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ASTRO-‐H衛星搭載 硬X線軟ガンマ線検出器における BGOアクティブシールドの開発状況
大野雅功 （広島大理), 徳田伸矢,中村竜,高橋弘充,深沢泰司 (広大理),
村上浩章, 小林翔悟, 櫻井壮希, 笹野理, 鳥井俊輔, 中澤和洋,
牧島一夫 (東大理), 山岡和貴, 田島宏康(名大STE研),
内山秀樹(静岡大) ,佐藤理江, 萩野浩一, 湯浅孝行,
佐藤悟朗, 渡辺伸, 国分紀秀, 高橋忠幸, 森國城
(ISAS/JAXA), 谷津陽一 (東工大), 片岡淳,
齋藤龍彦, 吉野将生 (早稲田理工), 中森健之(山形大),
他HXI/SGDチーム
2014/03/29 12014年 物理学会春季年次大会
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The ASTRO-‐H Mission
2014/03/29 22014年 物理学会春季年次大会
Astro-H 衛星(2015年打ち上げ予定)
1. 硬X線望遠鏡による初めての撮像分光観測 2. はじめてのマイクロカロリメータによる 超高分解能分光観測 3.
0.3キロ電子ボルトから600キロ電子ボルトと ３桁以上にもおよぶ、過去最高の高感度広帯域観測
軟ガンマ線検出器 (Soft Gamma-ray Detector : SGD)
硬X線撮像検出器 (Hard X-ray Imager : HXI)
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Hard X-‐ray Imager (HXI)
Double Side Si Strip (4 層, E< 25 keV)
CdTe Double Side Strip (1 層)
Hard X-ray telescope
12 m の焦点距離で硬X線撮像 高い位置分解能 (250 um) 80 keVにまで及ぶ検出感度の保持 BGO
アクティブシールドによる バックグラウンド除去
Hard X-ray Imager (HXI
5 ‒ 80 keV のエネルギー領域での高感度観測. (すざく HXD の２桁高い感度)
Camera part
2014/03/29 32014年 物理学会春季年次大会
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Soft Gamma-ray Detector (SGD)
cosθ = 1+ mec2
E1 + E2−mec
2
E2
~10 cm!
~12 cm!
Si/CdTe 多層半導体 コンプトンカメラ ピクセルシリコン検出器: 0.6 mmt 32層 ピクセルCdTe検出器:
0.75mmt 8層(+2層) コンプトン運動学により 光子の到来方向を制限
BGO シールド検出器 - 宇宙線に対するパッシブシールド - 視野外からのガンマ線・放射化による
内在バックグラウンドを反同時計数により除去
2014/03/29 42014年 物理学会春季年次大会
狭視野型コンプトンカメラ: 60 ‒ 600 keV までの 広帯域高感度ガンマ線観測を狙う全く新しいコンセプトの検出器
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Performance of HXI/SGD
2014/03/29 52014年 物理学会春季年次大会
感度良い
Takahashi+ 12 SPIE
HXI/SGD 高感度観測の鍵 低バックグラウンドの実現 BGO アクティブシールドが極めて重要な役割を持つ
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BGOシールドシステム
BGO APD
9BGOs+11APDs for HXI 25BGOs+25APDs for SGD
CSA (max 7ch)
HV-APD
300-400 V Analog +ADC
FPGA SMIO
Data/ CMD
BGO信号処理回路部 (APMU) max 13ch
2014/03/29 62014年 物理学会春季年次大会
MDE
SpW
to S/C
CSA+HV Box
BGOシールドは、 HXI/SGD で共通のシステムで開発
SMIO (Camera)
Trigger signals
SCamera VETO
APD-BGO ユニット
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APD-BGO ユニットの開発
2014/03/29 72014年 物理学会春季年次大会
BaSO4 塗料
カプトンテープで固定
ゴアテックス
ESR
BGO固定用 機構部材 (CFRP or CFGFRP)
電磁アルミシールド +支持機構
光学接着剤
弾性接着剤
同軸ケーブル
BGO結晶 HPK製 1 cm2 APD (Saito+13, NIMPA)
HXI HB BGO ユニット
反射材 ~13 cm
HXI/SGD で計68個 (3 types + 6types) の開発 試作品に基づくAPD/BGO単体基礎評価は完了
現在、APD-BGOアセンブリのフライト品を製造中 39/68 (~60%) の製造、評価が完了
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FM BGOユニット受け入れ試験
2014/03/29 82014年 物理学会春季年次大会
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
0 1000 2000 3000 4000
Cou
nts
/ Cha
nnel
Channel
10-1
100
101
102
103
0 100 200 300 400 500
Cur
rent
(nA)
Voltage (V)
2014-0122-1335-IDD1-105-FM95-Tp25-Ch1-IVMeasurementV
-30℃ 経験前 -30℃ 経験後
SGD D1-105
+25℃ I-V測定結果 +25℃ 光量測定結果スペクトル
HXI HB-204
-30℃経験後
-30℃経験前
• BGO光量の確認 : 較正ガンマ線源を使い、光量を測定 • -30℃経験前後での光量の比較 •
光量の製造ばらつきの確認 • 観測時温度 (-20℃) での光量 (=検出しきい値) の確認
• APDの正常動作 : 暗電流-電圧 (I-V) 関係を測定 • APD単体試験時との特性の比較 •
-30℃経験前後での特性の比較
APD動作、BGO光量特性はいずれも良好 5月中に全てのユニット完成予定
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APD-CSA+HV Box の開発
2014/03/29 92014年 物理学会春季年次大会
CSA : 低雑音、低消費電力かつ、宇宙用途に適した回路構成 - Feイオン相当の超大信号へのCSAの耐性:
