Event Assert、緑はアナログ信号を表す。

図 5.8 に XRPIX3b-CSA でのアナログ信号と各制御信号の波形を示す。Ｘ線入射後にアナログ信号が減少する方向に変化しているのは、センサー層に入射したＸ線によって生成された正孔が収集され、得られた信号を CSA によって反転増幅しているためである。図 5.8 から先行研究で報告された XRPIX2b の問題点と同様の現象が 3 つ確認された。確認された現象を以下に示す。なお、各番号は 5.1 節の問題番号と合わせている。

1. 大きな立ち下がりパルス
トリガー信号の論理反転のタイミングでアナログ信号に立ち下がりパルスがみられている。XRPIX2b でもみられていた現象だが、読み出すピクセルを 1 ピクセルに固定しているために起きる現象であり、通常のデータ取得には表れない。しかし、XRPIX3b ではこの現象を改善するために回路レイアウトを変更している。そのため、この立下りパルスがみられる原因はわかっていない。

2. 信号レベルの変化
XRPIX2b でもみられていたトリガー信号の論理反転の前後でのアナログ信号レベルの変化が XRPIX3b でも同様にみられていることが確認できた。この現象は XRPIX3b が XRPIX2b と同様に Singel-SOI 構造であるため、

5.2 XRPIX3b のイベント駆動読み出しの調査

43

コンパレータ回路によるアナログ信号への干渉が表れていると考えられる。

4. アナログ信号の変化
Ｘ線が入射し、トリガー信号が論理反転するまでの間にアナログ信号が変化していることが分かった。しかし、

XRPIX2b とは変化の傾向が異なっており、Ｘ線が入射し、トリガー信号が論理反転するまでの間にアナログ信号が徐々に減少していく様子がみられた。この現象は現段階で原因の追究ができていない。今後の素子開発においてもこの現象の理解は必要であるため、原因の追究を行う必要がある。

図 5.9 VCDS = 700 mV、VTH = 600 mV の条件で取得した XRPIX3b-CSA における 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号と各制御信号の波形。黄は TRIG OUT、シアンは Event Assert、緑はアナログ信号を表す。

図 5.9 に図 5.8 より VTH の値を 20 mV 下げ、VCDS = 700 mV、VTH = 600 mV の条件で取得したアナログ信号と各制御信号の波形を示す。図 5.8 と図 5.9 を比較すると、前者は論理反転までにかかる時間が ∼ 2 µs に対して、後者は∼ 6 µs と長くなっている。109 Cd からの X 線を 22.2 keV のエネルギーを持つ X 線だと仮定すると、X 線の入射によって生じる電圧値は約 100 mV であるため、後者のほうが前者よりも信号レベルと VTH の差が小さい。22.2 keV のＸ線
入射時の出力電圧値は、XRPIX3b における ADC の 1 ADU あたりの幅 244 µV、図 5.6 の傾きである 19.64 ADU/keV
を用いて以下の式から算出した。

電圧値 [mV] = 22.2 [keV] × 19.64 [ADU/keV] × 244 [µV/ADU] × 103(5.1)

よって、5.1 節の問題 3. の論理反転にかかる時間が長い原因が信号レベルと VTH の差が小さいことに起因することを確認した。
解析後のデータとの比較

図 5.10 VCDS = 700 mV、VTH = 620 mV の条件で取得した XRPIX3b-CSA における 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号の信号レベルの定義。黄は TRIG OUT、シアンは EVENT ASSERT、緑はアナログ信号を表す。

44

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

図 5.10 に XRPIX3b-CSA での 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号の信号レベルの定義を示す。X 線入射前の信号レベルを base level とし、X 線入射後に得られる信号レベルを signal level と定義した。オシロスコープの観測時に得られる波形データから各信号レベルでの値を 2000 点抜き出し、その平均値を計算することで、各信号レベルの電圧値とした。
表 5.4 に VTH = 620 mV の時に 5 回取得して得られた各信号レベルの電圧値とその差分を示す。
表 5.4 XRPIX3b-CSA の VTH = 620 mV における各信号レベルの電圧値とその差分

取得データ [回目]base level [V]signal level [V]

差分 [V]

1

0.00573−0.21618

0.221912

0.00715−0.25051

0.25766

30.01144−0.27901

0.2904540.00423−0.261150.2653850.00428−0.271090.27538

表 5.4 の差分の平均値と標準偏差は 0.262156 ± 0.022916 V である。求めた平均値と標準偏差から、XRPIX3b-CSAの VTH = 620 mV における波高値は以下の式から 1074.41 ± 93.92 ADU と求められた。

波高値 [ADU] = 差分の平均値 [V] ÷ 244 [µV/ADU] × 106(5.2)

図 5.11 XRPIX3b-CSA における 241 Am の輝線とピーク波高値の関係。縦軸が波高値、横軸が輝線エネルギー、
青線がフィッティングに用いた一次関数を示す。赤線は 109 Cd の 22.2 keV と 25 keV での波高値の予想値を示す。

図 5.11 にイベント駆動読み出しで得られた XRPIX3b-CSA の 241 Am の輝線とピーク波高値の関係を示す。赤線は
109

Cd の 22.2 keV と 25 keV での波高値の予想値を示している。アナログ信号観測時の線源は 109 Cd を使用しているので、求められる波高値は図 5.11 から 1300、若しくは 1400 ADU 付近に得られるはずである。しかし、先ほどのアナログ信号の観測結果から求められた波高値は 1074.41 ± 93.92 ADU であった。不定性を考慮してもアナログ信号の観測結果から求められた波高値が予想される波高値よりも低い結果であった。この原因はわかっていないが、アナログ信号の測定結果から波高値を求める際の統計量が 5 回と少なかったことも原因の一つであると考えられる。

5.2 XRPIX3b のイベント駆動読み出しの調査

45

5.2.3 コンパレータ動作時の影響の調査

図 5.13 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 400 mV
図 5.12 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 400 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.1 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 400 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.2 に、そのＸ線
スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.2 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.1 にまとめる。
表 5.5 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 400mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.25 ± 0.06

