修士論文

ASTRO-H 衛星搭載軟 X 線分光装置 SXS
デジタル波形処理部の性能実証
埼玉大学大学院 理工学研究科 博士前期課程
物理機能系専攻 物理学コース
田代寺田研究室山口直

平成 26 年 2 月 5 日

概要2015 年に打ち上げ予定の X 線天文衛星 ASTRO-H には、X 線マイクロカロリメータ Soft X-ray
Spectrometer (SXS) が搭載される。SXS は 36 pixel で構成される受光素子をもち、50 mK の極低温で動作させることによって、0.3–12 keV のエネルギー範囲で 7 eV (FWHM) 以下のエネル
ギー分解能を実現する。これによって、超新星残骸や銀河団などの様々な天体からの X 線放射を、従来を数十倍上回る精度で分光でき、数百 km/s の精度でプラズマの視線方向速度の測定を可能にする。SXS のセンサー部で検出された信号波形は、アナログ波形処理装置 X-ray Box (XBox)
でアナログ/デジタル変換されたのち、デジタル波形処理装置 Pulse Shape Processor (PSP) へと送られる。PSP は FPGA ボードと CPU ボードから成り、FPGA ボードで XBox から入力された波形データからの光子イベントを抽出し、続く CPU ボードで光子イベントの品位に応じた弁別やエネルギーの高精度測定を行う。

PSP はこれまでに、性能実証モデルを用いたすべての試験を完了し、衛星搭載モデル (FM) の製作、およびその単体での性能検証試験を行ってきた。本論文では、SXS の波形処理系全体の性能評価試験として、FM を用いて今回初めて実施された、XBox との接続試験とセンサーデータ処理試験の結果について報告する。最初におこなった接続試験では、XBox から入力される波形信号と機能維持のための各種情報を、PSP の FPGA ボードで正常に受信できているかを検証する。本試験で、PSP と XBox の間を流れるすべての信号について測定をおこない、電圧レベルや信号特性が規定値を満たすことを確認した。一方、センサーデータ処理試験では、PSP によるデジタル波形処理性能の評価のため、2013 年 8 月に NASA/GSFC によるセンサーと XBox を用いた接続試験で取得された波形データを PSP に入力し処理させた。PSP の機能・性能を検証する
ため、まず、光子イベントの弁別処理の結果を、NASA/GSFC による実験系での解析結果と比較し、弁別処理が正常になされていることを確認した。次いで光子エネルギーの測定結果を評価するため、本試験用に新たに開発した解析ソフトウェアを用いて、Mn-Kα 線のスペクトルに対するエネルギー分解能を求めた。その結果、SXS に要求されたエネルギー分解能＜ 7 eV を十分に満たす 4.41 ± 0.08 eV (FWHM) という値を得た。これは同じデータを NASA/GSFC の実験室系で評価したエネルギー分解能 4.46 ± 0.01 と誤差の範囲で一致す結果であり、これにより、PSP の搭
載ソフトウェアによるエネルギー測定が要求通りの性能を持っていることを立証できた。

1

目次

概要

1

第 1 章 X 線天文学と ASTRO-H 衛星

91.1

X 線天文学の歴史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91.2

次期 X 線天文衛星 ASTRO-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.2.1

概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.2.2

搭載機器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

第 2 章 軟 X 線分光器 SXS

2.1

15

X 線カロリメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1

構造と動作原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1.2

エネルギー分解能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.3

最適フィルタを用いた信号処理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2性能要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3

システム構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.1

フィルターホイール部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.2

検出器部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3.3

冷却系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.4

信号処理系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

第 3 章 デジタル波形処理機器 PSP

25

3.1

性能要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2

ハードウェア . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2.1

MIO ボード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2.2

SpaceCard ボード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2.3

PSU ボード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3

通信インターフェイス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4

信号線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5

3.4.1

PSP-A/B–XBox-A/B 間の信号線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4.2

MIO-A–MIO-B 間の信号線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

デジタル波形処理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2

3.5.1

データ受信とエラーチェック . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.5.2

イベントの検出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.5.3

グレード付け . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.5.4

波高値解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

第 4 章 FM-PSP–FM-XBox 接続試験

47

4.1

目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2

試験機材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3

4.4

4.5

4.2.1

PSP-A/B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2.2

XBox-A/B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2.3

SMU sim light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2.4

SpW-GbE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2.5

GSTOS 用 PC

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

搬入後動作試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3.1

セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3.2

結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

PSP-A/B–XBox-A/B 間の信号試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4.1

セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.4.2

結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

MIO-A–MIO-B 間の信号試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

第 5 章 FM センサーデータを用いた性能評価試験

70

5.1

目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.2

セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.3

デジタル波形処理性能の評価試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.3.1

グレード付けの評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.3.2

loResPH スペクトル解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.3.3

PHA スペクトル解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.3.4

リニアリティー補正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.3.5

エネルギー分解能の計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

第 6 章 まとめ86

付 録 A 各 pixel ごとの FM センサーデータ処理データに対する解析結果

87

謝辞

97

3

表目次

2.1

SXS-XCS の性能要求。PSP Description Document[12] から引用した。 . . . . . . 21

3.1

SXS-PSP の性能要求。PSP Description Document[12] から転載。 . . . . . . . . . 26

3.2

SXS サブシステムレベルでの要求 (SSR-XX) と、コンポーネントレベルでの要求(CR-PXX) のまとめ。X 印が CR が SSR と対応する場所を表す。 . . . . . . . . . 27

3.3SpaceCard のメモリー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4

各ボードの電流値の上限値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5

XBox-A と PSP(MIO-A) 間を流れる LVDS 信号の特性と機能 . . . . . . . . . . . . 34

3.6

PSP-A(MIO-A) と PSP-B(MIO-B) 間を流れる LVDS 信号の特性と機能 . . . . . . 35

3.7

derivShift と derivHalfLen の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.8

テンプレート長さのサンプル数。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1

電圧測定の結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.2

PSP–XBox 間信号試験の要求値の表。V low (V) と V high (V) はそれぞれ電圧の最大値と最小値を表す。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.3

TLM CLK と BASE CLK の電圧レベルと周波数の測定結果 . . . . . . . . . . . . 58

4.4

BASE CLK に対する TLM CLK の遅延時間の測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.5

SMP CLK と SCI ENA の電圧レベルと周波数の測定結果 . . . . . . . . . . . . . . 61

4.6

SMP CLK に対する SCI ENA の遅延時間の測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.7

SCI DAT の電圧レベルと周波数の測定結果

4.8

CMD ENA, CMD DAT, HK ENA, HK DAT の電圧レベルと周波数の測定結果 . 66

4.9

CMD ENA に対する HK ENA の遅延時間の測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . 67

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.10 PSP-A–PSP-B 間の BASE CLK 信号の遅延時間に対する合否判定表 . . . . . . . . 68
4.11 BASE CLK (MASTER) に対する BASE CLK (SLAVE) の遅延時間の測定結果

. 68

5.1

PSP の構造とバージョン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2

特性 X 線とエネルギー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4

図目次

1.1

電磁波の波長ごとの地表到達度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2

ASTRO-H 衛星の各検出器における、エネルギーと有効面積の関係

1.3

SXI の検出器部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4

HXI の検出部。水色は BGO 結晶、紫色は Si 半導撮像体素子、緑色は CdTe 半導. . . . . . . . 11

体撮像素子を表す。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5

SGD の検出部。水色は BGO 結晶、赤色は Si 検出器、紫色は CdTe 検出器を表す。 14

1.6

ASTRO-H 衛星の搭載検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1

X 線マイクロカロリメータの基本構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2

X 線マイクロカロリメータの温度応答 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3

pixe ごとの平均波形、ノイズスペクトル、最適フィルタテンプレート . . . . . . . 19

2.4

SXS システム構成。藤本先生の日本物理学会 2013 年春季年会発表資料 [14] より転載。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5

XCS の性能実証モデルの外観図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.6

anti-co 検出器の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.7

SXS の冷凍機デザインと熱的構造。藤本先生の 2010 年 SPIE での発表資料 [15] より転載。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1

PSP の構成とネットワーク図。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2

MIO ボードのブロックダイアグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3SpaceCard ボードのブロックダイアグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4

PSU ボードのブロックダイアグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5

MIO ボードと XBox 間、および MIO ボード間の LVDS 信号。PSP Description
Document[13] から引用。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.6

XBox から受け取る 1 sample 分のサイエンスデータの bit stream。PSP Description
Document[12] から転載。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.7

データの分解とエラーチェック手順のフローチャート図。PSP Description Document[12]から転載。

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.8

重畳イベントにおける、ファーストパルスとセカンドパルスの模式図 . . . . . . . 39

3.9

微分計算における、サンプル番号 i と derivHalfLen の関係図 . . . . . . . . . . . 40

3.10 pixel トリガーにおけるパラメータを表した図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5

3.11 セカンドパルス検出におけるパラメータを表した図 . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.12 グレード付けの定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.13 カウントレートとグレード付けの関係図。12.5 kHz でテンプレート長さが Shortの時のプロットを表す。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.1

PSP-A の外観 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2

PSP-A の構造と、FPGA およびアプリケーションバージョン . . . . . . . . . . . . 47

4.3

PSP-B の外観 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4

PSP-B の構造と、FPGA およびアプリケーションバージョン . . . . . . . . . . . . 48

4.5

FM-XBox の外観。端子の配置と対応は、左列の上から、PSP-A との接続（本試験ではオープン）、XBox-A の pixel[0]-[8]（本試験ではショート）、XBox-A の pixel[9]-[17]（本試験ではショート）、XBox-A の電源、XBox-A/B 共通の GND、PSP-Bとの接続（本試験ではオープン）、XBox-B の pixel[0]-[8]（本試験ではショート）、

XBox-B の pixel[9]-[17]（本試験ではショート） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.6

XDS-DIO の外観。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.7

SMU sim light の外観。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.8

SpW-GbE の外観。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.9

搬入後動作試験の様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.10 搬入後動作試験のネットワーク系統図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.11 搬入後動作試験の GND 系統図. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.12 PSP-XBox 接続試験のネットワーク系統図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.13 PSP-XBox 接続試験試験の GND 系統図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.14 PSP–XBox 間の BASE CLK と TLM CLK の測定結果。黄＆緑：BASE CLK、青＆赤：TLM CLK、ピンク：BASE CLK の差分を表す。オシロスコープの縦軸は500 mV/1 目盛り、横軸は 50 ns/1 目盛りに設定している。 . . . . . . . . . . . . . 57
4.15 PSP–XBox 間の SMP CLK と SCI ENA の測定結果。黄＆緑：SMP CLK、青＆赤：SCI ENA、ピンク：SMP CLK の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500 mV/1
目盛り、横軸は左下が 5 µs/1 目盛り、それ以外は 20 µs/1 目盛りに設定している。 60

4.16 PSP–XBox 間の SCI DAT の測定結果。黄＆緑：TLM CLK、青＆赤：SCI DAT、
ピンク：SCI DAT の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は左上が 200 ns/1 目盛り、それ以外は 50 ns/1 目盛りに設定している。 . . . . . 62

4.17 PSP–XBox 間の CMD ENA の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄
＆緑：BASE CLK、青＆赤：CMD ENA、ピンク：CMD ENA の差分を表す。オ
シロスコープの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は左が 100 ns/1 目盛り、それ以外
は 50 ns/1 目盛りに設定している。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6

4.18 PSP–XBox 間の CMD DAT の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄
＆緑：BASE CLK、青＆赤：CMD DAT、ピンク：CMD DAT の差分を表す。オ
シロスコープの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は 50 ns/1 目盛りに設定している。

65

4.19 PSP–XBox 間の HK ENA の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：HK ENA、ピンク：HK ENA の差分を表す。オシロスコー
プの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は左が 100 ns/1 目盛りで、右が 50 ns/1 目盛りに設定している。

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.20 PSP–XBox 間の HK DAT の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：HK DAT、ピンク：HK DAT の差分を表す。オシロスコー
プの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は左が 100 ns/1 目盛りで、右が 50 ns/1 目盛りに設定している。

