[論文レビュー] Astro2020 Activity, Project of State of the Profession Consideration (APC) White Paper: All-Sky Near Infrared Space Astrometry. State of the Profession Considerations: Development of Scanning NIR Detectors for Astronomy

D. Hobbs, Christopher Leitz+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、銀河の光を遮蔽するための近赤外線（NIR）帯域で動作する、将来的な全天宇宙測地学ミッションのための走査型近赤外線検出器の開発を提案している。星間減光を克服するため、ガイヤーに類似したミッションだが、NIR帯で動作する。4つの技術—ハイブリッドHgCdTe/Si TDI、HgCdTeのアバランチフォトダイオード、ゲルマニウム検出器、マイクロ波駆動誘導性インダクタンス検出器（MKIDs）—を評価し、MKIDsは高い時間分解能、内在的なマルチプレクシング、連続的なTDIに類似した動作の適合性により特に有望であることが判明した。ただし、ギガピクセル級のアレイへのスケーリングと宇宙飛行適合性の確立は、依然として主な課題である。

ABSTRACT

Gaia is a revolutionary space mission developed by ESA and is delivering 5 parameter astrometry, photometry and radial velocities over the whole sky with astrometric accuracies down to a few tens of micro-arcseconds. A weakness of Gaia is that it only operates at optical wavelengths. However, much of the Galactic centre and the spiral arm regions, important for certain studies, are obscured by interstellar extinction and this makes it difficult for Gaia to deeply probe. This problem can be overcome by switching to the Near Infra-Red (NIR) but this is not possible with silicon CCDs. Additionally, to scan the entire sky and make global absolute parallax measurements the spacecraft must have a constant rotation and this requires the detectors operate in Time Delayed Integration (TDI) mode or similar.

研究の動機と目的

• 星間ダストに遮蔽されるため、光学のみの観測に限られるガイヤーの限界を克服し、星間ダストを透過する全天近赤外線（NIR）測地学を実現すること。
• 既存のNIR検出器に欠けている時間遅延統合（TDI）機能を克服し、効率的で連続的な天の川スキャンを実現すること。
• TDI動作が可能な大規模フォーマット、低ノイズ、宇宙飛行適合性を備えたNIR検出器の技術的妥当性を特定・評価すること。
• 将来的なNIR宇宙測地学ミッションを支援する技術ロードマップを提供すること。
• 宇宙用途に向けた検出器技術の成熟を促進するため、資金と開発の連携の必要性を強調すること。

提案手法

• 近赤外線光子がHgCdTe層で吸収され、電荷がSi CCDに転送されてTDI動作が行われる、ハイブリッドHgCdTe/Si TDI検出器を評価する。
• TDIに類似した信号処理を備えたHgCdTeアバランチフォトダイオード（APD）を評価し、100 K以上の温度下でのスケーラビリティと暗電流制御を重点的に検討する。
• Siの既存のプロセス技術を活用できる低バンドギャップの代替材料としてのゲルマニウム（Ge）検出器を調査するが、ノイズとフォーマット最適化の必要性がある。
• 光子エネルギーと到着時刻を約2 µsの時間分解能で検出するマイクロ波駆動誘導性インダクタンス検出器（MKIDs）を分析する。MKIDsは内在的なマルチプレクシングと連続的読み出しを備えている。
• MKIDsを1 K未満の冷却器（例：MSSLの100 mKシステム）と、室温のHEMT増幅器を組み合わせ、低ノイズ読み出しを実現する。
• 宇宙飛行に適した冷却チェーン（例：冷却器対液体ヘリウム）と、電力・質量制約の面で、システムレベルのトレードオフを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙環境に類似した温度と条件下で、ハイブリッドTDI検出器においてHgCdTe近赤外吸収層とSi CCD間での効率的な電荷転送が可能かどうか。
• RQ2 HgCdTe APDが100 K以上の温度で、大規模フォーマットアレイ（例：1Mピクセル）にスケーリング可能であり、暗電流を低く抑えつつTDIに類似した信号処理が可能かどうか。
• RQ3 ゲルマニウムベースの検出器が、宇宙用の全天NIR測地学に必要な低ノイズ性能と大規模フォーマットを達成できるかどうか。
• RQ4 MKIDsがギガピクセルフォーマットにスケーリング可能であり、宇宙用に連続的な1 K未満冷却システムと統合され、宇宙用TDI動作が可能かどうか。
• RQ5 将来的な全天NIR測地学ミッションを実現するにあたり、各検出器技術における主な技術的ギャップと開発ニーズは何か。

主な発見

• MKIDsは、約2 µsの時間分解能と内在的なマルチプレクシングを備えた連続的・中断のない読み出しにより、TDIに類似した動作において顕著な利点を示している。これにより、高精度な画像再構成が可能である。
• MSSLの100 mK冷却器は、40万ピクセルのMKIDアレイに対して連続的な100 mK冷却を実証しており、宇宙飛行適合の冷却基準として実現可能である。
• MKIDsには内在的な読み出しノイズがなく、ノイズの下限はHEMT増幅器と室温のADCに依存する。このため、低ノイズ光子カウントに極めて適している。
• ハイブリッドHgCdTe/Si TDI検出器は、宇宙環境下での電荷転送効率や材料間の熱的適合性に未知の要因が残っており、未だ実証されていない。
• HgCdTe APDとGe検出器は有望であるが、宇宙測地学に適したフォーマットサイズ、ノイズ性能、スケーラビリティを達成するには、顕著な開発作業が必要である。
• MKIDsを宇宙用途のギガピクセルアレイにスケーリングすることは依然として大きな課題であり、プロセス技術、読み出し回路、熱管理技術の進歩が不可欠である。