17.7

345.81 ± 0.11

20.8

405.26 ± 0.39

この ∆VTH の値を ∆VTH = 400 ∼ −100 mV に変更し、各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値を算出した。以下の表 5.6 に算出した輝線のエネルギーとピークの波高値をまとめる。
表 5.6: XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 400 ∼ −100mV 時の輝
線のエネルギーとピークの波高値∆VTH [mV]
400

300

200

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.25 ± 0.06

17.7

345.81 ± 0.11

20.8

405.26 ± 0.39

13.9

271.26 ± 0.06

17.7

345.91 ± 0.11

20.8

405.32 ± 0.31

13.9

271.38 ± 0.06

17.7

346.05 ± 0.10
表は次ページに続く

46

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

前ページの続き∆VTH [mV]

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]20.8

405.40 ± 0.34

13.9

271.50 ± 0.06

17.7

346.59 ± 0.09

20.8

406.94 ± 0.30

13.9

271.71 ± 0.06

17.7

346.70 ± 0.09

20.8

406.51 ± 0.35

13.9

271.57 ± 0.07

17.7

347.08 ± 0.09

20.8

408.73 ± 0.40

13.9

271.66 ± 0.06

17.7

347.03 ± 0.09

20.8

408.73 ± 0.35

13.9

272.45 ± 0.06

17.7

349.79 ± 0.11

20.8

1378.88 ± 0.40

13.9

273.30 ± 0.07

17.7

353.05 ± 0.12

20.8

1370.59 ± 0.36

13.9

274.98 ± 0.07

17.7

1312.10 ± 0.17

20.8

1369.61 ± 0.35

13.9

277.55 ± 0.07

17.7

1308.42 ± 0.27

20.8

1370.57 ± 0.31

13.9

1241.18 ± 0.20

17.7

1308.88 ± 0.24

20.8

1370.80 ± 0.36

13.9

1239.15 ± 0.1817.7

1308.90 ± 0.25

20.8

1370.24 ± 0.35

13.9

1237.96 ± 0.1217.7

1308.64 ± 0.25

20.8

1369.51 ± 0.44

13.9

1237.37 ± 0.1217.7

1307.72 ± 0.31

20.8

1368.32 ± 0.44

13.91235.42 ± 0.1717.7

1306.63 ± 0.30

20.8

1368.29 ± 0.40
表は次ページに続く

5.2 XRPIX3b のイベント駆動読み出しの調査

47

前ページの続き∆VTH [mV]

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1234.26 ± 0.19

17.7

1305.81 ± 0.33

20.8

1366.37 ± 0.40

13.9

1231.85 ± 0.24

17.7

1303.16 ± 0.35

20.8

1365.33 ± 0.45

13.9

268.94 ± 0.10

17.7

341.80 ± 0.15

20.8

400.18 ± 0.42

13.9

268.47 ± 0.07

17.7

341.92 ± 0.11

20.8

400.47 ± 0.24

13.9

268.75 ± 0.07

17.7

341.94 ± 0.1220.8

400.58 ± 0.25

13.9

268.77 ± 0.07

17.7

342.24 ± 0.1020.8

400.74 ± 0.35

13.9

268.83 ± 0.07

17.7

342.32 ± 0.1020.8

400.88 ± 0.35

13.9

268.99 ± 0.07

17.7

342.60 ± 0.10

20.8

401.53 ± 0.28

20

10

0

−10

−20

−30

−40

−50

ここまで

表 5.6 の ∆VTH とピークの中心波高値の関係をプロットした図を 5.14 に示す。

図 5.14 XRPIX3b-CSA における 241 Am の輝線中心波高値の VTH 依存性。縦軸が 241 Am の各輝線エネルギーでの中心波高値、横軸が ∆VTH を表す。

48

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

図 5.14 に XRPIX3b-CSA での 241 Am の輝線中心波高値の VTH 依存性を示す。図 5.14 から ∆VTH を小さくすると、∆VTH = 110 mV で 241 Am の 20.8 keV の中心波高値が 970.15 ADU ジャンプしていることがわかる。同様に、∆VTH = 90 mV で 241 Am の 17.7 keV の中心波高値が、∆VTH = 70 mV で 241 Am の 13.9 keV の中心波高値がそれぞれ 959.05、963.63 ADU ジャンプしている。これらの 3 つのジャンプしている波高値の平均と標準偏差を求める
ことで、XRPIX3b-CSA のイベント駆動読み出しのオフセットが 964.27 ± 4.55 ADU であることが分かった。これは、不定性を超えてはいるが、図 5.7 で求められたオフセット値 945.7 ± 2.83 ADU と概ね近しい値である。よって、

XRPIX3b-CSA のイベント駆動読み出しでオフセットが乗ってしまう原因はトリガー信号の論理反転であることが確認できた。XRPIX3b-CSA は Single-SOI 構造であるため、同様の構造を持つ XRPIX2b でみられていた、トリガー信号の論理反転に伴って波高値がジャンプする現象が再現されたと考えられる。

5.3 XRPIX6D のイベント駆動読み出しの調査
本節では XRPIX6D のイベント駆動読み出しの調査で得られた結果について説明する。なお、データ取得範囲は、電荷収集効率が良いとされる TEG を使用した。また、必要に応じて VTH−VCDS を ∆VTH と表記する。