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.21 PSP–XBox 間の HK DAT の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：HK DAT、ピンク：HK DAT の差分を表す。オシロスコー
プの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は左が 20 ms/1 目盛りで、右が 10 ms/1 目盛りに設定している。

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.22 MIO-A/B 間の BASE CLK 信号の画像。左が A 系を MASTE としたときで、右が B 系を MASTER としたときの測定結果。黄＆緑：BASE CLK (MASTER)、青＆赤：BASE CLK (SLAVE)、ピンク：BASE CLK (SLAVE) の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は 50 ns/1 目盛りに設定している。 . 69

5.1

FM センサーデータを用いた性能評価試験における波形データの流れ . . . . . . . 71

5.2

XDSv2 の外観 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3

各グレードのイベント数の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.4

各 pixel ごとのグレード分岐比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.5

pixel 12 の全トリガーイベントにおける loResPH ヒストグラム。 . . . . . . . . . . 75

5.6

loResPH をエネルギーに変換して得られた Mn-Kα 線のエネルギースペクトルと、
ガウシアンフィット結果。左が pixel 12 で、右が全 pixel でのヒストグラム。 . . . 76

5.7

Mn-Kα 線の Hp イベントでの PHA ヒストグラム。エネルギーが低い方のピーク
が Kα2 線で、エネルギーが高い方が Kα1 線を表している。 . . . . . . . . . . . . 77

5.8

フィッティングによって求められた、pixel 12 の Hp イベントでのリニアリティー
補正関数。

5.9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

リニアリティー補正におけるフィッティングパラメータ a,b の比較。 . . . . . . . . 79

5.10 pixel ごとの、Hp イベントにおける Mn-Kα のエネルギーヒストグラム。 . . . . . 80
5.11 全 18 pixel での、Hp イベントにおける Mn-Kα のエネルギーヒストグラム。 . . . 81
5.12 ベースラインイベントのヒストグラム。赤線は全 pixel でのベースラインヒストグ
ラム、黒線はガウス関数でのフィッティング結果である。 . . . . . . . . . . . . . . 82

7

5.13 Mn-Kα 線（右）と Mn-Kβ 線（左）のフォークト関数によるフィッティング結果。
赤線がエネルギースペクトルのヒストグラム、青線がローレンツ関数、黒線が自然幅を持つローレンツ関数をガウス関数でコンボリュートしてフィットした結果である。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.14 NASA/GSFC による、FM センサーデータを用いた実験室系試験での Mn-Kα 線の解析結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

A.1 全トリガーイベントにおける loResPH ヒストグラム。（上）左から pixel 00, pixel
01, pixel 02、（真ん中）左から pixel 03, pixel 04, pixel 05、（下）左から pixel 06,
pixel 07, pixel 08。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
A.2 全トリガーイベントにおける loResPH ヒストグラム。（上）左から pixel 09, pixel
10, pixel 11、（真ん中）左から pixel 13, pixel 14, pixel 15、（下）左から pixel 16,
pixel 17。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A.3 loResPH をエネルギーに変換して得られた Mn-K α 線のエネルギースペクトルと、ガウシ アンフィット結果。
（上）左から pixel 00, pixel 01, pixel 02、（真ん中）
左から pixel 03, pixel 04, pixel 05、（下）左から pixel 06, pixel 07, pixel 08。 . . . 89

A.4 loResPH をエネルギーに変換して得られた Mn-K α 線のエネルギースペクトルと、ガウシ アンフィット結果。
（上）左から pixel 09, pixel 10, pixel 11、（真ん中）
左から pixel 13, pixel 14, pixel 15、（下）左から pixel 16, pixel 17。 . . . . . . . . 90

A.5 Mn-K α 線の Hp イベントでの PHA ヒストグラム。（上）左から pixel 00, pixel
01, pixel 02、（真ん中）左から pixel 03, pixel 04, pixel 05、（下）左から pixel 06,
pixel 07, pixel 08。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.6 Mn-K α 線の Hp イベントでの PHA ヒストグラム。（上）左から pixel 09, pixel
10, pixel 11、（真ん中）左から pixel 13, pixel 14, pixel 15、（下）左から pixel 16,
pixel 17。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A.7 フィッティングによって求められた、リニアリティー補正関数。（上）左から pixel
00, pixel 01, pixel 02、（真ん中）左から pixel 03, pixel 04, pixel 05、（下）左から
pixel 06, pixel 07, pixel 08。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
A.8 フィッティングによって求められた、リニアリティー補正関数。（上）左から pixel
09, pixel 10, pixel 11、（真ん中）左から pixel 13, pixel 14, pixel 15、（下）左から
pixel 16, pixel 17。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

8

第 1 章 X 線天文学と ASTRO-H 衛星

1.1

X 線天文学の歴史

X 線はわれわれが普段見ている可視光や電波などと同じ電磁波の一種である。宇宙には現在分かっているものだけでも、約数万個程の X 線で輝く天体が観測されており、宇宙に存在するほとんどの天体や現象は何らかの形で X 線を放射していると考えられている。しかし、大気圏外からくる X 線は地球の厚い大気によって吸収されてしまい地表に到達することができない (図 1.1) したがって宇宙由来の X 線の研究には、気球やロケット、人工衛星などを用いた高い高度での観測が必要不可欠であり、これまで数多くのじ人工衛星観測が行われてきた。

X 線天文学の誕生は、50 年前にまでさかのぼる。初めに宇宙からの X 線を観測をしたのは、ブルーノ・ロッシに指導されたリカルド・ジャッコーニらであった。1962 年、彼らよって打ち上げられた観測ロケットによって、予想を遥かに超える強度の X 線が検出され、それらは後に、さそり座 X-1 という天体からの放射であると分かった。その後も、世界各国から様々な X 線天文衛星が打ち上げられ多くの成果を残している。人工衛星を用いた X 線観測の始まりは、ブラックホール周辺での高エネルギー現象や宇宙の様々な場所での高温ガスの存在など、それまで知られていなかった宇宙の新しい姿を次々と明らかにし、現在では、可視光、赤外と電波天文学に並ぶ一大分野へ成長している。
日本はこれまで、1979 年打ち上げの「はくちょう」に始まり、「てんま 」(1983 年打ち上げ)「ぎんが 」(同 1987 年)「あすか」 (同 1993 年)、そして、2014 年現在も稼働中である「すざく」(同2005 年) と、全部で 5 台の X 線天文衛星を打ち上げている。上記の衛星によって宇宙の高エネル
ギー現象の研究において、数多くの成果を残してきた。さらに現在では、次世代の衛星として、
日本で 6 番目にあたる X 線天文衛星 ASTRO-H の開発が行われている。

1.2

次期 X 線天文衛星 ASTRO-H

1.2.1

概要

ASTRO-H は 2015 年打ち上げ予定の日本の X 線天文衛星で、JAXA を中心に国内の 25 の大学、アメリカ、カナダ、ヨーロッパと共に現在開発中である。総重量は 2.5 t、全長は 14 m とな
り、 「すざく」の 1.5 倍の質量となる。

ASTRO-H は、2 種類の X 線望遠鏡（軟 X 線望遠鏡、硬 X 線望遠鏡) と、3 種類の X 線検出器
（軟 X 線分光器、軟 X 線撮像検出器、硬 X 線撮像検出器）、さらには軟ガンマ検出器を搭載する。

9図 1.1: 電磁波の波長ごとの地表到達度

ASTRO-H は、世界で初めての X 線マイクロカロリメータを用いた超高分解能の撮像分光観測を最大の特徴としながら、軟 X 線撮像装置と硬 X 線検出器での撮像分光観測に、軟ガンマ線検出器
による分光観測を加え、実に、0.3 keV から 600 keV と、3 桁以上にもおよぶ、過去最高の高感度広帯域観測を行う。ASTRO-H の各検出器機器におけるエネルギーと有効面積の関係を図 1.2 に
示す。

1.2.2

搭載機器

軟 X 線望遠鏡、硬 X 線望遠鏡

ASTRO-H では軟 X 線から硬 X 線までの広帯域での撮像観測を行うため、従来の X 線天文衛星にも搭載された軟 X 線望遠鏡だけでなく、より高エネルギーの観測を行うための硬 X 線望遠鏡を搭載する。
軟 X 線望遠鏡 (Soft X-ray Telescope : SXT) は、軟 X 線分光器用 (SXT-I) と軟 X 線撮像検出
器用 (SXT-S) の 2 台が搭載される。SXT は、反射面が金メッキされたアルミ薄板を同心円状に203 枚積層し、全反射を利用することで集光結合を行う多層薄板型 X 線望遠鏡で、10 keV 以下で大きな有効面積を持つ。
一方、硬 X 線望遠鏡 (Hard X-ray Telescope : HXT) は、名古屋大学が中心となり開発を進めた多層膜スーパーミラー望遠鏡である。スーパーミラーとは薄板の表面に白金と炭素を交互に蒸着させ積層したもので、10 keV 以下の軟 X 線に対しては全反射、10 keV 以上の硬 X 線に対してはブラッグ反射を行うことで、5–80 keV の X 線を集光結像を可能とする。

10

図 1.2: ASTRO-H 衛星の各検出器における、エネルギーと有効面積の関係

軟 X 線分光器 (Soft X-ray Spectrometer : SXS)SXS は、SXT と X 線マイクロカロリメータ検出器 X-ray Calorimeter System (XCS) からなる高精密分光装置であり、0.3–12 keV のエネルギー領域の観測を担う検出器である。X 線マイク
ロカロリメータは X 線光子の入射によるわずかな温度上昇をエネルギーとして読み出すことで、非常に高いエネルギー分解能を発揮する。世界初の X 線天文観測用の X 線マイクロカロリメー
タは、2005 年、すざくによって打ち上げられたが、冷却に必要な液体ヘリウムが事故によって短時間のうちに蒸発してしまい観測不能となった。ASTRO-H によって X 線マイクロカロリメータを用いた天体観測が行われれば、世界で初の快挙となる。本論文では SXS のデジタル波形処理部

Pulse Shape Processor (PSP) の性能実証試験を扱う。X 線マイクロカロリメータ、及び SXS に
ついては 2 章、デジタル波形処理部 PSP については 3 章でそれぞれ詳しく述べる。

軟 X 線撮像検出器 (Soft X-ray Imager : SXI)SXI は 0.4–12 keV までのエネルギー領域をカバーする X 線 CCD 検出器である。4 枚の受光素子を田の字状に並べ、4 素子合計で 2560 × 2560 pixel、38 × 38 分角の広視野撮像観測を行う（図1.3 参照）。熱による雑音を低減するため機械式冷凍機で −120 ℃まで冷却して動作させる。また、
SXI は 4 素子すべてで裏面照射型 CCD を採用しており、それにより低エネルギー側の感度の向上を実現している。さらに、厚い空乏層 (200 µm) をもち、高エネルギー側においても「すざく」と比べて数倍の感度を可能にしている。宇宙観測用の X 線 CCD カメラは「あすか」によって初

11

めて搭載された。その後、「すざく」にも搭載され、現在では X 線天文観測の標準検出器となっている。

図 1.3: SXI の検出器部

硬 X 線撮像検出器 (Hard X-ray Imager : HXI)HXI は 5–80 keV の硬 X 線帯域において光子の撮像及び分光を行う装置である。HXT の焦点
面は ASTRO-H の最下部に設置され、軌道上で伸展されることにより焦点距離 12 m を維持する。
有効面積を増やし、信頼性を高めるため、完全に同型のものが 2 台、衛星上の対称な位置に搭載される。4 層の Si 半導体と 1 層の CdTe 半導体で構成される、全 5 層の半導体両面ストリップ素子を主検出器部とし、それらを取り囲む 9 つの BGO 結晶シンチレータからなるアクティブシー
ルドを搭載する。 Si 半導体はおもに 5–40 keV、CdTe 半導体は 8–40 keV の観測エネルギー領域を受け持つ。Si 半導体は表と裏に直行する読み出しストリップをもうけることで、2 次元の位置
分解能を持たせている。また、4 層を重ねる事で、光電吸収の向上を図るとともに、3 次元の飛跡を追う事で荷電粒子イベントの分別を行い、バックグラウンドの低減を可能にする。

