[논문 리뷰] The Wide Field Imager Instrument for Athena

Norbert Meidinger, Josef Maria Eder외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 03.

CCD and CMOS Imaging Sensors인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유럽우주국(ESA)의 아테나 X선 천체망원경를 위한 넓은 시야 이미저(Wide Field Imager, WFI) 기구를 제시한다. 이 기구는 130×130 µm 픽셀을 가진 DEPFET 활성 픽셀 센서를 사용하여 40×40 분각의 시야를 확보하고, 7 keV에서 170 eV 이내의 에너지 해상도를 달성한다. 빠른 읽기 시스템을 통해 VERITAS-2 및 Switcher-A ASIC를 활용하여 밝은 천체(최대 1 Crab)에서 고통과 저배율 관측이 가능하며, 배경 플라즈마 선을 억제하기 위해 계단형-Z 차폐판이 제공된다.

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]

연구 동기 및 목표

• 아테나 천체망원경를 위한 고감도 및 넓은 스펙트럼 커버리지가 가능한 넓은 시야 X선 이미저를 설계하기 위해.
• 피루업 영향을 최소화하면서 밝은 X선 천체의 고시간 해상도 관측을 가능하게 하기 위해.
• 고급 DEPFET 센서 기술을 사용하여 0.2–15 keV 대역에서 170 eV 이내의 에너지 해상도를 달성하기 위해.
• 플라즈마 선을 억제하는 계단형-Z 차폐 시스템을 통해 기구 배경을 감소시키기 위해.
• DEPFET 픽셀 매트릭스를 위한 확장 가능한 고통과 읽기 시스템을 개발하기 위해, VERITAS-2 및 Switcher-A ASIC를 활용하여.

제안 방법

• WFI는 두 가지 DEPFET 기반 검출기를 사용한다: 대형 면적 센서(1024×1024 픽셀)와 고카운트 레이트에 최적화된 빠른 읽기 검출기.
• 각 DEPFET 픽셀은 450 µm 두께의 완전 탈전된 실리콘 기판 위에 MOSFET를 통합하여 고공간 및 고에너지 해상도를 가능하게 한다.
• VERITAS-2 ASIC는 롤링 셔터 모드에서 DEPFET 매트릭스를 고속·저노이즈로 읽기 가능하게 하여 고프레임 레이트를 지원한다.
• Switcher-A ASIC는 롤링 셔터 모드에서 DEPFET 작동을 제어하여 읽기 사각지대를 최소화하고 고통과를 가능하게 한다.
• 검출기를 둘러싸는 계단형-Z 차폐판은 X선을 흡수하고 플라즈마 선 유발 배경선을 감소시킨다.
• 기구는 아테나의 5 초초 HEW 미러 시스템과 함께 작동하도록 설계되어, 축상 해상도를 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.2–15 keV 대역에서 넓은 시야와 고각 해상도를 동시에 확보할 수 있는 넓은 시야 X선 이미저는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 어떤 검출기 및 읽기 아키텍처가 고통과를 유지하면서도 170 eV 이내의 에너지 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 1 Crab 흐름과 같은 고카운트 레이트 환경에서 피루업은 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 어떤 차폐 전략이 검출기 재료에서 유발되는 플라즈마 배경선을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ5 DEPFET 센서는 어떻게 확장하고 아테나를 위한 우주용 초점 평면 기구에 통합할 수 있는가?

주요 결과

• WFI는 7 keV에서 반폭반폭(FWHM) 에너지 해상도가 170 eV 이내로 유지되어 미션의 스펙트럼 성능 요구사항을 충족한다.
• 기구는 40×40 분각의 시야를 지원하여 X선 천체물리학 분야에서 사상 초월한 탐사 능력을 제공한다.
• 1 Crab 이하의 흐름을 가진 천체에 대해 WFI는 1% 미만의 피루업으로 80% 이상의 통과율을 유지하여 고정밀 데이터 수집을 보장한다.
• VERITAS-2 ASIC는 DEPFET 매트릭스의 고속 읽기를 가능하게 하여 밝은 천체 관측에 필수적인 고프레임 레이트를 지원한다.
• 계단형-Z 차폐판은 플라즈마 선을 효과적으로 억제하여 기구 배경 기여도를 감소시킨다.
• 대형 면적 및 고시간 해상도 검출기를 포함한 이중 검출기 설계는 다양한 관측 시나리오에서 최적의 성능을 달성한다.