5.3.1 入射Ｘ線のエネルギーと波高値の関係

図 5.15 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 得 ら れ た

図 5.16 XRPIX6D のイベント駆動読み出しで得られた

241

241

Am からのＸ線入射時のスペクトル。縦軸がカウン

ト数、横軸が波高値を表す。

Am からのＸ線入射時のスペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

図 5.15 に XRPIX6D のフレーム読み出しで得られた 241 Am からのＸ線入射時のスペクトルを示し、図 5.16 に

XRPIX6D のイベント駆動読み出しで得られた 241 Am からのＸ線入射時のスペクトルを示す。図 5.16 から XRPIX3bのイベント駆動読み出しで得られたスペクトルよりもエネルギー分解能とテール成分が改善され、より、フレーム読み
出しのスペクトルに近づいていることがわかった。
また、図 5.15 のフレーム読み出しで得られた 241 Am の 13.9 keV の輝線中心波高値がおよそ 600 ADU であるのに対し、図 5.16 のイベント駆動読み出しで得られた 241 Am の 13.9 keV の輝線中心波高値はおよそ 580 ADU である。

5.3 XRPIX6D のイベント駆動読み出しの調査

49

表 5.7

輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

614.13 ± 0.35

17.7

771.94 ± 0.8420.8

870.33 ± 0.58

図 5.17 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
241

Am のＸ線スペクトルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値。赤線がフィッティングした関数を示す。

表 5.8

輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

581.86 ± 0.58

17.7

757.83 ± 0.71

20.8

877.64 ± 0.37

図 5.18 XRPIX6D のイベント駆動読み出しで取得した
241

Am のＸ線スペクトルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値。赤線がフィッティングした関数を示す。

図 5.17 にフレーム読み出しで得られた 241 Am のスペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示し、表 5.7にフィッティングから得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線エネルギーの関係をまとめる。また、図5.18 にイベント駆動読み出しで得られた 241 Am のスペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示し、表 5.8 にフィッティングから得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線エネルギーの関係をまとめる。
各読み出し方法で得られた表 5.7 と表 5.8 の結果から、241 Am のピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線エネ
ルギーの関係をプロットし、一次関数でフィッティングした結果を以下の図 5.19 と図 5.20 に示す。
図 5.19 と図 5.20 の結果から、イベント駆動読み出し時はほとんどオフセットがないのに対してフレーム読み出し時は約 94 ADU のオフセットがみられた。フレーム読み出し時にオフセットがのる原因はわかっていないが、実験環境に依存する現象であるため、原因を追求する必要がある。

50

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

図 5.19 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た

図 5.20 XRPIX6D のイベント駆動読み出しで取得した

241

241

Am の輝線とピーク波高値の関係。縦軸が波高値、横Am の輝線とピーク波高値の関係。縦軸が波高値、横軸が輝線エネルギー、青線がフィッティングに用いた一次軸が輝線エネルギー、青線がフィッティングに用いた一次関数を示す。p0 は切片、p1 は傾きを表す。

関数を示す。p0 は切片、p1 は傾きを表す。

5.3.2 イベント駆動読み出し時のアナログ信号の観測
XRPI2b でみられた問題点との比較

図 5.21 VCDS = 400 mV、VTH = 420 mV の条件で取得した XRPIX6D での 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号と各制御信号の波形。黄は TRIG OUT、シアンは Event Assert、緑はアナログ信号を表す。

図 5.21 に XRPIX6D でのアナログ信号と各制御信号の波形を示す。Ｘ線入射後のアナログ信号が減少する方向に変化しているのは、センサー層に入射したＸ線によって生成された電子が収集され、得られた信号を CSA によって反転増幅し、さらにカラムアンプで反転増幅しているためである。図 5.8 から先行研究で報告されていた XRPIX2b の結果と前節で説明した XRPIX3b の結果で確認された現象がみられなかった。具体的には以下の点である。なお、各番号は

5.1 節の問題番号と合わせている。
1. 大きな立ち下がりパルス
XRPIX2b、3b でみられていたトリガー信号の論理反転のタイミングで現れていた立ち下がりパルスがみられていない。実際の動作には関係しない問題であったが、XRPIX6D で改善されていることがわかった。

2. 信号レベルの変化
XRPIX2b と XRPIX3b でみられていたトリガー信号の論理反転の前後でのアナログ信号の変化が XRPIX6D ではみられていないことがわかった。改善された理由は XRPIX6D で Double-SOI 構造を導入されたことで回路層と BPW との容量結合が切れ、コンパレータ回路によるアナログ信号への影響が低減されたためだと考えられる。

5.3 XRPIX6D のイベント駆動読み出しの調査

51

4. アナログ信号の変化Ｘ線が入射してトリガー信号が論理反転するまでの間でアナログ信号が変化する現象はみられなかった。これは、XRPIX6D でアナログとデジタルの電源ラインを分離したことで、アナログ信号への影響が低減されたためだと考えられる。

図 5.22 VCDS = 400 mV、VTH = 600 mV の条件で取得した XRPIX6D での 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号と各制御信号の波形。黄は TRIG OUT、シアンは Event Assert、緑はアナログ信号を表す。

図 5.22 に VTH の値を 600 mV に変えた場合のアナログ信号と各制御信号の波形を示す。図 5.21 と図 5.22 を比較す
ると、前者は論理反転までにかかる時間が ∼ 20 ns に対して、後者は ∼ 80 ns と長くなっている。109 Cd からの X 線を

22.2 keV のエネルギーを持つ X 線だと仮定すると、X 線の入射によって生じる電圧値は約 200 mV であるため、後者のほうが前者よりも信号レベルと VTH の差が小さい。22.2 keV のＸ線入射時の出力電圧値は、XRPIX6D におけるADC の 1 ADU あたりの幅 488 µV、図 5.19 の傾きである 37.53 ADU/keV、XRPIX6 用の Sub ボードに搭載されている計装アンプ INA103 のゲイン 2.02 を用いて以下の式から算出した。

電圧値 [mV] = 22.2 [keV] × 37.53 [ADU/keV] × 488 [µV/ADU] × 103 ÷ 2.02

(5.3)

よって、5.1 節の問題 3. の論理反転にかかる時間が長い原因が信号レベルと VTH の差が小さいことに起因することを確認した。
解析後のデータとの比較

図 5.23 VCDS = 700 mV、VTH = 420 mV の条件で取得した XRPIX6D での 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号の信号レベルの定義。黄は TRIG OUT、シアンは Event Assert、緑はアナログ信号を表す。

