単一チップ上に集積化されたX線エネルギー検出センサー -放射光計測から分析・検査まで性能向上に貢献-

2026-03-16 理化学研究所,,高輝度光科学研究センター,株式会社ディーアンドエス,株式会社エイアールテック,株式会社MIST

理化学研究所などの共同研究グループは、シリコン・ドリフト検出器(SDD)と電荷増幅アンプを単一チップ上に集積する世界初の技術を開発し、30素子を搭載したX線エネルギー検出センサー「mxdCMOS」を実現した。SOIセンサー技術を応用することで高密度配置を可能にし、多素子SDDとして世界最高となる計数率77Mphotons/s/cm²を達成。高強度放射光環境でも高精度な測定が可能となり、SPring-8での元素マッピングや化学状態解析の高精細化・高速化が期待される。既存システム比で約50倍の計数率向上が見込まれ、元素マッピング時間を6時間から約7分へ短縮可能とされる。半導体や電池製造工程の検査装置など産業分野への応用も期待される。

単一チップ上に集積化されたX線エネルギー検出センサー -放射光計測から分析・検査まで性能向上に貢献-
高密度モノリシックX線エネルギー検出センサー「mxdCMOS」

<関連情報>

モノリシック多素子シリコンドリフト検出器の開発 Development of Monolithic Multi-Element Silicon Drift Detectors

Togo Kudo; Ikuo Kurachi; Takafumi Ohmoto; Toshifumi Imamura; Tomoaki Maeda; Toshiaki Tosue;…
IEEE Transactions on Nuclear Science  Published:24 February 2026
DOI:https://doi.org/10.1109/TNS.2026.3667475

Abstract

In this study, a monolithic multi-element silicon drift detector (mxdCMOS) was developed utilizing the Silicon-on-Insulator (SOI) technology, specifically designed for high count-rate measurement in synchrotron radiation X-ray spectroscopy. The fabricated chip, measuring 12.4 mm × 18.5 mm, integrates 30 Silicon Drift Detector (SDD) elements, each with an area of 1.8 mm × 1.8 mm. This study successfully demonstrated that each element operates at a count rate exceeding 1 Mcps, achieving a linear response up to 30 Mcps and a saturation throughput of 75 Mcps per chip. This performance surpasses the limits of conventional single-element SDDs, which typically saturate at the 1 Mcps level, and represents one of the highest rates among existing multi-element systems. By employing digital signal processing with a short peaking time of 130 ns, an energy resolution of 170 eV (Full Width at Half Maximum at 5.9 keV) was achieved. This unprecedented count-rate capability offers significant advantages for applications requiring high-throughput, such as fluorescence-yield Quick X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) and high-speed elemental mapping using high-brilliance synchrotron X-ray beams. The monolithic integration of the detector array and readout electronics resolves conventional issues related to external amplifier connections, such as noise and wiring capacitance.

0403電子応用
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