Development of novel X-ray detector to understand cosmic reionization by surveying distant AGNs

日独の共同研究により、将来の大有効面積X線望遠鏡の焦点面検出器として、高速低雑音X線撮像分光検出器を開発することが本研究の最終目的である。そのために、独マックスプランク地球外物理学研究所(MPE)の研究者が中心となりアクティブピクセルセンサDepFETあるいは高速低雑音デバイスPNCCDを開発し、並行して我々が左記センサに対応した電源回路および駆動・読み出し回路を開発する。2022年度は、PNCCDを含むX線イメージャの信号処理を行うことが出来るバックエンド回路ロジックを開発した。1024(1k)あるいは2048(2k)ピクセル四方のイメージセンサを最大50fps(frame per second)の頻度で撮像し、各画像中に含まれる信号電荷を検出し、その信号の座標情報、検出した時刻情報、さらに信号電荷量に比例した信号波高値を記録する。これらの機能を、FPGAとCPUが一体となったSoC (System on chip)に実装した。SoCを実装したバックエンド回路基板と、X線イメージャの例としてCMOSセンサを用いたフロントエンド基板を接続し、X線イメージングカメラを製作した。機能性能を確認するため、単色のX線を照射して撮像分高性能を確認した。結果として、6keVのX線に対するエネルギー分解能が室温のCMOSで250eV(FWHM)という結果を得た。センサを冷却していないために暗電流が高く、そのため既存のX線天文衛星よりもエネルギー分解能は高いが、50fpsという、既存の衛星搭載CCDカメラに対しておよそ200倍の速度で撮像を実現した。

日独の共同研究により、将来の大有効面積X線望遠鏡の焦点面検出器として、高速低雑音X線撮像分光検出器を開発することが本研究の最終目的である。そのために、独マックスプランク地球外物理学研究所(MPE)の研究者が中心となりアクティブピクセルセンサDepFETあるいは高速低雑音デバイスPNCCDを開発し、並行して我々が左記センサに対応した電源回路および駆動・読み出し回路を開発する。2022年度は、PNCCDを含むX線イメージャの信号処理を行うことが出来るバックエンド回路ロジックを開発した。1024(1k)あるいは2048(2k)ピクセル四方のイメージセンサを最大50fps(frame per second)の頻度で撮像し、各画像中に含まれる信号電荷を検出し、その信号の座標情報、検出した時刻情報、さらに信号電荷量に比例した信号波高値を記録する。これらの機能を、FPGAとCPUが一体となったSoC (System on chip)に実装した。SoCを実装したバックエンド回路基板と、X線イメージャの例としてCMOSセンサを用いたフロントエンド基板を接続し、X線イメージングカメラを製作した。機能性能を確認するため、単色のX線を照射して撮像分高性能を確認した。結果として、6keVのX線に対するエネルギー分解能が室温のCMOSで250eV(FWHM)という結果を得た。センサを冷却していないために暗電流が高く、そのため既存のX線天文衛星よりもエネルギー分解能は高いが、50fpsという、既存の衛星搭載CCDカメラに対しておよそ200倍の速度で撮像を実現した。