図 5.23 に XRPIX6D での 109 Cd からのＸ線入射時のアナログ信号の信号レベルの定義を示す。X 線入射前の信号レ
ベルを base level とし、X 線入射後に得られる信号レベルを signal level と定義した。オシロスコープの観測時に得ら

52

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

れる波形データから各信号レベルでの値を 2000 点抜き出し、その平均値を計算することで、各信号レベルの電圧値とした。
表 5.9 に VTH = 420 mV の時に 5 回取得して得られた各信号レベルの電圧値とその差分を示す。
表 5.9 XRPIX6D の VTH = 420 mV における各信号レベルの電圧値とその差分

取得データ [回目]base level [V]signal level [V]

差分 [V]

10.00183−0.48313

0.484962

0.00235−0.39963

0.4019830.01519−0.36358

0.37878

40.01522−0.43977

0.4549950.01627−0.22287

0.23914

表 5.4 の差分の平均値と標準偏差は 0.39197 ± 0.085147 V である。求めた平均値と標準偏差から、XRPIX6D の

VTH = 420 mV における波高値は以下の式から 803.22 ± 174.48 ADU と求められた。

波高値 [ADU] = 差分の平均値 [V] ÷ 488 [µV/ADU] × 106(5.4)

図 5.24 XRPIX6D のイベント駆動読み出しで取得した 241 Am の輝線とピーク波高値の関係。横軸が波高値、青線
がフィッティングに用いた一次関数を示す。赤線は 109 Cd の 22.2 keV と 25 keV での波高値の予想値を示す。

図 5.24 にイベント駆動読み出しで得られた XRPIX6D の 241 Am の輝線とピーク波高値の関係を示す。赤線は 109 Cdの 22.2 keV と 25 keV での波高値の予想値を示している。アナログ信号観測時の線源は 109 Cd を使用しているので、求められる波高値は図 5.11 から 900、若しくは 1050 ADU 付近に得られるはずである。先ほどのアナログ信号の観測結果から求められた波高値は 803.22 ± 174.48 ADU であった。不定性を考慮すると、予想値とアナログ信号の観測結果から求められた波高値は一致している。

5.3 XRPIX6D のイベント駆動読み出しの調査

53

5.3.3 コンパレータ動作時の影響の調査

図 5.26 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 5.25 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 400mV 時の

241

Am のＸ線スペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

∆VTH = 400 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 B.21 に XRPIX6D における、∆VTH = 400 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.22 に、そのＸ線ス
ペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.22 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.11 にまとめる。
表 5.10 XRPIX6D における ∆VTH = 400 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

659.68 ± 0.79

17.7

827.82 ± 0.95

20.8

970.12 ± 2.14

この ∆VTH の値を ∆VTH = 400 ∼ −100 mV まで変更し、各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値を算出した。以下の表 5.11 に算出した輝線のエネルギーとピークの波高値をまとめる。
表 5.11:XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 400 ∼ −100 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値∆VTH [mV]
400

350

300

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

659.68 ± 0.79

17.7

827.82 ± 0.95

20.8

970.12 ± 2.14

13.9

657.56 ± 0.65

17.7

828.38 ± 0.79

20.8

972.27 ± 1.98

13.9

659.75 ± 0.84

17.7

827.23 ± 0.89
表は次ページに続く

54

第5章

XRPIX3b、6D でのイベント駆動読み出しの調査

前ページの続き∆VTH [mV]

250

200

150

100

50

0

−50

−100

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]20.8

959.80 ± 1.44

13.9

654.76 ± 0.78

17.7

827.23 ± 0.93

20.8

943.26 ± 1.66

13.9

639.56 ± 0.66

17.7

793.53 ± 0.56

20.8

929.72 ± 3.34

13.9

619.98 ± 0.68

17.7

793.53 ± 0.99

20.8

925.28 ± 2.25

13.9

615.95 ± 0.81

17.7

788.24 ± 0.82

20.8

927.52 ± 4.85

13.9

619.14 ± 0.45

17.7

789.73 ± 0.85

20.8

931.92 ± 1.24

13.9

633.70 ± 0.96

17.7

807.99 ± 0.70

20.8

952.98 ± 1.68

13.9

653.86 ± 0.69

17.7

831.50 ± 0.81

20.8

969.31 ± 1.96

13.9

659.26 ± 0.64

17.7

829.38 ± 1.11

20.8

977.54 ± 2.42
ここまで

表 5.11 の ∆VTH とピークの中心波高値の関係をプロットした図を 5.27 に示す。

5.4 XRPIX3b、6D のイベント駆動読み出しの調査結果のまとめ

55

図 5.27 XRPIX6D における 241 Am の輝線中心波高値の VTH 依存性。縦軸が 241 Am の各輝線エネルギーでの中心波高値、横軸が ∆VTH を表す。

図 5.27 に XRPIX6D のフレーム読み出しで取得した 241 Am の輝線中心波高値の VTH 依存性を示す。図 5.27 から、
図 5.14 でみられていた ∆VTH を小さくすると 241 Am の中心波高値がジャンプする現象がみられなかった。この結果
から、XRPIX6D の波高値はトリガ信号の論理反転に影響を受けないことが分かった。従って、Double-SOI 構造の導入によってトリガ信号の論理反転に伴う波高値への影響が低減されていることを確認した。

5.4 XRPIX3b、6D のイベント駆動読み出しの調査結果のまとめ
5.1 で示した XRPIX2b で観測された 4 つのアナログ信号の問題を XRPIX3b、XRPIX6D について同様に調査を行なった結果をまとめる。
表 5.12 XRPIX2b のアナログ信号の問題点とその改善との対応表