CSA帰還容量の検討 - 陽子相当の大信号に対して早い回路応答: 後段回路の時定数検討 HV:
SITAEL社製高圧出力モジュールを搭載
APD-CSA+HV Box としてアセンブリ 試作品による単体評価を完了 EM CSA+HV Box
アセンブリの性能評価、 環境試験で問題ないことを確認 (2013/12) 現在、フライト品の製造が進められている ( HXI :
2/4, SGD: 2/8 が完成)
CSA HV
黒: -20℃, 常圧 (137Cs) 赤: -20℃, 真空 (137Cs+22Na)
22Na 551 keV 22Na
1274 keV
137Cs 662 keV
ADC channel
真空槽に設置
真空、低温状況下で BGO信号を読み出し
CSA性能をできるだけ 損なわないように
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BGO 読み出し回路の開発
2014/03/29 102014年 物理学会春季年次大会
APDで読み出したアナログ信号を処理し、カメラ部への反同時計数信号を生成 極めて限られたリソース
(電力、実装面積、FPGA容量など) で実現する
アナログ処理は最小限 (増幅バッファ+1段積分回路+BLR) 0.937 Msps で
AD変換したアナログ波形を取り込み FPGA 内でデジタルフィルターにより、波形整形し、各種トリガー信号出力処理
~230
~160
試作基板でデジタルフィルターの性能を実証 (Ohno, goto, saito+13 NIMA)
preFM基板を開発、実際の基板実装面積で 試作基板と同等の性能を確認
~140mA で最大13ch のアナログ信号処理 A4サイズ以下の基板実装面積で実現
現在、フライト品の製造を進めている
-20℃ HXI Btm EM結晶のスペクトル 黒 : 試作基板(BBM) 赤 : preFM 基板
137Cs 662 keV
40Ka 1.46 MeV
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信号処理ファームウェアの開発
2014/03/29 112014年 物理学会春季年次大会
非常に限られた FPGA リソース (RT AX2000S 2,000,000 ゲート, ) 13ch
分のデジタルフィルター、トリガー信号生成など、処理は多岐にわたる
トリガー信号タイミングがノイズ・波高値の違いで揺らがないような工夫も必要
FPGA ロジックの開発、デバッグは完了、現在フライト品の製造を行っている
入力電荷 6fC 10fC 20fC 40fC 80fC 125fC
例) ピーク検出回路の導入 (Tokuda 13 修士論文)
X[n-1] >= X[n-2] && X[n] < X[n-1] でピーク判定
最低限のロジックでピーク検出回路を導入 波高値の違いにかかわらず、安定した トリガー出力タイミングを達成
〜20us
~1us
反同時計数信号の出力タイミング分布
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End-to-End 試験による検証
2014/03/29 122014年 物理学会春季年次大会
これまでコンポーネントレベルで開発したBGOシールドシステムを全系通して動作検証
HXI full EM 試験 (2013/10~2014/02) - FMと同等デザインBGOの複数読みだしによる性能検証 -
FPGA ロジックの機能検証、初めての反同時計数による バックグラウンド除去機能検証 詳細は次の村上講演
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End-to-End 試験による検証
2014/03/29 132014年 物理学会春季年次大会
HXI1-S, SGD1-S が FM 品として完成。全系を通した動作検証 HXI1-S
については、低温環境下での動作試験も実施。大きな問題は見つかっていない
今後, 衛星との噛み合わせ試験が進められる
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_00hist_sum_4096_00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_01hist_sum_4096_01
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-510
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_02hist_sum_4096_02
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_03hist_sum_4096_03
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_06hist_sum_4096_06
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_07hist_sum_4096_07
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_08hist_sum_4096_08
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_09hist_sum_4096_09
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-510
-410
-310
-210
-110
1
10
hist_sum_4096_10hist_sum_4096_10
HXI1-S FM (2014/02/17 完成)
SGD1-S FM (2014/03/19 完成)
HXI1-S FM 低温動作試験でのBGOバックグラウンドスペクトル40K 1.4MeV HB1 HB2 HB3
HB4 HA HD1
HD2 HD3 HD4
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まとめ
2014/03/29 142014年 物理学会春季年次大会
ASTRO-H HXI/SGD による高感度観測には、BGOアクティブシールドによる バックグラウンド低減が重要な鍵。
BGOシールドシステムの各コンポーネントは、EM相当の検証が完了し、 フライト品の製造を完了、製造中。
APD+BGOユニット HXI/SGD１台分は完成。受け入れ試験でも問題は起こらず。 残りは5月ごろ完成予定
APD-CSA+HV Box EMでの検証を完了。FMを製作。4台のFM品が完成。HXI/SGD-S に搭載
残りも順次製作
BGO信号処理回路(APMU) 試作品で検証した設計が、preFM基板で問題ないことを確認。FM製作中
HXI/SGD の FM 一号機がそれぞれ完成。サブシステムレベルで
BGOシールドの動作確認を進めており、今後、衛星との噛み合わせ試験に進む。
