全天X線監視装置用
X線CCDカメラの開発
冨田洋、松岡 勝、上野 史郎、片山 晴善 、川崎一義(JAXA)、常深 博、宮田 恵美、上村正樹 (大阪大)
MAXIのホームページ: http://www-maxi.tksc.jaxa.jp/
E-mail: [email protected]
全天X線監視装置(通称MAXI)は国際宇宙ステーションに搭載するX線オールスカイモニターでX線天体を史上最高の感度で監視する。比例計数管とCCDを用いた2種類のカメラがあり、本ポスター
ではCCDカメラ(通称Solid-state Slit camera = SSC)について紹介する。SSCは Suzaku/XISから NeXT/SXIへの重要なステップでもあり、それらと比較しながらカメラの紹介を行う。
SSCとは
SSCの構成
MAXI/SSCは大阪大学、JAXA(つくば)で開発を進めるX線CCDカメラで0.5-10keVをカバーする。
X線望遠鏡はなく、スリット、コリメータとCCDの位置検出能力を用いてX線到来方向を決定する(下
図)。各X線photonについての角度分解能は 1度程度である。GSCでは見えない2keV以下をカ
バーすると同時に高いエネルギー分解能でスペクトル情報も豊富になる。またMAXIはCCDで行う
初の全天サーベイミッションで大きく広がったプラズマのスペクトル診断も行える。
SSCのX線到来方向決定の原理
SSCはMAXIに固定されMAXIは宇宙ステーション
の軌道に合わせて自転する。SSCは円弧状の視
野をもちMAXIの自転に伴い視野が全天を掃く。
視野の長さは90°のため極方向は自転ではカ
バーできないが(all-sky monitorとしては欠点)、軌
道軸( =自転軸)のプリセッションにより全天がカ
バーされる(全天サーベイとしては問題ない)。
地
上
コマンド
DP
テレメ
トリ
デジタル
CCD画像・
HK
アナログ
SSCE
CCD出力信号
・HK
SSCU
SSCU
X線
プリアンプ、
マルチプレクサ
CCDs
SSCの構成要素を上に示す。SSCU(SSC-Unit)はCCDを16個とプリアンプ等の回路を含む2つ
のカメラである。SSCE(SSC-Electronics)はSSCUへのCCD駆動信号を出すと同時にSSCUから
のCCD信号をデジタル化する。DP(Data Processor)はCCD画像からX線イベントを取り出しテレ
メトリデータの編集を行うと同時に地上からのコマンドを選別しSSCEへのコマンドも出す。XISの
DE機能をSSCではDPが担当し、AE/TCEの機能をSSCEが担当する。SSCE、SSCUの製作は
(株)明星電気が、DPはNTSpace(株)が行う。上図で冷却系は省略している。
アナログ回路系
CCD
Suzaku/XISからMAXI/SSCへの最大の発展のひとつはカメラの心臓部であるCCD(及びその周
辺アナログ回路)を国内で開発したことである。これはNeXT/SXIへの重要なステップである。CCD
大阪大学、浜松ホトニクスらが10年近く開発を続けてきた素子を用い、すでにHayabusaでその成
果は実証されている。以下の表に3カメラの特徴を示す。SSCは素子単体では読み出しノイズ
3electron、エネルギー分解能135eVを達成している。近年浜松ホトニクス社のCCDでエネルギー
分解能は140eVを切る例が多いがこれはMAXIの開発が大きく寄与している。
Suzaku/XIS
MAXI/SSC
NeXT/XIS(Goal案)
CCD数
4 (1x4)
32(16x2)
2(1x2)
ピクセルサイズ(μm)
24x24
24x24
24x24
ピクセル数
1024x1024
1024x1024
2048x2048
空乏層厚(μm)
70
70
200
読み出し口/CCD
4
1
8
メーカー
MITリンカーンラボ 浜松ホトニクス
浜松ホトニクス
背面/表面照射
1つだけ背面照射
表面照射
背面照射
ペルチェ内蔵
N型ウェハ