問題点

予想

結果

XRPIX3b

XRPIX6DXRPIX3b

XRPIX6D

1. 大きな立ち下がりパルス

⃝

⃝

×

⃝

2. 信号レベルの変化

×

⃝

×

⃝

3. 長い論理反転時間

×

×

×

×

4. アナログ信号の変化

×

⃝

×

⃝

表 5.12 に XRPI3b、6D のイベント駆動読み出しの調査を行なって得られた結果をまとめた表である。1. の XRPIX3b
での立ち下がりパルスの結果以外は表 5.1 の見込み通りの結果だった。XRPIX2b で得られたアナログ信号の問題がXRPIX6D ですべて解決しているわけではないが、3 の問題はコンパレータ回路と特性上現れる現象であり、回避する
ことは困難である。だが、イベント駆動読み出しを行う際は信号レベルより VTH を低く設定して駆動させるため、3.
のような現象は起きない。そのため、実際のイベント駆動読み出し時には 3. の問題も実質的には ⃝ である。
以上の結果から XRPIX2b と同様の Single-SOI 構造を持つ XRPIX3b で XRPIX2b と同様の問題を再現することができ、回路レイアウトを変更し、Double-SOI 構造を導入した XRPIX6D で XRPIX2b、3b での問題が改善されていることを確認した。

57

第6章

まとめ
まず、以下に XRPIX3b-CSA によるイベント駆動読み出しの調査のまとめを示す。

• 入射Ｘ線と波高値の関係– イベント駆動読み出しでのオフセット線源 241 Am を用いてフレーム読み出しとイベント駆動読み出しで入射Ｘ線と波高値の関係を調査したところ、イベント駆動読み出しで 945.7 ± 0.2 ADU のオフセットが存在することがわかった。

• イベント駆動読み出し時のアナログ信号の観測
線源 109 Cd を用いて XRPIX2b でみられていた以下の 4 つの問題について調査を行った。

– 大きな立ち下がりパルス
XRPIX2b と同様に立ち下がりパルスがみられることがわかった。XRPIX3b では原因と考えられていた回
路レイアウトを変更しているために、XRPIX3b-CSA で立ち下がりパルスが存在することは予想外の結果だった。しかし、この立ち下がりパルスは読み出すピクセルを 1 ピクセルに固定することで現れる現象であり、実際の動作中には現れない現象であるため大きな問題ではないと言える。

– 信号レベルの変化
XRPIX2b と同様にトリガー信号の論理反転の前後でアナログ信号のレベルが変化することがわかった。この現象は XRPIX3b が XRPIX2b 同様、Single-SOI 構造であるためにコンパレータ回路によるアナログ信号への干渉が現れていると考えられる。

– 長い論理反転時間
VCDS の値を 700mV に固定し、VTH の値を 620 mV から 600 mV に変えることで論理反転時間が ∼ 2µsから ∼ 6µs と長くなることがわかった。109 Cd の信号レベルは計算上約 100 mV であるため、後者のほうが信号レベルと VTH の差分が小さい。長い論理反転時間はコンパレータ回路の特性が現れているものであり、信号レベルと VTH の差分が小さいほど論理反転にかかる時間が長くなることが XRPIX2b の結果からわかっている。そのため、XRPIX2b でみられた長い論理反転時間が信号レベルと VTH の差分が小さいことに起因していることを確認した。

– アナログ信号の反転
Ｘ線入射後、トリガー信号が論理反転するまでの間にアナログ信号が変化していることがわかった。しかし、

XRPIX2b とは変化の傾向が異なっており、XRPIX3b-CSA ではトリガー信号が論理反転するまでの間にアナログ信号が徐々に減少していく現象がみられた。今後、この現象の原因追求を行う必要がある。

• コンパレータ動作時の影響の調査
線源 241 Am を用いて ∆VTH を変化させながらフレーム読み出しでデータを取得した。得られた各輝線の中心波
高値を ∆VTH の値ごとにプロットしてコンパレータ動作時の波高値への影響を調査した。XRPIX2b と同様に
波高値のジャンプが確認された。また、プロットから波高値のジャンプによるオフセットは 964.27 ± 4.55 mV であり、入射Ｘ線と波高値の関係の調査で得られたイベント駆動読み出しのオフセット 945.7 ± 0.2 ADU と近しい

58

第 6 章 まとめ値が得られた。よって、波高値のジャンプがトリガー信号の論理反転に起因した現象であることが分かった。

続いて、以下に XRPIX6D によるイベント駆動読み出しの調査のまとめを示す。

• 入射Ｘ線と波高値の関係– イベント駆動読み出しでのオフセット線源 241 Am を用いてフレーム読み出しとイベント駆動読み出しで入射Ｘ線と波高値の関係を調査したところ、フレーム読み出しで 93.57 ADU のオフセットが存在することがわかった。

• イベント駆動読み出し時のアナログ信号の観測
線源 109 Cd を用いて XRPIX2b でみられていた以下の 4 つの問題について調査を行った。

– 大きな立ち下がりパルス
XRPIX2b でみられた立ち下がりパルスはみられなかった。改善された理由はわかっていない。
– 信号レベルの変化
XRPIX2b でみられた信号レベルの変化はみられなかった。センサー構造を Single-SOI 構造から DoubleSOI 構造に変えたことでトリガー信号の論理反転によるアナログ信号への干渉が低減されたためだと考えられる。

– 長い論理反転時間
VCDS の値を 400mV に固定し、VTH の値を 420 mV から 600 mV に変えることで論理反転時間が ∼20 ns から ∼80 ns と長くなることがわかった。109 Cd の信号レベルは計算上約 200mV であるため、VTH =600mV のほうが信号レベルと VTH の差分が小さい。長い論理反転時間はコンパレータ回路の特性が現れているものであり、信号レベルと VTH の差分が小さいほど論理反転にかかる時間が長くなることが XRPIX2bの結果からわかっている。そのため、XRPIX2b でみられた長い論理反転時間が信号レベルと VTH の差分が小さいことに起因していることを確認した。

– アナログ信号の変化
XRPIX2b でみられたアナログ信号の変化はみられなかった。これは XRPIX6D でアナログとデジタルの電源ラインを分離したため、アナログ信号への影響が低減されたためだと考えられる。