軟ガンマ検出器 (Soft Gamma-ray Detector : SGD)

SGD は、「狭視野半導体コンプトンカメラ」という概念に基づく高感度ガンマ線検出器であり、10 keV から 600keV までの極めて広いエネルギー範囲を持つ。HXI と同様、有効面積を増やすた
め完全に同型のものが 2 台搭載される。検出部は Si と CdTe の半導体から構成され、それらはコンプトンカメラと呼ばれる。32 層の Si 検出器が視線方向と垂直に置かれ、その底面には 8 層のCdTe 検出器、側面に 2 層の CdTe 検出器が置かれる（図 1.5 参照）。さらに、検出器の上部に設置された BGO の井戸型シールドおよび金属製のファインコリメータにより、36 × 36 分角以下に絞られた視野に入ってくる光子を個別に検出する。検出部は光電吸収モードとコンプトンモード

12図 1.4: HXI の検出部。水色は BGO 結晶、紫色は Si 半導撮像体素子、緑色は CdTe 半導体撮像素子を表す。

の 2 つのモードで動作する。光電吸収モードは 60keV 以下で行われ、入射された光子を Si の層
で光電吸収して検出するモードである。一方、コンプトンモードは 60 keV 以上で行われ、入射された光子が Si の層でコンプトン散乱されたものを、CdTe で検出する。その際、エネルギーの測定だけでなく、光子の入射時のエネルギーを E1、コンプトン散乱された後のエネルギーを E2、入射方向と散乱方向のなす角をθ とすると、コンプトン運動学の式

cosθ = 1 +me c 2me c 2−E1 + E2
E2により、光子の入射方向を推定でき、粗い撮像を行うことも可能である。

13

(1.1)

図 1.5: SGD の検出部。水色は BGO 結晶、赤色は Si 検出器、紫色は CdTe 検出器を表す。

図 1.6: ASTRO-H 衛星の搭載検出器

14

第 2 章 軟 X 線分光器 SXSSXS に搭載される X 線マイクロカロリメータは、その性質上、センサー部を 50 mK の極低温に冷却し、それによって 7 eV (FWHM) 以下のエネルギー分解能を実現する。また、SXS は低エ
ネルギー帯から鉄の K α輝線を含む高エネルギー帯域までの観測において史上最高のエネルギー
分解能を維持する。本章では、X 線マイクロカロリメータの原理と、SXS への要求・構造につい
て述べる。

2.1

X 線カロリメータ

2.1.1

構造と動作原理

X 線カロリメータの基本構造の模式図を図 2.1 に示す。X 線カロリメータは、X 線吸収体と温度一定の熱浴、X 線吸収体と熱浴を結合するサーマルリンク、さらに吸収体の温度上昇を測定す
るための温度計で構成される。X 線光子が光電効果されると吸収体の温度が上昇し、図 2.2 に示
すような温度応答を得る。X 線光子のエネルギーを E 、吸収体の熱容量を C とすると、吸収体の
温度上昇は

∆T =

E
C

(2.1)

で決まることになる。この微少な温度の変化を温度計で測定することでエネルギー値を得る。吸収体と熱浴はサーマルリンクを通してつながっており、吸収体で生じた熱は次第に熱浴へと逃げていき、その後、素子の構成で決まる時定数で定常状態に戻る。温度応答の持間はサーマルリン
クの熱伝導度 G と、吸収体の熱容量 C を用いてCd∆T
= −G∆TdT(2.2)という式で表せる。この式を解くと時定数は τ0 = C/G と求まる。X 線マイクロカロリメータの温度応答の時間変化は、この時定数に従って指数関数的に減少することになる。式 (2.2) から分かるように、これは吸収体の比熱と C サーマルリンク G によって決まる定数となり、入射 X 線光子のエネルギーによらないことが分かる。このことは後述する波形処理の過程で使用する波形テンプレートを決める上で重要である。

15

図 2.2: X 線マイクロカロリメータの温度応答

図 2.1: X 線マイクロカロリメータの基本構造

2.1.2

エネルギー分解能

X 線カロリメータのエネルギー分解能は、光子検出過程にともなうゆらぎと、読み出された波形に重畳するノイズによって決まる。これらのゆらぎとノイズの要因は発生源ごとに以下のような 3 つの要因に分けて考えられる。

(1) 検出器自身に由来する、ゆらぎとノイズ(2) 温度計の読み出し回路系のノイズ(3) その他の要因によるノイズ（電磁干渉や熱浴の温度揺らぎ等）(1) のノイズにはさらに、素子の温度揺らぎ (フォノンノイズ) と温度計のノイズ (ジョンソンノイズ) の 2 つの要素がある。温度計と電気抵抗の温度変化を利用したものであれば、その電気抵抗による熱ノイズ（ジョンソンノイズ）は温度計の雑音として避けられないものである。(1) のノイズによって決まるエネルギー分解能は直観的に以下のように考えることができる。
ボルツマン定数 kB を用いると、温度 T の物質中でのフォノン 1 個がもつ平均エネルギーは

 = kB T と表せる。また、熱容量 C の受光素子全体が持つ内部エネルギーは CT と書けるので、
平均フォノン数 N はそれらの値を用いて、

C
CT
=
kB T
kB

(2.3)

となる。フォノン数の揺らぎはポアソン分布に従うため√
N となり、したがってフォノン数の揺N=らぎによる素子のエネルギーの揺らぎは
√

∆E ∼

√
CT
kB T = kB CT 2
kB T

(2.4)

となる。X 線光子による温度上昇は T に比べると小さいので、検出器の温度 T がそのままエネ
ルギー分解能の見積もりになる。さらに、素子の熱揺らぎと温度計の熱ノイズを考慮してエネル

16ギー分解能を求めると、∆E = 2.35ξ

√kB CT 2(2.5)

となる。ここで、ξ はバイアス条件や温度計の感度によって決まるパラメータであり、温度計として半導体温度計を使用したとすると、その値は ∼ 2 の値を持つ。エネルギー分解能を向上させる
ためには、式 (2.5) から分かるように、素子の温度 T を極低温にして、熱容量 C を小さくすればよいことになる。SXS では、素子の温度を 50 mK の極低温に冷却することで、エネルギー分解
能 ∆E < 7eV (FWHM) を達成する。

2.1.3

最適フィルタを用いた信号処理

カロリメータは原理的に優れたエネルギー分解能を達成できるが、その実現のためにはノイズ対策だけではなく、信号処理の方法についても考慮する必要がある。

X 線検出器は通常、波形のピーク値とベースラインの値の引き算で波高値を求めるが、これは波形に重畳するノイズに影響を受けるため、必ずしも正確な波高値とはならない。SXS では、複数のサンプルの平均波形とノイズスペクトルから作られるテンプレートをあらかじめ持っておき、そのテンプレートを実際の波形データにフィッティングすることで波高値を求める。この方法は最適フィルタ処理と呼ばれ、これによって S/N の改善を行うことができる。以下に、SXS の信号処理で使用されている最適フィルタについて詳しく説明する。

2.1.1 節で述べたように、X 線カロリメータの温度応答の時定数はエネルギーによらず素子の構成によってのみ決決定される。最適フィルタ処理では、X 線パルス波形が波高値を除いて同じ形で表せることを仮定し、これを A × S(t) とする。S(t) が規格化されたパルス波形で、A は波高値である。これを周波数空間について考え、パルス波形とノイズのパワースペクトルをそれぞれS(ω), N (ω) とする。このときノイズを含む実データ D(ω) は、
D(ω) = H × S(ω) + N (ω)(2.6)と書ける。最適な波高値の推定値 H は、上記の D(ω) とパルス波形のモデルとの差を最小にする
ことで得られる。それは、

χ2 ≡∑ |D(ω) − H × S(ω)|2(2.7)

N 2 (ω)で定義される。χ2 の微分が 0 になるような H は、

∑ D(ω)S ∗ (ω)+D∗ (ω)S(ω)
H=

2|N (ω)|2∑ S(ω) 2
N (ω)

(2.8)

で与えられる。D(ω) と S(ω) は実関数なので、D∗ (ω) = D(−ω)、S ∗ (ω) = S(−ω) であるため、∑ D(ω)S ∗ (ω)
2|N (ω)|2=∑ D(−ω)S ∗ (−ω)
2|N (ω)|2
17=∑ D∗ (ω)S(ω)
2|N (ω)|2(2.9)

が成り立つ。したがって、H は、∑ D(ω)S ∗ (ω)
H =|N (ω)|2(2.10)∑ S(ω) 2
N (ω)∑ D(ω)

S(ω)S(ω) N (ω)∑ S(ω) 2
N (ω)

=

2

(2.11)と書ける。これを時間空間に戻すと、H=∑

D(t) × F (t)(2.12)

ここで F (t) は最適フィルタテンプレートで、S(ω)/N 2 (ω) をフーリエ変換したものである。したがって最適フィルタを求めるためには、平均パルス波形 S(ω) と、ノイズパワースペクトル N 2 (ω)
を用意すればよいことになる。ノイズがホワイトノイズの場合、すなわち周波数空間でフラットな場合は、最適フィルタテンプレートは平均パルス波形と一致する。

2.2

性能要求

この節では、SXS に与えられている性能要求を表 2.1 に示す。詳しくは SXS-XCS description

document [12] に記載されている。

2.3

システム構成SXS のシステム構成を図 2.2 に示す。SXS は大きく分けて、フィルターホイール部、検出器部、冷凍機部、波形処理部からなる。X 線天体からの光子は SXT からフィルターホイールを通して、冷凍機によって 50 mK に冷却された検出器部に集光される。その後、XCS で検出された波形信号はアナログ信号処理系 (X-ray Box : XBox) によるアナログ・デジタル変換ののち、デジタル信号処理系 (Pulse Shape Processor : PSP) によって、入射 X 線光子のイベント付けや、詳細なエ
ネルギー決定がなされる。その後、PSP で処理された X 線光子についての情報はサイエンスデー
タとしてまとめられ、SpaceWire Router を通り衛星管制装置へと送られる。図 2.4 に SXS のシ
ステム構成の図を載せる。

2.3.1

フィルターホイール部

前節で述べたようにカロリメータ信号の減衰時間は、素子の熱容量 C とサーマルリンクの熱伝
導度 G によって、

τ0 = C/G
18(2.13)

平均パルス波形 S(t)ノイズパワースペクトル N (ω)

最適フィルタテンプレート F (t)図 2.3: pixe ごとの平均波形、ノイズスペクトル、最適フィルタテンプレート
19図 2.4: SXS システム構成。藤本先生の日本物理学会 2013 年春季年会発表資料 [14] より転載。

20

表 2.1: SXS-XCS の性能要求。PSP Description Document[12] から引用した。
num
Item
Requirement Goal

SSR-01
SSR-02
SSR-03
SSR-04
SSR-05
SSR-06
SSR-07
SSR-08
SSR-09SSR-10
SSR-11

Energy resolution in FWHM (eV)Energy range (KeV)Residual background (s−1 keV−1 )Field of view (arcmin2 )Detector array
Angular resolution in HPD (arcmin)Eﬀective area at 1 keV (cm2 )Eﬀective area at 6 keV (cm2 )Lifetime (yr)Energy scale accuracy (eV)Energy resolution accuracy (eV)Count rate per array (s−1 )Count rate per pixel (s−1 )Absolute time-assignment accuracy (ms)Time-assignment resolution (ms)7
0.3–12.0
1.5×10−3
2.9×2.9
6×6
1.7
160
210
3
2
2
>150
>20
10
0.08

