[論文レビュー] Large Focal Plane Arrays for Future Missions

Paul A. Scowen, Shouleh Nikzad+11 more|ArXiv.org|Apr 13, 2009

Spacecraft Design and Technology被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、将来の宇宙および地上望遠鏡ミッションのための大規模で高性能なフォーカルプレーンアレイを開発するための技術的課題とその解決策を概説している。モジュラーで四辺接続可能なCCDおよびCMOSイメージャアーキテクチャ、スケーラブルなテストフレームワーク、地上試験施設、およびバルーンベースの検証を提案することで、追加的投資を最小限に抑えつつ、飛行運用に適した低コストで高信頼性の大口径検出器を実現する。

ABSTRACT

We outline the challenges associated with the development and construction of large focal plane arrays for use both on the ground and in space. Using lessons learned from existing JPL-led and ASU/JPL partnership efforts to develop technology for, and design such arrays and imagers for large focal planes, we enumerate here the remaining problems that need to be solved to make such a venture viable. Technologies we consider vital for further development include: (1) architectures, processes, circuits, and readout solutions for production and integration of four-side buttable, low-cost, high-fidelity, high-performance, and high-reliability CCD and CMOS imagers; (2) modular, four-side buttable packaging of CCD/CMOS imagers; (3) techniques and hardware to test and characterize the large number of chips required to produce the hundreds of flight-grade detectors needed for large focal-plane missions being conceived at this time; (4) ground based testbed needs, such as a large format camera mounted on a ground-based telescope, to field test the detectors and the focal plane technology solutions; and (5) validation of critical sub-components of the design on a balloon mission to ensure their flight-readiness. This paper outlines the steps required to provide a mature solution to the astronomical community with a minimal investment, building on years of planning and investments already completed at JPL.

研究の動機と目的

• 次世代の天文学的調査を可能にするために、大口径で高忠実度のフォーカルプレーンアレイの必要性に対応する。
• 大規模フォーカルプレーンに向けた数百台の飛行用検出器の製造、統合、試験における技術的障壁を克服する。
• CCDおよびCMOSイメージャのスケーラブルな読み出しアーキテクチャと、モジュラーで四辺接続可能なパッケージングを開発し、スケーラビリティと信頼性を向上させる。
• 地上試験施設とバルーンミッションを整備し、宇宙への打ち上げ前に検出器の性能と飛行運用適合性を検証する。
• 既存のJPLおよびASU/JPLの技術投資を活用し、新たな開発コストを最小限に抑え、導入スケジュールを加速する。

提案手法

• 大規模でモジュラーに統合可能な、四辺接続可能なCCDおよびCMOSイメージャアーキテクチャの設計とプロトタイピング。
• 大口径アレイに適した低コストで高忠実度の読み出し電子回路の実装。高ダイナミックレンジと低ノイズを実現。
• 複数の検出器チップを大口径フォーカルプレーンにシームレスにタイル化できる、標準化されたモジュラーパッケージングソリューションの開発。
• 数百台の個別飛行用検出器の試験と特性評価プロトコルの策定。
• 地上望遠鏡に大口径カメラを設置し、フォーカルプレーンシステム全体の検証を試験施設で実施。
• 高高度バルーンミッションを実施し、読み出し電子回路や冷却システムなどの重要なサブコンポonentsが宇宙に近い環境下で正常に動作するかを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模で四辺接続可能なフォーカルプレーンにスケーラブルに統合するためのCCDおよびCMOSイメージャに必要なアーキテクチャ的および統合的解決策は何か？
• RQ2 数百台の飛行用検出器の試験と特性評価をどのように効率的かつスケーラブルに実施できるか？
• RQ3 宇宙飛行前に大規模フォーカルプレーンシステムを検証するための地上試験施設インfraはどのようなものが必要か？
• RQ4 バルーンミッションが、主要な検出器コンポonentsの飛行適合性を検証する上で果たす役割は何か？
• RQ5 既存のJPLおよびASU/JPL技術開発投資をどのように活用すれば、大規模フォーカルプレーンアレイの新規開発コストを最小限に抑えられるか？

主な発見

• 四辺接続可能なCCDおよびCMOSイメージャアーキテクチャは、スケーラブルでモジュラーかつ高性能な大規模フォーカルプレーンシステムに不可欠である。
• モジュラーなパッケージングと標準化されたインターフェースにより、複数の検出器チップを信頼性高く大口径アレイにタイル化できる。
• 望遠鏡に大口径カメラを搭載した地上試験施設は、フォーカルプレーン技術のシステムレベル検証に不可欠である。
• バルーンミッションは、宇宙軌道への打ち上げ前に、宇宙に近い環境下で重要なサブコンポonentsを検証するコスト効率の高い手段を提供する。
• 既存のJPLおよびASU/JPL技術開発投資を活用することで、将来の大規模フォーカルプレーンアレイミッションのリスクとコストを低減できる。
• 本論文は、過去の投資を基盤として構築することで、天文コミュニティが大規模フォーカルプレーン技術を成熟させる明確で低投資の道筋を特定している。