• コンパレータ動作時の影響の調査
線源 241 Am を用いて ∆VTH を変化させながらフレーム読み出しでデータを取得した。得られた各輝線の中心波
高値を ∆VTH の値ごとにプロットしてコンパレータ動作時の波高値への影響を調査した。XRPIX2b でみられた波高値のジャンプはみられなかった。従って、XRPIX6D はトリガー信号の論理反転に影響を受けないことがわかった。
以上の結果から、先行研究で推測されたイベント駆動読み出しの原因が実際に回路レイアウトとセンサー構造にあることを確認し、回路レイアウトを変更し、Double-SOI 構造を導入した XRPIX6D でイベント駆動読み出しの問題が改善されていることを確認した。

59

参考文献
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1440-1444[2] 新井 康夫. 新技術説明会 2011 年 10 月 25
[3] 松村 英晃. 宇宙Ｘ線観測用 SOI ピクセル検出器における電荷収集効率の改善 2015, 修士論文
[4] A.Takeda et al. Development and Evaluation of an Event-Driven SOI Pixel Detector for X-ray Astronomy
2014,PoS (TIPP2014),138.
[5] Y.Lu et al. First results of a Double-SOI pixel chip for X-ray imaging 2016,NIM A,831,44[6] S.Ohmura et al. Reduction of cross-talks between circuit and sensor layer in the Kyoto’s X-ray astronomy
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[7] 林 秀輝. Ｘ線天文用 SOI ピクセル検出器の大面積化とイベント駆動読み出しの評価 2018, 修士論文.
[8] すすわたり著,「FPGA 入門 回路図と HDL によるディジタル回路設計」秀和システム株式会社.

[9] A.Takeda. Development of Advanced Pixel Detectors for X-ray Astronomy Technology 2014, 博士論文

61

付録 A

XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネ
ルギーとピークの波高値
ここでは 5.2.3 節の XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値を記載する。

図 A.2 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 400 mV
図 A.1 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 400 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.1 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 400 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.2 に、そのＸ線
スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.2 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.1 にまとめる。
表 A.1 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 400mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.25 ± 0.06

17.7

345.81 ± 0.11

20.8

405.26 ± 0.39

62

付録 A XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 A.4 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 300 mV
図 A.3 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 300 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.3 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 300 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.4 に、そのＸ線
スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.4 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.2 にまとめる。
表 A.2 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 300mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.26 ± 0.06

17.7

345.91 ± 0.11

20.8

405.32 ± 0.31

図 A.6 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 200 mV
図 A.5 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 200 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.5 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 200 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.6 に、そのＸ線
スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.6 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.3 にまとめる。
表 A.3 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 200mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.38 ± 0.06

17.7

346.05 ± 0.10

20.8

405.40 ± 0.34

63

図 A.8 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 150 mV
図 A.7 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 150 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.7 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 150 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.8 に、そのＸ線
スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.8 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.4 にまとめる。
表 A.4 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 150mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.50 ± 0.06

17.7

346.59 ± 0.09

20.8

406.94 ± 0.30

図 A.10 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 140 mV
図 A.9 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 140 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.9 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 140 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.10 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.10 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.5 にまとめる。
表 A.5 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 140mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.71 ± 0.06

17.7

346.70 ± 0.09

20.8

406.51 ± 0.35

64

付録 A XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 A.12 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 130 mV
図 A.11 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 130 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.11 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 130 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.12 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.12 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.6 にまとめる。
表 A.6 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 130mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.57 ± 0.07

17.7

347.08 ± 0.09

20.8

408.73 ± 0.40

図 A.14 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 120 mV
図 A.13 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 120 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.13 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 120 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.14 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.14 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.7 にまとめる。
表 A.7 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 120mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

271.66 ± 0.06

17.7

347.03 ± 0.09

20.8

408.73 ± 0.35

65

図 A.16 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 110 mV
図 A.15 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 110 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.15 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 110 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.16 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.16 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.8 にまとめる。
表 A.8 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 110mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

272.45 ± 0.06

17.7

349.79 ± 0.11

20.8

1378.88 ± 0.40

図 A.18 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 100 mV
図 A.17 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 100 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.17 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 100 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.18 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.18 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.9 にまとめる。
表 A.9 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 100mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

273.30 ± 0.07

17.7

353.05 ± 0.12

20.8

1370.59 ± 0.36

66

付録 A XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 A.20 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 90 mV
図 A.19 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 90 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.19 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 90 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.20 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.20 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.10 にまとめる。
表 A.10 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 90mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

274.98 ± 0.07

17.7

1312.10 ± 0.17

20.8

1369.61 ± 0.35

図 A.22 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 80 mV
図 A.21 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 80 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.21 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 80 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.22 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.22 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.11 にまとめる。
表 A.11 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 80mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

277.55 ± 0.07

17.7

1308.42 ± 0.27

20.8

1370.57 ± 0.31

67

図 A.24 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 70 mV
図 A.23 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 70 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.23 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 70 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.24 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.24 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.12 にまとめる。
表 A.12 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 70mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

1241.18 ± 0.20

17.7

1308.88 ± 0.24

20.8

1370.80 ± 0.36

図 A.26 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 60 mV
図 A.25 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 60 mV時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.25 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 60 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.26 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.26 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.13 にまとめる。
表 A.13 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 60mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1239.15 ± 0.1817.7

1308.90 ± 0.25

20.8

1370.24 ± 0.35

68

付録 A XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 A.28 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 50 mV
図 A.27 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 50 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.27 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 50 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.28 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.28 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.14 にまとめる。
表 A.14 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 50mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1237.96 ± 0.1217.7

1308.64 ± 0.25

20.8

1369.51 ± 0.44

図 A.30 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 40 mV
図 A.29 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 40 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.29 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 40 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.30 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.30 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.15 にまとめる。
表 A.15 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 40mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1237.37 ± 0.1217.7

