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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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。