コメント
コマンド
ドライブ信号・
ペルチェ電流
各カメラのCCDの比較。ピクセル数は撮像領域のみ。
MAXI用CCD
スリット・コリメータ/カメラボディ / ハウジング
スリットとコリメータはカメラ内部に納められコンパクトな形となっている。コリメータは2.3mm間隔
で並んだ厚さ 0.1mmの燐青銅でできており、軟X線反射防止のため燐青銅表面はケミカルエッチ
ング処理され、さらに可視光反射防止のため黒クロムメッキが施されている。スリットはタングステ
ン(幅2.7mm)である。
CCDは可視光に感度をもつがCCD表面に蒸着したアルミで遮光するためoptical blocking filter
はなく、カメラに機械的な駆動部分はない。そのためカメラの構造がXISに比べ非常に簡単化され
ている。CCDの進展がこれを可能にしておりSSCで成し遂げた重要なポイントである。
Slats of collimator
(phosphorus bronze)
MAXIの回路部(SSC-Electronics : SSCE) には、電源部、DPとのIF部分、ペルチェ制御、駆動・
読み出し部の4つに分かれる。駆動・読み出し部は2カメラで独立している。各カメラでは16個の
CCDを同時でなく順番に読み出し、1つのCCDを読み出している間が他のCCDの露出時間にな
る。駆動はマルチプレクサで切り替える。駆動電圧は全CCDで共通である(但し電荷注入はCCD
毎に可変)。読み出しは積分方式を採用しており(XISと同じ)、駆動速度は125kHz (8usec/pixel)
である。積分回路の性能とデジタル処理速度が駆動速度を制限している。CCD駆動は標準で
binningを行う。XISでいうところのtiming modeである。binning=0は診断モードでのみ利用される。
SSCEの駆動・読み出し部(左)とSSCUのプリアンプ部(ともにEM)
MAXIの開発で最後まで問題が多かったものの一つがこの回路系である。今後の参考のため、
以下に例を挙げる。NeXT/SXIとは構成が違うが今後の参考として頂きたい。
 駆動パワー (電流)がたりない SSCはひとつの回路系で16CCDを駆動する。少ない個数で性
能が出ていてもCCDを増やすと性能が出ず問題になった。とくに注意すべきなのはたて転送ク
ロックである。
 CCDの個性が強い 各CCDの最適駆動電圧が異なり、出力信号のゼロレベルも大きく異なる。
そのため各CCDの最高性能が出せなかったり、ダイナミックレンジに制限が出たりした。
 温度依存性がある マルチプレクサのON抵抗などに温度依存性があり、ゲインに温度依存性
が出てしまう。試験が行いにくく回路ごとの個性もあり、EMだけで安心するは禁物である。
 CCDとりつけでトラブル カメラにCCDをとりつける際、CCDが故障する例が多い。詳細な原
因は不明だが、半田付けなどは要注意である。
 ノイズ CCDに限らない一般論。グランドのとり方は注意(これも一般論だが)。
 リセット信号 この信号波形は大きく速度も速い。AD変換用の積分時間を十分長く取るには重
要となる。SXI用では改良を施したようであるが、十分して頂きたい。
デジタル処理系
Tungsten slit
カメラボディ内部(左)とカメラから外したスリット・コリメータシステム(右:CCD側から見た図)
冷却、熱設計
CCDの冷却にはペルチェ素子を使用する。素子からの熱はカメラボディを通じてパッシブラジエ
ター +ヒートパイプで宇宙に逃がす。Suzaku/XISからの進展はCCDへの熱流入を徹底的に小さ
くしたことにある。CCD素子はペルチェ素子自身のみで機械的に支えられ、CCD表面はアルミ蒸
着、裏面は金蒸着で輻射による熱流入を防ぐ。強度と簡素化のためペルチェは一段で、CCDメー
カー(浜松ホトニクス)で準備された。ペルチェ素子の機械的強度はH2A(HTV)にも対応し、
Hayabusa(M5)での実績もある。但しカメラ取り付けの際のネジトルク、熱サイクルには要注意で