1307.72 ± 0.31

20.8

1368.32 ± 0.44

69

図 A.32 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 30 mV
図 A.31 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 30 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.31 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 30 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.32 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.32 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.16 にまとめる。
表 A.16 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 30mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1235.42 ± 0.1717.7

1306.63 ± 0.30

20.8

1368.29 ± 0.40

図 A.34 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 20 mV
図 A.33 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 20 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.33 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 20 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.34 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.34 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.17 にまとめる。
表 A.17 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 20mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1234.26 ± 0.19

17.7

1305.81 ± 0.33

20.8

1366.37 ± 0.40

70

付録 A XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 A.36 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 10 mV
図 A.35 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 10 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.35 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 10 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.36 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.36 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.18 にまとめる。
表 A.18 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 10mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

1231.85 ± 0.24

17.7

1303.16 ± 0.35

20.8

1365.33 ± 0.45

図 A.38 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 0 mV 時
図 A.37 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 0 mV 時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクトルのフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクトル。

のフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.37 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = 0 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.38 に、そのＸ線
スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.38 のフィッティング結果から得られたピークの中心
波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.19 にまとめる。
表 A.19 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = 0mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

268.94 ± 0.10

17.7

341.80 ± 0.15

20.8

400.18 ± 0.42

71

図 A.40 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −10 mV

図 A.39 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −10 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.39 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −10 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.40 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.40 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.20 にまとめる。
表 A.20 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = −10mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

268.47 ± 0.07

17.7

341.92 ± 0.11

20.8

400.47 ± 0.24

図 A.42 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −20 mV

図 A.41 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −20 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.41 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −20 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.42 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.42 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.21 にまとめる。
表 A.21 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = −20mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

268.75 ± 0.07

17.7

341.94 ± 0.1220.8

400.58 ± 0.25

72

付録 A XRPIX3b-CSA の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 A.44 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −30 mV

図 A.43 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −30 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.43 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −30 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.44 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.44 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.22 にまとめる。
表 A.22 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = −30mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

268.77 ± 0.07

17.7

342.24 ± 0.1020.8

400.74 ± 0.35

図 A.46 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −40 mV

図 A.45 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −40 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.45 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −40 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.46 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.46 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.23 にまとめる。
表 A.23 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = −40mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

268.83 ± 0.07

17.7

342.32 ± 0.1020.8

400.88 ± 0.35

73

図 A.48 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −50 mV

図 A.47 XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −50 mV

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

時のフレーム読み出しで取得した 241 Am のＸ線スペクト

ルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

ル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 A.47 に XRPIX3b-CSA における、∆VTH = −50 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 A.48 に、そのＸ
線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 A.48 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 A.24 にまとめる。
表 A.24 XRPIX3b-CSA における ∆VTH = −50mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

268.99 ± 0.07

17.7

342.60 ± 0.10

20.8

401.53 ± 0.28

75

付録 B

XRPIX6D の各 ∆VTH の値での輝線のエネル
ギーとピークの波高値
ここでは 5.3.3 節の XRPIX6D の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値を記載する。

図 B.2 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.1 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 400 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフ∆VTH = 400mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸ィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤がカウント数、横軸が波高値を表す。

線がフィッティングした関数を表す。

図 B.21 に XRPIX6D における、∆VTH = 400 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.22 に、そのＸ線ス
ペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.22 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.11 にまとめる。
表 B.1

XRPIX6D における ∆VTH = 400 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

659.68 ± 0.79

17.7

827.82 ± 0.95

20.8

970.12 ± 2.14

76

付録 B XRPIX6D の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 B.4 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.3 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 350 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフ∆VTH = 350mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸ィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤がカウント数、横軸が波高値を表す。

線がフィッティングした関数を表す。

図 B.3 に XRPIX6D における、∆VTH = 350 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.4 に、そのＸ線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.4 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.2 にまとめる。
表 B.2

XRPIX6D における ∆VTH = 350 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

657.56 ± 0.65

17.7

828.38 ± 0.79

20.8

972.27 ± 1.98

77

図 B.6 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.5 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 300 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフ∆VTH = 300mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸ィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤がカウント数、横軸が波高値を表す。

線がフィッティングした関数を表す。

図 B.5 に XRPIX6D における、∆VTH = 300 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.6 に、そのＸ線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.6 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.3 にまとめる。
表 B.3

XRPIX6D における ∆VTH = 300 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

659.75 ± 0.84

17.7

827.23 ± 0.89

20.8

959.80 ± 1.44

図 B.8 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.7 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 250 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフ∆VTH = 250mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸ィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤がカウント数、横軸が波高値を表す。

線がフィッティングした関数を表す。

図 B.7 に XRPIX6D における、∆VTH = 250 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.8 に、そのＸ線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.8 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.4 にまとめる。
表 B.4

XRPIX6D における ∆VTH = 250 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

654.76 ± 0.78

17.7

827.23 ± 0.93

20.8

943.26 ± 1.66

78

付録 B XRPIX6D の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 B.10 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.9 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 200 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフ∆VTH = 200mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸ィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤がカウント数、横軸が波高値を表す。

線がフィッティングした関数を表す。

図 B.9 に XRPIX6D における、∆VTH = 200 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.10 に、そのＸ線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.10 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.5 にまとめる。
表 B.5

XRPIX6D における ∆VTH = 200 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

639.56 ± 0.66

17.7

793.53 ± 0.56

20.8

929.72 ± 3.34

図 B.12 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.11 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 150 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフ∆VTH = 150mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸ィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤がカウント数、横軸が波高値を表す。

線がフィッティングした関数を表す。

図 B.11 に XRPIX6D における、∆VTH = 150 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.12 に、そのＸ線ス
ペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.12 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.6 にまとめる。
表 B.6