4
0.1–16.0
1.5×10−3
2.9×2.9
6×6
1.3
160
210
5
1
1
>150
>20
0.08
0.08

と求められる。SXS に使用されているカロリメータ検出器は τ0 が約 10 msec と遅いため、10 msec
以内の時間差で光子が入力すると、波形が重畳してしまい前述の最適フィルタ処理が破綻する。そのため、SXT と SXS の間に X 線光子の入射数を制限するためのフィルターを設置し、明るい X
線天体を見る際には、そのフィルターによって入射光子のカウントレートを調整する。ASTRO-Hには観測の目的や対象の種類によって変更できる 6 種類のフィルターから成るフィルターホイー
ルが搭載される。

2.3.2

検出器部

X 線吸収体XCS は NASA/GSFC (Goddard Space Flight Center) によって開発されている。X 線吸収体が 6 × 6 の全 36 pixel がアレイ状に並べられ、四隅の内の１つを除いた 35 pixel が観測に使われる。温度計にはシリコン半導体温度計を使用する。また、キャリブレーション用の pixel がアレイの外側に設置され、55 Fe の較正線源を照射することで 36 番目の pixel データとして読み出される。図 2.5 に XCS の外観図を載せる。

21

図 2.5: XCS の性能実証モデルの外観図

反同時計数検出器

SXS は、宇宙線などの荷電粒のバックグラウンド除去のために反同時計数検出器 (anti-coincidence)を搭載する。反同時計数検出器はシリコンの PIN 型検出器で、大きさは 10 mm×10 mm、厚さは500 µm である。Anti-co 検出器はカロリメータアレイの下に設置され、カロリメータと Anti-co
検出器で同時にトリガーがかかったとき、その信号を除外することで宇宙線由来のバックグラウ
ンドを軽減できる。

図 2.6: anti-co 検出器の模式図

2.3.3

冷却系

すでに述べたように、X 線カロリメータは素子を極低温に冷却することで、非常に優れたエネ
ルギー分解能を達成する。そのため ASTRO-H では、5 mm×5 mm の検出器部の冷却に、高さ約22

1.3 m、直径約 1 m にもなる冷凍機を用いる。SXS の冷却系の詳しい構造を図 2.7 に示す。冷凍機は、main shell, 100 K, 20 K, 4 K, 1 K の 5 層で構成される。20 K までの冷却は 2 段スターリ
ング冷凍機 (2ST) を 2 台用いて行われる。1 対のそれぞれの 2ST は通常時は 50 ％の能力で運転している。もし片方が動作しなくなった場合は、残った方が 100 ％で運転される。4 K までの冷
却は 2ST が 2 台と 4 He ジュールトムソン冷凍機 (4 HeJT)1 台、1 K までは超流動 He(LHe) が冷却を行う。さらに、超流動 He がなくなったときのために、He タンクと 4 HeJT の間に 3 段目のADR を設置している。そして、1 K 層内部にある 2 段式断熱消磁冷凍機 (ADR) によって検出器
は 50 mK の超低温まで冷却される。

図 2.7: SXS の冷凍機デザインと熱的構造。藤本先生の 2010 年 SPIE での発表資料 [15] より転載。

2.3.4

信号処理系

DIST
Distributor (DIST) は衛星のバス電源を SXS の各機器へ分配する電源供給装置である。バス電
源から供給される 32.5–52.0 V の非安定化電源を変圧し、各機器に用意されている Power Supply

Unit (PSU) と呼ばれる電源供給用の基板へと供給する。DIST はさらに、電流値の監視機能を持っており、異常があった場合には電源供給を自動的に止める機能を持つ。

SpaceWire RouterSpaceWire Router は PSP と衛星管理装置の間のデータの中継を行う、衛星ネットワークハブ
である。ASTRO-H の衛星ネットワークには、科学衛星の統一規格プロトコルである SpaceWire23

規格が使用される。SpaceWire 規格を使用することで、衛星ネットワークの設計にかかる手間とコストを削減することが可能になる。PSP は、SpaceWire 規格を採用した SpaceWire Router を通すことで、衛星管理装置やデータ記憶装置とのやり取りを行う。

XBox
XBox は検出器と PSP の間に位置するアナログ処理装置であり、NASA/GSFC が開発を担当している。XBox は独立した 2 系統 (XBox-A と XBox-B) からなり、1 系統で全チャンネルの半分ずつ、カロリメータアレイの 18 チャンネルと反同時計数検出器の 1 チャンネルを処理する。XBox
は、イベントのサンプリング、波形信号の整形・増幅、アナログ・デジタル変換を行う。デジタル変換された信号は Low Voltage Diﬀerential Signaling (LVDS) により PSP へと送られる。また、信号処理機能のほかに、検出器へかかる電圧の制御や、温度・電圧の監視を行う。

PSP
PSP は、SXS のデジタル信号処理を担当する装置である。PSP は、XBox から送信されるデジ
タル波形データを受信し、微分波形を用いたイベントのグレード付けや、最適フィルタ処理による光子のエネルギーの高精度測定を行う。PSP は、ISAS/JAXA, 三菱重工業, 首都大学東京, 埼
玉大学, 立教大学が共同で開発をおこなっている。

24

第 3 章 デジタル波形処理機器 PSP

SXS は原理的に非常に優れたエネルギー分解能を実現するが、XBox からの波形データの正常な受け取りや、波高値決定の際の正しいデジタル信号処理が行わなければ、結果としてエネルギー
分解能を劣化させてしまうことになる。そのため、PSP は SXS の性能を発揮するための要となる、非常に重要な機器となる。本章では、本論文の試験対象である PSP に課せられる性能要求やハードウェア構成、さらに PSP で行われるデジタル波形処理について述べる。

3.1

性能要求

前章で SXS システムの性能要求について述べたが、PSP 単体レベルに対しても性能要求が与えられている。表 3.1 に、PSP のデジタル波形処理に与えられる性能要求を示す。さらに、SXS
システムレベルへの要求 (SSR-XX) と、PSP への要求 (CR-PXX) の対応を表 3.2 示す。

25

表 3.1: SXS-PSP の性能要求。PSP Description Document[12] から転載。

番号

要求

エネルギー領域

CR-P01
CR-P02

0.3–12.0 keV のエネルギー1 帯域のイベントを検出する
12.0 keV をカバーするダイナミックレンジ2 を持つ

パルス検出とグレード付け

CR-P03
CR-P04
CR-P05
CR-P06ピークの波高値が 5 × (rms noise) 以上のイベントを検出する。35 ms 以上間隔をあけて到来したすべてのイベントを検出する
2 ms 以上間隔をあけて到来し、隣り合った２つの波形の波高値の比が 30 以下であるすべてのパルスを検出する
す べ て の イ ベ ン ト に 対 し て 、High-Resolution (HR), MediumResolution (MR), Low-Resolution (LR) と、primary, secondary の組み合せで決まるグレード付けを行う

ノイズバジェット

CR-P07
CR-P08
CR-P09HR イベント処理によるスペクトル分解能の劣化を 0.5 eV 以下に抑えるMR イベント処理によるスペクトル分解能の劣化を、HR 分解能より 1 eV(FWHM) 以下に抑える
LR イベント処理によるスペクトル分解能の劣化を、HR 分解能より10 倍以下に抑える

最大カウントレート

CR-P10
CR-P11150 s−1 array−1 のイベントレートを処理する
20 s−1 pixel−1 のイベントレートを処理する

ライブタイム

CR-P12
CR-P13

全てのイベントを、2%未満のデットタイム4 で検出する

1%未満の精度でイベント検出のライブタイムを決定する

1

エネルギー帯域は、キャリブレーションでの波高値とエネルギーの線形関係におけるベストフィットで決まる
目標は 16.0 keV
3rms noise とは、パルスのない状態での ADC sample の二乗平均平方根の値をさす
4
デットタイムとは、パルスレコードの範囲内の、パルスサーチを行わない時間をさす226

表 3.2: SXS サブシステムレベルでの要求 (SSR-XX) と、コンポーネントレベルでの要求 (CR-PXX)のまとめ。X 印が CR が SSR と対応する場所を表す。

27

3.2

ハードウェアPSP は PSP-A と PSP-B の電気的に同等な 2 系統をもち、それぞれ MIO ボード 1 枚, SpaceCard
ボード 2 枚, Power Supply Unit (PSU) ボード 1 枚で構成される。MIO ボートと SpaceCard ボー
ドは他の ASTRO-H 機器で共通に使用されるハードウェアであり、それぞれの機器ごとに異なる構成で使用される。また、PSP に搭載される PSU ボードは PSP の構成に応じて調整されているが、基本的には ASTRO-H のほとんどのデジタル機器で使用されているものと共通である。

PSP は 1 系統でそれぞれ、カロリメータ検出器 18 チャンネルと Anti-co 検出器 1 チャンネルについての処理を担当し、両系統を同期させることで全 pixel 分のデータを処理する。PSP の構成とネットワークの図を以下に示す（図 3.1）。

図 3.1: PSP の構成とネットワーク図。

3.2.1

MIO ボード

MIO ボードのブロックダイアグラムを図 3.2 に示す。MIO は他の機器との LVDS 通信を駆動するための電流源 (LVDS driver)、PSU ボードからの電源電圧/電流を制御する regulator をもつ。

MIO ボードには SpaceWire FPGA と User FPGA の 2 つの FPGA が搭載されている。SpaceWire
FPGA は SpaceWire 通信とデータ保存用のメモリーである SDRAM へのアクセスを担当しており、このロジックは全機器で同じアルゴリズムが使用される。一方で、User FPGA は各観測機器

28

ごとで専用の機能を持ったアルゴリズムを構築でき、こここでは PSP 用に設計されたロジックが搭載されている。FPGA は Actel Corporation 社製のものを使用し、耐宇宙環境用で書き込み不可なものとなっている。

MIO ボードには 20 MHz の水晶発振子 (oscillator) と内部クロックを生成するための clock driverが搭載される。User FPGA と SpaceWire FPGA はバス接続され、SpaceWire FPGA によって20 MHz の通信速度で SpaceCard と通信を行う。また、MIO ボードは 64 M byte の SDRAM を搭載している。この SDRAM には Error Detection And Correction(EDAC) というメモリー保護機能が装備され、宇宙線対策のためにビットエラー訂正機能を持つ。

図 3.2: MIO ボードのブロックダイアグラム

3.2.2

SpaceCard ボード

SpaceCard ボードは SpaceWire FPGA と SOl-SoC（三菱重工が開発したマイクロプロセッサ）で構成される。SpaceWire FPGA は SDRAM へのアクセスと SpaceWire 通信を制御し、すべての観測機器で共通のロジックが使用される。オペレーションシステム, ミドルウェア, Application

Programming Interface (API) は ASTRO-H の全機器で共通となっているが、各タスクのうち、観測機に固有の処理をするものは、User Application と呼ばれ、ここでは PSP 用に設計される。

SpaceCard ボードのブロックダイアグラムを図 3.3 に示す。SpaceCard ボードは MIO ボードと同等の SpaceWire FPGA を持ち、LVDS 通信と RAM アクセスを担う。MIO と異なる点として、SpaceCard は CPU を搭載している。CPU には MHI が製造した SH4-compatible 32-bit RISC
processor が使用され、60 MHz のクロックで動作し、オペレーティングシステムとして TOPPERSが使用されている。また、データ保存用のメモリーとして、EEPROM (512 k byte), SRAM,

SDRAM の 3 つを搭載する。それぞれのサイズや使用用途を表 3.3 に示す。
29

Type

Size/
piece(b)表 3.3: SpaceCard のメモリー
#of
#of
Total
EDAC
pieces set(MB)

EEPROM
SRAM
SDRAM

512K×8512K×8
16K×16

4+1
4+1
2+1

1
2
1

2
4
64

no
no
yes

用途
メインプログラムの保存用
メインプログラムの動作用データ保存用図 3.3: SpaceCard ボードのブロックダイアグラム

3.2.3

PSU ボード

PSU のブロックダイアグラムを図 3.4 に示す。PSU ボードは DIST から供給されたバス電源（1 次電源）を、ボード（2 次電源）を通して他の 3 つのボードに供給する。2 次電源はコマンド無しで供給される。32.5 - 52 V のレンジの直流 1 次電圧を 2 つの DC/DC コンバータで+3.3 V と± 12 V に変換する。3.3 V は MIO ボードと SpaceCard ボードに送られ、各ボード内で 1.5 V に変換されて使われる。12 V は MIO ボードに送られ、3.3 V 電源のカレントリミッタに使われる。

