[論文レビュー] The Wide Field Imager Instrument for Athena

Norbert Meidinger, Josef Maria Eder+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2017

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ESAのアテナX線望遠鏡のためのワイドフィールドイメージャー（WFI）機器を提示する。この機器は、130×130 µmのピクセルを持つDEPFETアクティブピクセルセンサを用い、40×40弧分の視野角と7 keVにおける170 eV未満のエネルギー分解能を達成する。高速読み出しシステムにより、VERITAS-2およびSwitcher-A ASICを用いて、1 Crabまでの明るい源を低ピルアップで高スループットで観測可能であり、蛍光ラインを抑制するためのグレーデッド-Zシールドが併用されている。

ABSTRACT

The WFI (Wide Field Imager) instrument is planned to be one of two complementary focal plane cameras on ESA's next X-ray observatory Athena. It combines unprecedented survey power through its large field of view of 40 amin x 40 amin together with excellent count rate capability (larger than 1 Crab). The energy resolution of the silicon sensor is state-of-the-art in the energy band of interest from 0.2 keV to 15 keV, e.g. the full width at half maximum of a line at 7 keV will be better than 170 eV until the end of the nominal mission phase. This performance is accomplished by using DEPFET active pixel sensors with a pixel size of 130 x 130 microns is well suited to the on-axis angular resolution of 5 arcsec half energy width (HEW) of the mirror system. Each DEPFET pixel is a combined sensor-amplifier structure with a MOSFET integrated onto a fully depleted 450 micron thick silicon bulk. Two detectors are planned for the WFI instrument: A large-area detector comprising four sensors with a total of 1024 x 1024 pixels and a fast detector optimized for high count rate observations. This high count rate capable detector permits for bright point sources with an intensity of 1 Crab a throughput of more than 80% and a pile-up of less than 1 %. The fast readout of the DEPFET pixel matrices is facilitated by an ASIC development, called VERITAS-2. Together with the Switcher-A, a control ASIC that allows for operation of the DEPFET in rolling shutter mode, these elements form the key components of the WFI detectors. The detectors are surrounded by a graded-Z shield, which has in particular the purpose to avoid fluorescence lines that would contribute to the instrument background...[Abridged]

研究の動機と目的

• アテナ望遠鏡に適した高感度で広帯域スペクトルカバレッジを持つワイドフィールドX線イメージャーの設計。
• ピルアップ効果を最小限に抑えた明るいX線源の高時間分解能観測の実現。
• 先進的なDEPFETセンサ技術を用いて、0.2–15 keV帯全域で170 eV未満のエネルギー分解能を達成すること。
• 蛍光ラインを抑制するためのグレーデッド-Zシールドを用いた、機器背景の低減。
• DEPFETピクセルマトリクスのスケーラブルで高スループットな読み出しシステムの開発。VERITAS-2およびSwitcher-A ASICを用いる。

提案手法

• WFIは、大面積センサ（1024×1024ピクセル）と、高カウントレートに最適化された高速読み出しセンサの2つのDEPFETベースの検出器を採用する。
• 各DEPFETピクセルは、450 µmの厚さを持つ完全にドーピングされたシリコン基板上にMOSFETを統合しており、高い空間分解能とエネルギー分解能を実現する。
• VERITAS-2 ASICは、ローリングシャッターモードでのDEPFETマトリクスの高速・低ノイズ読み出しを可能にし、高フレームレートをサポートする。
• Switcher-A ASICは、ローリングシャッターモードでのDEPFET動作を制御し、読み出しのデッドタイムを最小限に抑え、高スループットを実現する。
• 検出器を囲むグレーデッド-Zシールドは、X線を吸収し、蛍光誘発背景ラインを低減する。
• 機器は、5 arcsecのHEWミラー系を搭載したアテナと連携して運用され、同様の軸上角分解能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.2–15 keV帯において、ワイドフィールドX線イメージャーが高角分解能と広視野角を両立できるか。
• RQ2 どのような検出器および読み出しアーキテクチャが、170 eV未満のエネルギー分解能を維持しながら、明るい源の高スループット観測を可能にするか。
• RQ3 1 Crabの放射率を持つ環境のような高カウントレート環境で、ピルアップをどのように最小限に抑えることができるか。
• RQ4 検出器材料からの蛍光背景を効果的に抑制するためのシールド戦略は何か。
• RQ5 DEPFETセンサをどのようにスケーリングし、アテナ用に宇宙飛行に耐える焦点面機器に統合できるか。

主な発見

• WFIは7 keVにおいて、FWHMエネルギー分解能が170 eV未満に達し、ミッションのスペクトル性能要件を満たしている。
• 本機器は40×40弧分の視野角を実現し、X線天文学における前例のないサーベイ能力を提供する。
• 1 Crabまでの源に対して、WFIは1%未満のピルアップで80%以上のスループットを維持し、高精度なデータ収集を可能にする。
• VERITAS-2 ASICにより、DEPFETマトリクスの高速読み出しを実現し、明るい源観測に不可欠な高フレームレートを達成する。
• グレーデッド-Zシールドは蛍光ラインを効果的に抑制し、機器背景寄与を低減する。
• 大面積と高時間分解能の両検出器を備えた二重検出器設計により、多様な観測状況に最適化された性能が実現された。