XRPIX6D における ∆VTH = 150 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

619.98 ± 0.68

17.7

793.53 ± 0.99

20.8

925.28 ± 2.25

79

図 B.14 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.13 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 100 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフ∆VTH = 100mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸ィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤がカウント数、横軸が波高値を表す。

線がフィッティングした関数を表す。

図 B.13 に XRPIX6D における、∆VTH = 100 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.14 に、そのＸ線ス
ペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.14 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.7 にまとめる。
表 B.7

XRPIX6D における ∆VTH = 100 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

615.95 ± 0.81

17.7

788.24 ± 0.82

20.8

927.52 ± 4.85

図 B.16 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.15 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 50 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフィッ∆VTH = 50mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸

ティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤線ががカウント数、横軸が波高値を表す。

フィッティングした関数を表す。

図 B.15 に XRPIX6D における、∆VTH = 50 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.16 に、そのＸ線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.16 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.8 にまとめる。
表 B.8

XRPIX6D における ∆VTH = 50 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

619.14 ± 0.45

17.7

789.73 ± 0.85

20.8

931.92 ± 1.24

80

付録 B XRPIX6D の各 ∆VTH の値での輝線のエネルギーとピークの波高値

図 B.18 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.17 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = 0 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフィッ∆VTH = 0mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸がティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤線がカウント数、横軸が波高値を表す。

フィッティングした関数を表す。

図 B.17 に XRPIX6D における、∆VTH = 0 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.18 に、そのＸ線スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.18 のフィッティング結果から得られたピークの中心波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.9 にまとめる。
表 B.9 XRPIX6D における ∆VTH = 0 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]

13.9

633.70 ± 0.96

17.7

807.99 ± 0.70

20.8

952.98 ± 1.68

図 B.20 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.19 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = −50mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

∆VTH = −50 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルのフィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 B.19 に XRPIX6D における、∆VTH = −50 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.20 に、そのＸ線ス
ペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.20 のフィッティング結果から得られたピークの中心波
高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.10 にまとめる。
表 B.10 XRPIX6D における ∆VTH = −50 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

653.86 ± 0.69

17.7

831.50 ± 0.81

20.8

969.31 ± 1.96

81

図 B.22 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た
図 B.21 XRPIX6D の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た∆VTH = −100 mV 時 の 241 Am の Ｘ 線 ス ペ ク ト ル の∆VTH = −100mV 時の 241 Am のＸ線スペクトル。縦フィッティング結果。縦軸がカウント数、横軸が波高

軸がカウント数、横軸が波高値を表す。

値、赤線がフィッティングした関数を表す。

図 B.21 に XRPIX6D における、∆VTH = −100 mV 時の 241 Am のＸ線スペクトルを示し、図 B.22 に、そのＸ線
スペクトルをガウシアンでフィッティングした結果を示す。図 B.22 のフィッティング結果から得られたピークの中心
波高値と各ピークに対応する輝線のエネルギーの関係を以下の表 B.11 にまとめる。
表 B.11 XRPIX6D における ∆VTH = −100 mV 時の輝線のエネルギーとピークの波高値

輝線のエネルギー [keV]

ピークの波高値 [ADU]13.9

659.26 ± 0.64

17.7

829.38 ± 1.11

20.8

977.54 ± 2.42

83

謝辞
本論文を作成するにあたり、ご指導を頂いた修士論文指導教員の森浩二准教授に心より感謝いたします。また、日ごろの議論を通じて支えてくださった研究室の皆様に深く感謝いたします。
森准教授には、本論文に関連する様々な知識や示唆を頂いたばかりでなく、日ごろの研究態度や生活態度といった、社会人として習得すべきスキル等について丁寧かつ熱心なご指導を賜りました。おかげさまで研究配属前と比べると、社会人として少しは成長できたと感じています。武田彩希助教からは、XRPIX に関する様々な知識を教えて頂きました。
また、同じカメラ好きとして、趣味の部分でもその奥深さや楽しさを教えて頂きました。西岡祐介さんには、研究や実験にかかわらず、様々な相談事に乗って頂きました。西岡さんの柔らかな物腰のおかげで気兼ねなく相談することができました。同期の本田大吾君と別府達彦君とは研究での悩みを吐露しあったり、くだらない議論で盛り上がったりと、精神面で支えてもらいました。本田君、卒業後もくだらない議論の続きでもしましょう。別府君、同じ福岡で釣り場を開拓しましょう。M1 の皆さんには頼りない先輩だったと思います。逆にいろいろサポートしてもらった面が多く、助かりました。特に、実験班の行元雅貴君と日田貴煕君には実験の補助や研究面の議論等で支えてもらいました。行元君、機会があれば別府と釣りに行きましょう。日田君、君がおいしいと感嘆をもらすようなお店を見つけておくので一緒に食べに行きましょう。就活頑張ってください。解析班の佐藤仁君、金丸善朗君とは研究で直接関わることはありません
でしたが、他愛のない話などにつきあっていただきありがとうございました。佐藤君、夜遅くまで勉強している姿が印象的でした。体に無理のないように頑張ってください。金丸君、夜遅くまで研究している姿が印象的でした。体に無理があるようなのでなるべく帰るようにしましょう。B4 の皆さんとは多く関われなかったことが少し悔やまれます。実験班の阿萬星哉君、團野明日馨君、谷口健太郎君、解析班の高木駿亨君、本吉智哉君 5 人とも個性的でこの 1 年間楽しく過ごすことができました。阿萬君、あまり良い先輩ではなかったかもしれませんがよくついてきてくれました。今後も頑張ってください。團野君、機会があればまたカラオケに行きましょう。谷口君、来年からは團野君がいないので朝は注意してください。高木君、来年は忙しい 1 年になると思いますが、後輩の指導頑張ってください。本吉君、分野は違
えど、この 1 年の研究生活で得たことを活かして頑張ってください。
他にも感謝すべき方々ばかりですが、ここに書ききれないため、私を支えていただいたすべての皆様に感謝を述べ、この修士論文を締めたいと思います。ありがとうございました。