PSU ボードは 1 次・2 次電源の両方で電源のノイズを低減するフィルタを持つ。上限電流は FET
スイッチと呼ばれるトランジスタを用いたスイッチを用いて制御される。もし電流値が上限値を超えると、電源は自動的にオフになりコマンドで FET スイッチがオンになるまでその状態が維持される。

MIO ボードは、PSU ボードの FET スイッチを使用し、SpaceCard ボードと MIO ボード (自分自身を含めた) への 2 次電源の on/oﬀ を制御する。MIO ボードは過電流を防ぐため電流値をモニターする。電流値の上限値を表 3.4 に示す。

30

図 3.4: PSU ボードのブロックダイアグラム

表 3.4: 各ボードの電流値の上限値

31

3.3

通信インターフェイス

PSP は XBox や SpaceWire Router などの周辺機器との通信や、PSP を構成する、MIO ボー
ド, SpaceCard ボード, PSU ボードとの通信に LVDS 規格を使用している。LVDS は 2 本の信号線を使用して逆位相の信号を送信し、受信側で両者を比較することでデータのやり取りを行う差動信号システムである。使用する 2 本の信号線として、信号線同士を縒り合わせたツイストペア
ケーブルを用いることで、単なる平行線よりも電磁波ノイズの放射量を減らすことができる。また、ASTRO-H に使用される LVDS は信号振幅が 300 mV と低いために信号の立ち上がり/立ち
下がりが速く、その結果として高速通信を可能にする。

PSP は MIO ボード上に搭載された LVDS driver を用いて、XBox から送信される LVDS 信号を受信する。その後、PSP 内の MIO ボードと SpaceCard ボードでデジタル処理されたデータはパケット情報として変換され、後段の SpaceWire Router へと送られる。

3.4

信号線

3.4.1

PSP-A/B–XBox-A/B 間の信号線

MIO-A は XBox-A と、MIO-B は XBox-B と、それぞれ 9 つのペアーの信号線を持つ LVDS ケー
ブルによって接続される (図 3.5)。それぞれの信号線は PSP と XBox の波形データのやり取りや、PSP から XBox への衛星制御データの送信、また、XBox から PSP への衛星情報データの送信などに使用される。

BASE CLK は PSP の基準となる 5 MHz のクロック信号であり、PSP 側から XBox へと送信される。XBox は、PSP から受け取った BASE CLK と XBox の基準クロックである TLM CLKとの同期を行い、TLM CLK を PSP へと送り返す。また、PSP は波形データのサンプリング
レートを決める SMP CLK というクロック信号を XBox へと送信する。SMP CLK は周波数として 12.5 kHz と 15.625 kHz の 2 つを持っており、初期値は 12.5 kHz に設定されている。XBox は受け取った SMP CLK で決まるサンプリングレートで、波形データの長さを決める SCI ENAと実際の波形データである SCI DAT を PSP へと送信する。さらに、PSP は、衛星制御データ
を CMD ENA と CMD DAT として XBox へと送信し、XBox が衛星情報データを HK ENAと HK DAT として PSP へと送信する。以下に、PSP–XBox 間の 9 つの信号線の特性と、各信号の機能を示す（表 3.5）。

3.4.2

MIO-A–MIO-B 間の信号線

PSP-A の MIO-A と PSP-B の MIO-B 間を接続する信号線は、3 本搭載される。そのうちの 2
本は MIO–A/B 間のクロック同期用に使用され、残りの 1 本は SpaceWire 通信の冗長系として使用される。PSP では A 系と B 系でクロックを同期させるために、2 枚の MIO のうちどちらかがMASTER となり、水晶振動子からクロックの生成を行い、もう一方の MIO は、SLAVE として32

図 3.5: MIO ボードと XBox 間、および MIO ボード間の LVDS 信号。PSP Description
Document[13] から引用。

LVDS 信号で MASTER からのクロックを受け取り、それを動作クロックとして利用することで同期を実現する。
クロック同期線は MIO-A と MIO-B 間にループをなすように接続されている。この信号線は、

MASTER からの基準クロックである SYNC BASE A2B とサンプリングクロック SYNC SMP A2B（ここでは A 系が MASTER であるとする）を SLAVE ボードへと送るのに使用される。SLAVE は受け取ったクロック信号と自らの持つ BASE CLK と SMP CLK とを同期させ、その後 MAS-TER へ SYNC BASE B2A と SYNC SMP B2A としてクロック信号を返送する。それぞれの信号名および機能を表 3.6 に示す。

33

表 3.5: XBox-A と PSP(MIO-A) 間を流れる LVDS 信号の特性と機能
信号名1

周 波 数
(Hz)

電流値
(mA)

電圧値
(V)

機能

(From PSP to XBox)BASE CLK A+
BASE CLK A–
SMP CLK A+
SMP CLK A–
CMD ENA A+
CMD ENA A- CMD DAT A+
CMD DAT A–

5M
5M
12.52 K12.52 K
-

3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4

1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65

MIO からの信号の基準となるクロック(From XBox to PSP)TLM CLK A+
TLM CLK A–SCI ENA A+SCI ENA A–SCI DAT A+SCI DAT A–
HK ENA A+
HK ENA A–HK DAT A+
HK DAT A–

5M
5M
12.52 K12.52 K
-

3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4
3.4

1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65
1.65

a
b

XBox のサンプリングクロック
CMD DAT の Enable/disable 信号
XBox へのコマンド信号

XBox からの信号の基準となるクロック
SCI DAT の Enable/disable 信号
XBox からのサイエンスデータ
HK DAT の Enable/disable 信号
XBox からの HK データ

この表における LVDS 信号名は、A 系の場合のものである。B 系の場合は信号名の A を B に変換する。
SMP CLK の周波数は 12.5 kHz (デフォルト値) と 15.625 kHz がある。

34

表 3.6: PSP-A(MIO-A) と PSP-B(MIO-B) 間を流れる LVDS 信号の特性と機能
信号名
周 波 数 電流値 電圧値 機能
(Hz)
(mA)
(V)

(From MIO-A to MIO-B)
SYNC BASE A2B+
SYNC BASE A2B–
SYNC SMP A2B+
SYNC SMP A2B–
(From MIO-B to MIO-A)
SYNC BASE B2A+SYNC BASE B2A–SYNC SMP B2A+SYNC SMP B2A–
a

5M
5M
12.51 K12.51 K

3.4
3.4
3.4
3.4

1.65
1.65
1.65
1.65

5M
5M
12.51 K12.51 K

3.4
3.4
3.4
3.4

1.65
1.65
1.65
1.65

周波数は 12.5 kHz(default) と 15.625 kHz がある。

35

MIO-A からの BASE CLK
MIO-A からの SMP CLK

MIO-B からの BASE CLKMIO-B からの SMP CLK3.5

デジタル波形処理

PSP の波形処理は、MIO ボードと SpaceCard ボードを用いて行われる。まず MIO で、XBoxから送られる波形データを受信し、チャンネル毎に分解する。さらに、各チャンネルで独立にエラーのチェックを行った後、波形データを pixel 保存用のバッファに記録する。その後、バッファに保存された波形データを使って微分波形 (derivative) を計算し、その結果を波形保存用のバッ
ファに保存する。微分計算の結果は常に監視され、FPGA のステートマシンによってイベントの検出が行われる。

MIO での処理を終えると、波形データは SpaceCard へと送られる。先に述べたように、短い間隔で複数の光子が入射すると、波形が重畳によって最適フィルタ処理が破綻し、エネルギー分
解能が劣化してしまう。PSP では重畳波形による分解能の劣化を軽減するために、セカンドパル
スの検出やグレード付けを行う。その後、最適フィルタ処理を用いた波高値解析によって入射光
子のエネルギーを決定する。
データ受信とエラーチェックについては 3.5.1、イベントの検出については 3.5.2、グレード付けは 3.5.3、波高値解析については 3.4.4 で詳しく述べる。

3.5.1

データ受信とエラーチェック

XBox から送られる波形データは LVDS 通信によって MIO へ送られる。PSP は MIO の User
FPGA でデータの受信、チャンネルごとに分解、sample およびチャンネル単位でのエラーのチェッ
ク、Clip のチェック、データの保存を行う。データ処理のフローチャートを図 3.7 に示す。

データの分解XBox からの 1 sample 分のデータは、SCI DAT, SCI ENA として MIO に送信される。1sample は、18 pixel と 1 anti-co チャンネル、sample ごとにカウントアップする sciRecvnt カウンター(8 bit)、spare bit から構成される。MIO ではチャンネルごとで独立に処理を行うために、sample
をチャンネルごとに分解する。各チャンネルのデータは、adcSample 14 bit、spare bit、 parity bit
で構成される (図 3.6)。1 sample 分のデータは 12.5 または 15.625 kHz の SMP CLK に同期して送信され、SCI ENA の立ち下がりが新しい sample のスタートを表す。SCI ENA の立ち下がりは、その時の SMP CLK の立ち上がりから 20.0 ± 0.8µs に送信される。また、BASE CLKのカウント数 n によって、

sciEnaDelayLower ≤ n < sciEnaDelayUpperで定義される time window で、SCI ENA の立ち下がりの検出を行う。

36

(3.1)

図 3.6: XBox から受け取る 1 sample 分のサイエンスデータの bit stream。PSP Description
Document[12] から転載。

sample errors チェック
MIO では上記の分解処理と共に、受け取ったすべての sample に対して”sample errors”のチェックを行う。このエラーは sample 単位のエラーであり、チャンネル単位のものではない。sample エ
ラーが検出されると、それぞれのタイプに応じたエラーカウントがカウントアップし、sampleErr
フラグが ”1”となる。以下にエラーカウント名とそのエラーカウントが増加する条件を示す。

• sciLenErrCnt : SCI ENA=0 の長さで決まる sample の長さが 312 bit でない• sciLenErrCnt : time window(式 3.1) で決まる範囲の中に sample がない• sciCntErrCnt : sciRecvCnt 値の増加が+1 でない
Clip のチェック
19 チャンネルに分解されたデータに対して、adcSample の値がクリップされているかを調べる。クリップとは、入力信号が表現可能な値を超えたことを意味する。adcSample の値が −8192
か 8191 のどちらかのとき、そのデータはクリップされていることを示す。クリップされた pixel
データは、pxClipCnt でカウントされ、anti-co チャンネルも同様に acClipCnt でカウントされる。

Channel errors のチェック
19 チャンネルに分解されたデータに対して、”channel errors”のチェックを行う。channel errors
はチャンネルごとに割り当てられる。もし 18 pixel と 1 anti-co チャンネルのどれかでエラーが検出されると、エラーカウントが増加し、channelErr フラグが ”1”となる。以下にエラーカウン
ト名とそのエラーカウントが増加する条件を示す。

• parityErrCnt : 18 pixel と 1 anti-co チャンネルで中に parity エラーがある37

データの保存

pixel データは pxDelayBuf と呼ばれる一次記憶領域に pxAdcSample として保存される。
pxDelayBuf は、1536 bits (= 96 samples(pxDelayBuf ) × 16 bit sample−1 ) のサイズを持
つバッファーである。anti-co データは acDelayBuf に保存される。acDelayBuf のサイズはpxDelayBuf と同様のサイズを持つ。

図 3.7: データの分解とエラーチェック手順のフローチャート図。PSP Description Document[12]
から転載。

3.5.2

イベントの検出イベントの検出は、データの分解の後、pxDelayBuf に保存された pxAdcSample を使用して行われる。重畳イベントにおいて、初めに到来したイベントをファーストパルス、二番目以降に到来したイベントをセカンドパルスとする（図 3.8）。イベントの検出は、MIO によるファース

38

トパルス検出と、CPU によるセカンドパルス検出の２つの手順で行われる。まず、MIO でイベント波形についての時間微分を計算し、その微分値 (derivative) がしきい値を超えた時にイベン
トにトリガーをかける。その後、SpaceCard によって、イベント波形から平均波形を引き算する
ことによりセカンドパルスの検出を行う。以下にそれらの詳細について記す。

