[论文解读] 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 4

一句话总结

本文介绍了欧空局爱神星X射线天文台的广角成像仪（WFI）仪器，该仪器采用130×130 µm像素的DEPFET有源像素传感器，实现40×40弧分的视场和7 keV能量下低于170 eV的能量分辨率。通过使用VERITAS-2和Switcher-A ASIC芯片的快速读出系统，该仪器能够实现高Throughput、低堆积效应的明亮源观测（最高达1 Crab），并借助分级-Z屏蔽结构抑制背景荧光线。

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]

研究动机与目标

• 为Athena天文台设计一款具有高灵敏度和宽光谱覆盖范围的广角X射线成像仪。
• 实现对明亮X射线源的高时间分辨率观测，同时最大限度减少堆积效应。
• 利用先进的DEPFET传感器技术，在0.2–15 keV波段实现低于170 eV的能量分辨率。
• 通过分级-Z屏蔽系统减少仪器背景，有效抑制荧光线。
• 开发基于VERITAS-2和Switcher-A ASIC芯片的可扩展、高Throughput读出系统，用于DEPFET像素阵列。

提出的方法

• WFI采用两种基于DEPFET的探测器：一种为大面积传感器（1024×1024像素），另一种为针对高计数率优化的快速读出探测器。
• 每个DEPFET像素均集成在450 µm厚、完全耗尽的硅基底上，实现高空间分辨率和高能量分辨率。
• VERITAS-2 ASIC支持以滚动快门模式对DEPFET阵列进行高速、低噪声读出，实现高帧频。
• Switcher-A ASIC在滚动快门模式下控制DEPFET运行，最大限度减少读出死区时间，实现高Throughput。
• 分级-Z屏蔽结构环绕探测器，吸收X射线，降低荧光引起的背景线。
• 该仪器设计与Athena的5弧秒HEW镜面系统匹配，保持其轴上角分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在0.2–15 keV波段内，使广角X射线成像仪同时实现高角分辨率和宽视场？
• RQ2 何种探测器与读出架构可在保持高Throughput的同时实现低于170 eV的能量分辨率？
• RQ3 在1 Crab通量等高计数率环境下，如何最小化堆积效应？
• RQ4 何种屏蔽策略能有效抑制探测器材料引起的荧光背景？
• RQ5 如何将DEPFET传感器扩展并集成到适用于Athena任务的飞行级焦面仪器中？

主要发现

• WFI在7 keV能量下实现了全宽半高（FWHM）能量分辨率优于170 eV，满足任务的光谱性能要求。
• 该仪器支持40×40弧分的视场，为X射线天体物理学提供了前所未有的巡天能力。
• 对于通量最高达1 Crab的源，WFI的Throughput超过80%，且堆积率低于1%，确保了高保真度的数据采集。
• VERITAS-2 ASIC支持对DEPFET阵列的高速读出，实现高帧频，对明亮源观测至关重要。
• 分级-Z屏蔽结构有效抑制荧光线，显著降低仪器背景贡献。
• 双探测器设计（包括大面积探测器和高时间分辨率探测器）在多种观测场景下均实现了性能优化。