ある(SXIでの注意点その1)。ペルチェ素子は 電気的にはDC/DCの変換効率のため8個が直列
に並んでおり、一つが故障すると他の7個が使えなくなるデメリットがある(SXIでの注意点その2)。
ペルチェの制御は電流一定、CCD温度をアクティブに一定の2モードを既に確立している。
CCD (及びカメラ全体)からラジエターへの熱の輸送はLoop Heat Pipeで行う。 MAXIはポイン
ティング衛星でないためラジエターは常に深宇宙をみているわけでなく、軌道にあわせて常に温度
が変化する。そのためCCDカメラ温度もダイナミックに変動するが、 LHPではそれでも正常に動作
することが解析的に示されている。
CCDの動作温度が XISとSSCで大きく違うがこれは使用するウェハの違いに起因する。SSCで
はEpiを使用しているためダークカレントが圧倒的に小さい。これに加え暗電流低減モードもサ
ポートし、これにより動作温度を10℃程度稼ぐことができている。
SSCでは露光中はCCDの駆動を行わないので読み出しに必要な電流をOFFすることも可能で
ある。SSCではそのような設計を行ったが、電流安定に時間がかかり読み出しに影響することから
常に電流を流すことにした。これによる熱流入はふえたものの、CCD温度への影響は小さいこと
が実測で示されている。CCD内蔵温度計は測定時のみONである。
Suzaku/XIS
MAXI/SSC
NeXT/XIS
CCD温度(目標)
-90℃
-60℃
-85℃
カメラ温度
-40
-20
-40
ペルチェ段数
3
1
2
熱流入(mW/CCD)
250
22
177
TEC電力(W/CCD)
4.0
1.0
7.0
SSCのデジタル信号処理はDP(Data Processor)で行う。SSCではコマンドのデコード、CCD画
像からX線イベントの検出、テレメトリの編集等が主な仕事である。SSC動作のモードとしては通常
観測(normal mode)に加えて、darkinit,darkframe,frameの各モードをサポートしている。これらは
XISを参考にしたものである。通常観測(normal mode)はXISでいうtiming modeで観測するので
grade=0-3を判定する。テレメトリ編集はgraded modeとPHA mode(grade判定せず5ピクセルの
PHを出す)をサポートする。ダークレベルは全ピクセル分記憶し随時アップデートする。
DPはSSC専用でなくシステムやGSCの処理も行う。 DPはDSPでなくCPUを用いており、DP全
体で4枚のCPUボードがVME上に構築されている。そのうち2枚がCCDのイベント処理に用いら
れ、それぞれがSSCの各カメラ用に働く。片方のCPUボードが故障した場合は残ったCPUで両カ
メラの処理を行う。但し処理能力が落ちるためCCDの駆動速度を1/2にする。イベント処理プログ
ラムはC言語で記述されている。各CPUボードでは 8MBのメモリを使用できる。
SSCの性能
SSCの性能(SSC素子と冷却)を以下に示す。EMの結果であるがどちらも要求を上回っている。
この結果を元にFM(カメラ(SSCU)はスペアを入れて3台、SSCEは1台)を製作中で、スペアカメ
ラは完成し、SSCEのEMを使いてEMカメラと同じ性能を確認した。CCDは各カメラで共通の駆動
条件になっているため各CCDの最大の能力を発揮できているわけではないことに注意してほしい。
左:EMカメラに各種特性X線を当てた場合のスペクトル5.9keVで150eV(FWHM)の分解能と読み出しノイズで 5
eletronが得られている。右:ペルチェ素子の冷却性能。横軸はペルチェ電流、縦軸はCCD温度。カメラ(hot)側を
-20℃にした場合。一段ペルチェであるが温度差40Kが得られている。
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発表ポスター (power point file)