図 3.8: 重畳イベントにおける、ファーストパルスとセカンドパルスの模式図

微分波形（derivative）の計算

derivative はすべての pxAdcSample について計算される。i 番目の derivative(i) は、前後の pxAdcSample についての差分をとることで計算される。これにより、pxAdcSample が立ち上がった時に早い立ち上がりを持つような微分波形を計算し、後段の処理であるイベント検出に使用する。微分の計算式は以下のように表せる。

derivLong(i ) =(derivHalfLen−1
∑


= −

)
pxAdcSmple(i + i 0 )

i 0 =0−1∑

pxAdcSmple(i + i 0 )(i 0 )=−derivHalfLen= derivLong(i − 1) + pxAdcSmaple(i + derivHalfLen − 1)
= −2pxAdcSmaple(i − 1) + pxAdcSmaple(i − derivHalfLen − 1)derivative(i ) = (derivLong(i ) + 2derivShift−1 )/2derivShift

39

(3.2)

ここで、derivHalfLen (0....31; デフォルト値は 8) は derivative 計算に用いるデータ数の長さを決めるパラメータである。pxAdcSample(i) を基準にし、前の (derivHalfLen − 1) 分の長さのデータに+1、後ろの derivHalfLen 分の長さのデータに - 1 の重みをそれぞれかけ合わせる。
図 3.9 に derivHalfLen の概略図を示す。
微分値は初めに derivLong として 20 bit 長さで計算され、その後に、derivHalfLen で決まる、derivShift によって bit シフトされ、derivative として保存される。表 3.7 に derivShiftと derivative の関係を示す。

図 3.9: 微分計算における、サンプル番号 i と derivHalfLen の関係図

表 3.7: derivShift と derivHalfLen の関係
derivShift derivHalfLen

0
1
2
3
4

1≤ derivHalfLen ≤2
3≤ derivHalfLen ≤45≤ derivHalfLen ≤89≤ derivHalfLen ≤1617≤ derivHalfLen ≤32

微分の計算を終えると、計算に使用された pxAdcSample(i) と、計算された derinvative の
値は Wave Form Ring Buﬀer (WFRB) に保存される。WFRB は 1 Mbyte (= 262144 samples ×(pxAdcSample 16 bit + derivative 16 bit)) のサイズをもつ波形データ保存用のバッファである。

ファーストパルスの検出
ファーストパルスの検出は、WFRB 上の derivative を用いて、MIO の User FPGA で定義されたステートマシンによって行われる。ステートマシンは、INIT, STDBY, READY, ARMED,

FALL, PEAKFIND の 6 つの状態をもつ。
40

INIT, STDBY：電源が ON になると INIT に入る。INIT, STDBY によってモジュールの初期化を行う。

READY：モジュールの初期化が終了すると、READY に移行する。このステートでは derivativeの値がしきい値をこえたときトリガーをかける (derivative > pxPulseThres)。一度 sample iでイベントが検出されると、low-resolusion pluse height (loResPH) のベースライン loResBaseを以下の式で計算する。

loResBase

1
pxOﬀsetAvgLenPow
2
2pxOﬀsetAvgLenPow+pxOﬀsetAvgGap∑× 
pxAdcSample(i + i0 ) + 2pxOﬀsetAvgLenPow - 1 =

i0 =pxOﬀsetAvgGap+1(3.3)
また、trigPtr と trigLap がそれぞれ WritePtrPre と WriteLapPre を使用して記録される。

ARMED：ARMED は READY の終了後から始まり、derivative が減少に転じるまで (derivative < derivPre) 続くステートである。ここでは、pxAdcSample と derivative の最大値を探し、その値が pxAdcSampleMax と derivativeMax にそれぞれ保存される。

FALL：FALL は ARMED の終わりから、derivative がしきい値を下回るまで (derivative >pxFallEndThres) 続くステートである。このステートでは、pxAdcSampleMax と derivativeMax の２つの最大値の検索が継続して行われる。その間は derivative の値は単調減少する
ことになるが、まれに FALL の途中に他のイベントが入ると、derivative 値は増加することになる。これらは”quick double”イベントと呼ばれ、derivative が前の値よりしきい値で大きくなったとき (derivative - derivPre ≥ pxQuikDoubleThres) quikDouble フラグが”1”となる。

FALL の後、pxPFInhibitFlag=0 だったら PEAKFIND に移行し、pxPFInhibitFlag=1 だったら、READY に移行する。

PEAKFIND：このステートでは pxAdcSampleMax の検索が行われる。derivativeMax に
ついては行われない。PEAKFIND は以下に示す２つの条件が満たされるまで継続される。

(1)

PEAKFIND の始まりから数えた時の sample 数が、定められた長さを超えたとき。(pxPFStateCnt ≥ pxPFStateCntMax )(2)

最後に pxAdcSampleMax を決めたときからの sample 数が、定められた長さを超えたとき。(pxPFStateCnt ≥ pxPFStateCntMax )PEAKFIND (pxPFInhibitFlag=0) か、FALL (pxPFInhibitFlag=1) が終了したあと、loResPH を、pxAdcSampleMax と loResBase の差分で求める。計算によって求まった loResPH
がマイナスの値をとるとき、その値を 0 とする。
その後ステートは READY に移行し、次のイベントをまつことになる。イベントの検出は READY
でのみ行われることになる。もし、ステートマシンが ARMED にあるときにもう１つのイベントが入るとそのイベントは破棄される。FALL 時に他のイベントが検出されると quickDouble フ

41

ラグが ”1”となる。また、PEAKFIND で他のイベントが入ると pxAdcSampleMax の値が不適切に書き換えられる可能性がある。これらのケースはユーザーアプリケーションによって再計算される。

図 3.10: pixel トリガーにおけるパラメータを表した図

セカンドパルスの検出

MIO の User FPGA ではファーストパルスの探査のみが実行される。User FPGA でファース
トパルス探査を終えたのち、SpaceCard の CPU によってセカンドパルスの検出を行う。
セカンドパルスの検出は、生波形からその平均波形を引いた差分波形を用いて行われる。ここで、adcSample と derivative は波高値 (normalization) と時間のずれの違いを除いて相似であると仮定している。以下に計算式を示す。計算された差分を、それぞれ adcSamplesub (i) と derivativesub (i)42とすると、N∑
lowResPHn
adcSamplesub (i) = adcSample(i) −adcSmapleavg (i − ∆in )(3.4)
lowResPHavg

derivativesub (i) = derivative(i) −

n=1
N
∑

n=1

derivMaxnderivativeavg (i − ∆in ) (3.5)
lderivMaxavg

ここで、adcSample(i) と derivative(i) は、生波形の adcSample と derivative であり、lowResPHnと derivMaxn は n 番目の波形の lowResPH と derivMax、さらに、lowResPHavg と lderivMaxavg
は平均波形の lowResPH と derivMax から得られる。N は処理するイベントの番号で、∆in は

n 番目のイベントの time shift である。time shift は derivative の最大値が生波形とテンプレー
トの間で同じになるように決定される。
上記の計算と共に、derivativesub (i) の監視が行われ、その値がしきい値 (pxPluseThres) をこえた時にセカンドパルスとして検出される。セカンドパルス探査に用いられるパラメータを図3.11 に示す。
前のイベントの derivative の最大値から second trig gap len で決まる sample までの間 (黄色の範囲)、セカンドパルスの探査は実行されない。second trig gap len+1 から second trig use lenの sample 数までの間 (緑色の範囲) で、derivativesub (i) が pxPluseThres をこえたときセカン
ドパルスとして検出される。

3.5.3

グレード付けすべての pixel イベントは、隣の波形との時間差によって決まる、High, Medium, Low と pri-mary, secondary の組み合せでグレード付けされる。したがって、グレードは良いものから順に、
High primary (Hp) , Medium-primary (Mp), Medium-secondary (Ms), Low-primary (Lp), Lowsecondary (Ls) となる。HR は検出された時刻から、( TMPL LEN [S|L]H − PreTrigPnts[S|L]H) で決まる sample 数の間に他の光子が入射しないイベントとして定義される。TMPL LEN [S|L]Hと PreTrigPnts[S|L]H はそれぞれ、Hp イベントのテンプレートの全長さと、前の波形までの長さを表し、共に Short と Long の２つの長さを持つ。（表 3.8）。MR は検出された時刻から

TMPL LEN [S|L]M − PreTrigPnts[S|L]M で決まる sample の間に他の光子が入射しないイベントである。TMPL LEN [S|L]M と PreTrigPnts[S|L]M についても同様に、それぞれ、

Mp イベントのテンプレートの全長さと、前の波形までの長さを表す。それ以外のイベントは LRとして記録される。グレード付けの定義を図 3.12 に示す。
それぞれのグレード付けの比率は、入射 X 線光子のカウントレート (counts / s ) によって決められる。イベントのカウントレートが増えると、それに伴い Hp や Mp のイベント数は減少する。

43

図 3.11: セカンドパルス検出におけるパラメータを表した図

44

イベントのカウントレートとグレード分岐比の関係式以は以下のように表せる。

Hp : exp(−2ν∆tHR )(3.6)

Mp : exp(−ν∆tHR ){exp(−ν∆tMR ) − exp(−ν∆tHR )}(3.7)

Ms : exp(−ν∆tMR ){exp(−ν∆tMR ) − exp(−ν∆tHR )}(3.8)

Lp : exp(−ν∆tHR ){1 − exp(−ν∆tMR )}(3.9)

Ls : {1 − exp(−ν∆tMR )}{1 + exp(−ν∆tMR ) − exp(−ν∆tHR )}(3.10)

ここで、∆tHp と∆tHp は、それぞれ TMPL LEN [S|L]H と TMPL LEN [S|L]M を時間に変換した値である。図 3.13 に上記の関係式をもとにプロットした、カウントレートとグレード分岐比のグラフを載せる。

図 3.12: グレード付けの定義

表 3.8: テンプレート長さのサンプル数。
長さ1

TMPL LEN [X]H TMPL LEN [X]M PreTrigPnts [X]H PreTrigPnts [X]MShort(X=S)1

1024
2048

Long (X=L)
a
b

256
512

150
300

37
75

1sample は 80 µs (12.5 kHz) か 64 µs (15.625 kHz) の時間長さを持つ。
デフォルトは Short。

3.5.4

波高値解析

PSP は 2.1.3 で述べた最適フィルタリング処理を用いて、入射 X 線光子のエネルギーを PHAとして保存する。その計算は User Application によって行われる。それぞれのグレードごとの計算式を以下に示す。

45

図 3.13: カウントレートとグレード付けの関係図。12.5 kHz でテンプレート長さが Short の時のプロットを表す。

Hp, Mp, Ms イベント
PHA はテンプレート adcSample の cross-correlation によって計算される。cross-correlation とは、−8 ≥ j ≥ 7 の間で、テンプレートに対して生波形をシフトし、PHA の最大値の時の j を見つける方法である。

PHA(j ) =template∑ len−1

template(i ) × adcSmaple(i + j )(3.11)i=0

ここで、template len はテンプレート長である。

j が決定されると、PHApeak と time vernier は以下に示す計算式で、サンプリングクロックの1/16 の分解能で計算される。
()
1{PHA(j + 1) − PHA(j − 1)}2
PHApeak = PHA(j ) +8 2PHA(j ) − PHA(j + 1) − PHA(j − 1)()
1
PHA(j + 1) − PHA(j − 1)time vernier =2 2PHA(j ) − PHA(j + 1) − PHA(j − 1)

(3.12)(3.13)

Lp, Ls イベント
Lp, Ls グレードのイベントの場合は、PHA は low-resolution PH と同じ値をとり、time vernierは 0 とする。

46

第 4 章 FM-PSP–FM-XBox 接続試験

4.1

目的

PSP はこれまでに、性能実証モデル (Engineering model : EM) を用いた試験をすべて完了し、FPGA の仕様を確定した。2014 年現在は、衛星搭載モデル (Flight model : FM) の製作を終え、その単体試験を行っている。また、XBox と XCS も NASA/GSFC による FM 製作の段階を終え、単体試験が進められている。単体試験で動作の確認をしたのち、それぞれの機器が正常に通信を行えるかを、実際に両機器を接続して確かめる試験を行う。
本章では、2013 年 8 月 5 日–9 日に NASA/GSFC で行った、FM 品を用いては今回初めてとな
る、XBox と PSP の接続試験の結果について報告する。本試験では、XBox と PSP の間に流れる
すべての信号についての測定を行い、その信号特性が要求値を満たすことを確かめ、試験に使用した FM 候補 User FPGA が要求通りの性能を持つことを実証する。

4.2

試験機材

4.2.1

PSP-A/B

本試験では、FM-XBox との接続試験のために、FM 候補の User FPGA バージョンを搭載した PSP-B と、これまでの試験で性能実証を終えた User FPGA バージョンを搭載した PSP-A 系
を用いて試験を行った。また、PSP の電源供給には SXS-DIST の代わりとして、直流安定化電源（型番：MatsusadaP4K-80M）を使用した。PSP-A/B の外観と、それぞれのボード構成を以下に
示す。

Board

Name

VersionMIO-A

User FPGASpaceWire FPGACPU IF FPGA
User アプリケーション
CPU IF FPGA
User アプリケーション

0x0102 0416
0x0102 020A
0x0102 010D
1307230x0102 010D
130723

SpaceCard-A0
SpaceCard-A1

図 4.1: PSP-A の外観

図 4.2: PSP-A の構造と、FPGA およびアプリケーションバージョン47

BoardName

VersionMIO-A

User FPGASpaceWire FPGACPU IF FPGA
User アプリケーション
CPU IF FPGA
User アプリケーション

0x0102 0419 (最新)
0x0102 020A
0x0102 010B
1307230x0102 0105
130202

SpaceCard-A0
SpaceCard-A1

図 4.3: PSP-B の外観

4.2.2

図 4.4: PSP-B の構造と、FPGA およびアプリケーションバージョン

XBox-A/B

NASA/GSFC によって準備された FM-XBox は、XBox-A/B の 2 系統のボードを内蔵する構造になっており、それぞれのボードで全 36 pixel を処理することができる。FM-XBox の外観を図

4.5 に載せる。今回、センサーデータ入力端子には端子間を短絡させるコネクタを接続した。また、センサーバイアスなどの出力はすべてオープンとした。また、XBox への電源供給には GSFCが用意した直流安定化電源を使用した。

図 4.5: FM-XBox の外観。端子の配置と対応は、左列の上から、PSP-A との接続（本試験ではオープン）、XBox-A の pixel[0]-[8]（本試験ではショート）、XBox-A の pixel[9]-[17]（本試験ではショート）、XBox-A の電源、XBox-A/B 共通の GND、PSP-B との接続（本試験ではオープン）、
XBox-B の pixel[0]-[8]（本試験ではショート）、XBox-B の pixel[9]-[17]（本試験ではショート）

XDS-DIO #1/2
XDS-DIO (XBox Digital Simulator for Digital I/O Board) は XBox を模擬した装置で、波形データや機器の状態情報の送出機能を持つ。波形データは内部の SDRAM にあらかじめ書き込ん48

でおき、LVDS を通して送出する。ハードウェアとして、シマフジ電機製の DIO ボードを使用することを想定している。本試験では、ﬁrmware バージョン XDSDIO 20130624c.msc を使用した。

図 4.6: XDS-DIO の外観。

4.2.3

SMU sim light

SMU sim light とは、衛星管理装置 SMU (Satellite Management Unit) を模擬した装置である。
地上系から送られてくるコマンドを解釈し、SpaceWire Router を通して PSP へ送信する機能を持つ。

図 4.7: SMU sim light の外観。

4.2.4

SpW-GbE

SpW-GbE (SpaceWire-to-GigabitEther) は、シマフジ電機により開発された SpaceWire とTCP/IP の変換を行う機器である。この機器により、ユーザーが PC 上で SpaceWire パケットの49

送受信を行うことができる。また、リンク速度は 10.4―125 Mbps の間で変えることができる。

図 4.8: SpW-GbE の外観。

4.2.5

GSTOS 用 PC

GSTOS (Generic Spacecraft Test and Operations Software) は人工衛星の試験と運用に使用される汎用のソフトウェア群で、SIB2 (Spacecraft Information Base version2) と呼ばれる、衛星に関する情報を格納したデータベースに基づいて動作し、衛星の状態監視や制御を行う。

4.3

搬入後動作試験

4.3.1

セットアップ

まず、本試験において基準となる GND (factory GND) と以下の測定点との電圧を測定した。

• テーブルタップの return & hot• 直流安定化電源の return & hot• PSP-A/B のフレーム GND
電圧測定の結果を表 4.1 に示す。
電源電圧の確認後、XDS-DIO #1/2 を用いて波形データを PSP へと入力し、PSP が GSFC への搬入後に正常に動作するかを試験した。試験の様子を図 4.9 に載せる。本試験では、SpaceCard-

A0/B0 の FPGA ポートと SpaceCard-A1/B1 の FPGA ポートを接続している。また、リンク状
態を模擬するため、SpaceCard-A1/B1 の FPGA ポート同士を接続した。波形処理は SpaceCard-

A0/B0 でのみ実施する。XDS-DIO #1/2 を用いた搬入後動作試験のネットワーク系統図と GND系統図を図 4.10 と 4.11 に示す。

50

測定点

表 4.1: 電圧測定の結果
項目

機器

テーブルタップ
直流安定化電源

PSP-A
PSP-B
XDS-DIO #1
XDS-DIO #2

フレーム GND

PSP-A
PSP-B

factory GND - return
factory GND - hotfactory GND - return
factory GND - hotfactory GND - return
factory GND - hotfactory GND - return
factory GND - hotfactory GND - return
factory GND - hotfactory GND - フレーム GND
factory GND - フレーム GND

図 4.9: 搬入後動作試験の様子

51

結果0.255 V
121.8 V
0.0 mV44.6 V
0.0 mV44.6 V
0.0 mV
4.97 V
0.0 mV
4.96 V
0.0 V
0.0V

図 4.10: 搬入後動作試験のネットワーク系統図

4.3.2

結果

以上のセットアップで XDS-DIO #1/2 と PSP-A/B の接続試験をおこなった。その結果、XBox
からのデータ送信によるエラーがでていないことを確認した。また、3.4.1 節で述べた条件によってカウントアップされる、sciLenErrCnt, sciCntErrCnt, parityErrCnt のそれぞれのエラー
で値が増えていないことを確認し、PSP によるデータ受信が正常に行われていることを確かめた。

4.4

PSP-A/B–XBox-A/B 間の信号試験

続いて、FM-XBox と PSP による接続試験を実施した。本試験では、PSP と XBox の間を流れる 9 つの信号線を確認するために、PSP と XBox の間に BoB (Breakout Box) を挿入して信号波形をオシロスコープで測定し、その測定値が要求値を満たしているかを検証する。なお、今回の試験は FM 品を用いては初の SXS 波形処理系の接続試験となる。

4.4.1

セットアップ

本試験でも搬入後動作試験と同様、波形処理は SpaceCard-A0/B0 でのみ実施する。PSP-A–

XBox-A 間は、XBox コネクター側に 25pin BoB #1、 PSP-B–XBox-B 間は、XBox コネクター52

図 4.11: 搬入後動作試験の GND 系統図

53

側に 50pin BoB #2 を接続した。PSP-A/B と FM-XBox の接続試験のネットワーク系統図、GND
系統図を図 4.12 と図 4.13 に示す。

PSP–XBox 間の通信にはノイズ対策のため LVDS 通信が使われている。そのため、各信号線を測定するには（+）の信号と（−）の信号についての測定を行う必要がある。そこで本試験では 4ch オシロスコープを用いて、BoB で取り出した 2 本の信号線の（+）信号を ch1（黄）と ch3（青）に、（−）信号を ch2（緑）と ch4（赤）にそれぞれ入力し、ch1 と ch2 の差分をピンク色で表示した。ここで、オシロスコープの GND は factory GND に落とした。オシロスコープのキャ
プチャー画像で、GND はそれぞれのチャンネルの色に対応した矢印で表されている。

図 4.12: PSP-XBox 接続試験のネットワーク系統図

4.4.2

結果

本測定は、A 系と B 系の間に接続された BoB #1/2 を用いて、A/B 両系の各信号線に対して行った。また、両系の測定において XBox のデータサンプリングレートを決める SMP CLK が12.5 kHz と 15.625 kHz の 2 つの状態についての測定も実施した。なお、信号試験の合否判定については以下の表 4.2 に従い、各信号での測定値が表の要求を満たすとき合格とする。表において、N/A と示した項目は要求値として適切な値が設定できないため本測定では合否判定を行わな

54

図 4.13: PSP-XBox 接続試験試験の GND 系統図

いこととする。以降に、それぞれの信号線についての測定結果をまとめる。

BASE CLK, TLM CLK
まず、BASE CLK と TLM CLK について測定を行った。BASE CLK は PSP の動作の基準となるクロックであり、5 MHz のクロック信号として XBox へと出力される。一方で、TLM CLK
は XBox の基準となるクロックであり、PSP からの BASE CLK と同期した信号として PSP へと返送される。本試験では、BASE CLK と TLM CLK の電圧値と周波数を測定し、要求値通りの信号を送信しているかを調べた。また、XBox による TLM CLK と BASE CLK との同期が正常に行われているかの確認を行った。
本試験で得られた BASE CLK と TLM CLK のオシロスコープでのキャプチャー画像を載せる（図 4.14）。オシロスコープの測定結果から、信号電圧レベルと信号の立ち上がりの間での遅延時間を調べた。その結果を表 4.3 と表 4.4 に示す。以上の測定結果から、BASE CLK と TLM CLK
は共に 5 MHz の周波数のクロック信号を出力しており、V high と V low の差分で決まる LVDS
信号の電圧値が設計値である 300 mV になっていることが確認できた。また、BASE CLK に対す
る TLM CLK 遅延時間を見てみると、A 系の SMP CLK が 12.5 kHz と 15.625 kHz の時でどちらも 28 ns、B 系は SMP CLK が 12.5 KHz と 15.625kHz の時でどちらも 32 ns となり、要求値を満たす結果となった。

55

表 4.2: PSP–XBox 間信号試験の要求値の表。V low (V) と V high (V) はそれぞれ電圧の最大値と最小値を表す。
（電圧レベルと周波数）
信号名

V low (V)V high (V)

周波数 (kHz)BASE CLK+
BASE CLKSMP CLK+SMP CLKCMD ENA+
CMD ENACMD DAT+CMD DATTLM CLK+TLM CLKSCI ENA+SCI ENASCI DAT+SCI DATHK ENA+HK ENAHK DAT+HK DAT-

0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30
0.77–1.30

1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60
1.16–1.60

5000
5000
12.5
12.5
N/A
N/A
N/A
N/A
5000
5000
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

（遅延時間）
From

To

遅延時間

BASE CLKSMP CLK
CMD ENATLM CLKSCI ENAHK ENA< 50 ns
19.6 < t < 20.16 µs
43 ms

56

PSP-A–XBox-A 間の信号画像。左が 12.5 kHz、右が 15.625 kHz の SMP CLK での測定。

PSP-B–XBox-B 間の信号画像。左が 12.5 kHz、右が 15.625 kHz の SMP CLK での測定。
図 4.14: PSP–XBox 間の BASE CLK と TLM CLK の測定結果。黄＆緑：BASE CLK、青＆赤：TLM CLK、ピンク：BASE CLK の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は 50 ns/1 目盛りに設定している。

57

表 4.3: TLM CLK と BASE CLK の電圧レベルと周波数の測定結果

信号名

V low (V)
要求値
測定値

合否

（A 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
合格 1.16–1.60
BASE CLK+ 0.77–1.30 1.1
BASE CLK- 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60（A 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
BASE CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
BASE CLK- 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60（B 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
合格 1.16–1.60
BASE CLK+ 0.77–1.30 1.1
BASE CLK- 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60（B 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
BASE CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
BASE CLK- 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
TLM CLK0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60

試験系

A系
B系

合否

周波数 (kHz)
要求値 測定値

合否

1.4
1.4
1.5
1.5

合格
合格
合格
合格

5000
5000
5000
5000

5000
5000
5000
5000

合格
合格
合格
合格

1.4
1.4
1.4
1.4

合格
合格
合格
合格

5000
5000
5000
5000

5000
5000
5000
5000

合格
合格
合格
合格

1.4
1.4
1.5
1.5

合格
合格
合格
合格

5000
5000
5000
5000

5000
5000
5000
5000

合格
合格
合格
合格

1.5
1.5
1.5
1.5

合格
合格
合格
合格

5000
5000
5000
5000

5000
5000
5000
5000

合格
合格
合格
合格

V high (V)
要求値
測定値

表 4.4: BASE CLK に対する TLM CLK の遅延時間の測定結果
遅延時間
SMP CLK 周波数 (kHz) From
To
要求値
測定値

12.5
15.625
12.5
15.625

BASE CLK
BASE CLK
BASE CLK
BASE CLK58

TLM CLKTLM CLKTLM CLKTLM CLK< 50 ns< 50 ns< 50 ns< 50 ns

28 ns
28 ns
32 ns
32 ns

合否
合格
合格
合格
合格

SMP CLK, SCI ENA, SCI DAT
続いて、PSP から送信された SMP CLK と、XBox からの SCI ENA と SCI DAT についての測定を行った。SMP CLK は PSP から XBox へと送信されるクロックで、XBox での波形データのサンプリングレート（12.5 kHz か 15.625 kHz）を決める信号である。SCI ENA と SCI DATは SMP CLK の周波数で XBox から送信される、波形データとその波形データの長さを決める信号である。
本試験で得られた SMP CLK と SCI ENA のオシロスコープでのキャプチャー画像を載せる（図4.15）。オシロスコープでの測定結果から、それぞれの信号における電圧レベルと SMP CLK に対する SCI ENA の遅延時間を測定した。以上の測定結果から、両信号において電圧レベルおよび周波数の値が要求値を満たすことが確認できた。また、SMP CLK の立ち上がりから SCI ENAの立ち上がりまでの遅延時間は約 20 µs であった。これは XBox の仕様で決められている値と一致する値である。表 4.5 と表 4.6 にそれぞれの信号についての測定結果を示す。
次に、SCI DAT についての測定を行った。本試験ではセンサーから XBox への入力端子をショートさせて得られた波形データ（すなわち微小な揺らぎ波形）を PSP へと送信している。本測定では PSP で受信した SCI DAT の電圧値の測定を行った。図 4.16 に BASE CLK と SCI DAT のオ
シロスコープでのキャプチャー画像を載せる。オシロスコープでの測定結果から、SCI DAT の電圧レベルが要求値を満たすことが確認できた。

59

PSP-A–XBox-A 間の信号画像。左が 12.5 kHz、右が 15.625 kHz の SMP CLK での測定。

PSP-B–XBox-B 間の信号画像。左が 12.5 kHz、右が 15.625 kHz の SMP CLK での測定。
図 4.15: PSP–XBox 間の SMP CLK と SCI ENA の測定結果。黄＆緑：SMP CLK、青＆赤：SCI ENA、ピンク：SMP CLK の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸
は左下が 5 µs/1 目盛り、それ以外は 20 µs/1 目盛りに設定している。

60

表 4.5: SMP CLK と SCI ENA の電圧レベルと周波数の測定結果

V low (V)
要求値
測定値

信号名

合否

合否

周波数 (kHz)
要求値 測定値

合否

1.4
1.4
1.4
1.4

合格
合格
合格
合格

12.5
12.5
N/A
N/A

12.5
12.5
N/A
N/A

合格
合格
N/A
N/A

1.4
1.4
1.4
1.4

合格
合格
合格
合格

15.62515.625
N/A
N/A

15.62515.625
N/A
N/A

合格
合格
N/A
N/A

1.4
1.4
1.4
1.4

合格
合格
合格
合格

12.5
12.5
N/A
N/A

12.5
12.5
N/A
N/A

合格
合格
N/A
N/A

1.5
1.5
1.5
1.5

合格
合格
合格
合格

15.62515.625
N/A
N/A

15.62515.625
N/A
N/A

合格
合格
N/A
N/A

V high (V)
要求値
測定値（A 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
SMP CLK+ 0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
SMP CLK0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
SCI ENA+
0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
SCI ENA（A 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
SMP CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SMP CLK0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI ENA+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI ENA（B 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
SMP CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SMP CLK0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI ENA+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI ENA0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60（B 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
SMP CLK+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SMP CLK0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI ENA+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI ENA0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60

表 4.6: SMP CLK に対する SCI ENA の遅延時間の測定結果

試験系

SMP CLK 周波数 (kHz)

遅延時間
From

To

要求値

測定値

合否

A系

12.5
15.625
12.5
15.625

BASE CLK
BASE CLK
BASE CLK
BASE CLKTLM CLKTLM CLKTLM CLKTLM CLK

19.6 < t < 20.16µs
19.6 < t < 20.16µs
19.6 < t < 20.16µs
19.6 < t < 20.16µs

20 µ s20 µ s20 µ s20 µ s

合格
合格

B系

61

合格
合格

PSP-A–XBox-A 間の信号画像。左が 12.5 kHz、右が 15.625 kHz の TLM CLK での測定。

PSP-B–XBox-B 間の信号画像。左が 12.5 kHz、右が 15.625 kHz の TLM CLK での測定。
図 4.16: PSP–XBox 間の SCI DAT の測定結果。黄＆緑：TLM CLK、青＆赤：SCI DAT、ピンク：SCI DAT の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500 mV/1 目盛り、横軸は左上が 200 ns/1
目盛り、それ以外は 50 ns/1 目盛りに設定している。

62

表 4.7: SCI DAT の電圧レベルと周波数の測定結果

信号名

V low (V)
要求値
測定値

合否

合否

周波数 (kHz)
要求値 測定値

合否

1.4
1.4

合格
合格

N/A
N/A

N/A
N/A

N/A
N/A

1.4
1.4

合格
合格

N/A
N/A

N/A
N/A

N/A
N/A

1.4
1.4

合格
合格

N/A
N/A

N/A
N/A

N/A
N/A

1.5
1.5

合格
合格

N/A
N/A

N/A
N/A

N/A
N/A

V high (V)
要求値
測定値（A 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
SCI DAT+
0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
SCI DAT0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60（A 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
SCI DAT+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI DAT（B 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
SCI DAT+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI DAT0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60（B 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
SCI DAT+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
SCI DAT0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60

63

CMD ENA, CMD DAT, HK ENA, HK DAT
続いて、CMD ENA と CMD DAT、さらに HK ENA, HK DAT についての測定を行った。PSPから Send HK All コマンドを送信し、その時の CMD ENA と CMD DAT の信号波形と、XBoxから返送される HK ENA と HK DAT をオシロスコープで測定した。Send HK All コマンドとは、XBox の全ての HK 情報の送信を要求するコマンドである。
本試験で得られた CMD ENA, CMD DAT, HK ENA, HK DAT の測定のうち、SMP CLK が12.5 kHz の時の測定についての波形画像を載せる（図 4.17, 図 4.18, 図 4.19, 図 4.20）。オシロス
コープでの測定結果から、それぞれの信号における電圧レベルを調べたところ、全ての信号で要求値を満たす結果となった。その結果を表 4.8 に載せる。
次に、PSP が Send HK All コマンドを送信してから、PSP へ HK が帰ってくるまでの時間を測定した。オシロスコープで確認した波形画像のうち、SMP CLK が 12.5 kHz の時の波形画像を
図 4.21 に載せる。オシロスコープで、PSP のコマンド送信が終了して CMD ENA が立ち上がった瞬間の時間から、XBox が HK 送信を終了し HK ENA が立ち上がるまでの時間を測定したところ、A 系 B 系の両方で遅延時間は 42 ms となり、要求値を満たす結果となった。表 4.8 と表 4.11にそれぞれの信号での電圧値と遅延時間についての測定結果を示す。
以上の結果から、PSP と XBox の間を流れる 9 本の信号全てが要求を満たすことが確認できた。
これにより、PSP と XBox 間の通信が正常に行われていることが実証できた。

図 4.17: PSP–XBox 間の CMD ENA の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：CMD ENA、ピンク：CMD ENA の差分を表す。オシロスコープの縦軸
は 500 mV/1 目盛り、横軸は左が 100 ns/1 目盛り、それ以外は 50 ns/1 目盛りに設定している。

64

図 4.18: PSP–XBox 間の CMD DAT の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：CMD DAT、ピンク：CMD DAT の差分を表す。オシロスコープの縦軸は500 mV/1 目盛り、横軸は 50 ns/1 目盛りに設定している。

図 4.19: PSP–XBox 間の HK ENA の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：HK ENA、ピンク：HK ENA の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500
mV/1 目盛り、横軸は左が 100 ns/1 目盛りで、右が 50 ns/1 目盛りに設定している。

図 4.20: PSP–XBox 間の HK DAT の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：HK DAT、ピンク：HK DAT の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500
mV/1 目盛り、横軸は左が 100 ns/1 目盛りで、右が 50 ns/1 目盛りに設定している。

65

表 4.8: CMD ENA, CMD DAT, HK ENA, HK DAT の電圧レベルと周波数の測定結果

信号名

V low (V)
要求値
測定値

合否

合否

周波数 (kHz)
要求値 測定値

合否

1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4

合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4
1.4

合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

1.4
1.4
1.5
1.5
1.4
1.4
1.3
1.3

合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5

合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格
合格

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A
N/A

V high (V)
要求値
測定値（A 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
CMD ENA+ 0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
CMD ENA0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
CMD DAT+ 0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
CMD DAT0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
HK ENA+
0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
HK ENA0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
HK DAT+
0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60
HK DAT0.77–1.30 1.0
合格 1.16–1.60（A 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
CMD ENA+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
CMD ENACMD DAT+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
CMD DAT0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK ENA+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK ENA0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK DAT+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK DAT0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60（B 系の SMP CLK が 12.5 kHz のとき）
CMD ENA+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
CMD ENA0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
CMD DAT+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
CMD DAT0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK ENA+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK ENA0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK DAT+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK DAT0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60（B 系の SMP CLK が 15.625 kHz のとき）
CMD ENA+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
CMD ENACMD DAT+ 0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
CMD DATHK ENA+
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK ENA0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60
HK DAT+HK DAT0.77–1.30 1.1
合格 1.16–1.60

66

図 4.21: PSP–XBox 間の HK DAT の信号画像。左が A 系で右が B 系での測定結果。黄＆緑：
BASE CLK、青＆赤：HK DAT、ピンク：HK DAT の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500
mV/1 目盛り、横軸は左が 20 ms/1 目盛りで、右が 10 ms/1 目盛りに設定している。

試験系

A系
B系

表 4.9: CMD ENA に対する HK ENA の遅延時間の測定結果
遅延時間
SMP CLK 周波数 (kHz) FromTo
要求値 測定値

12.5
15.625
12.5
15.625CMD ENA
CMD ENA
CMD ENA
CMD ENA67

HK ENAHK ENAHK ENAHK ENA

43 ms
43 ms
43 ms
43 ms

42 ms
42 ms
42 ms
42 ms

合否
合格
合格
合格
合格

4.5

MIO-A–MIO-B 間の信号試験

次に、PSP-A の MIO-A と PSP-B の MIO-B のそれぞれで BASE CLK を測定し、MASTER とSLAVE 間でどのくらい BASE CLK 信号が遅延するかを調べた。本試験では、MIO-A と MIO-B
で搭載する User FPGA のバージョンが異なるために、どちらを MASTER にするかで信号の遅延時間が変化する。以下に、PSP-A/B をそれぞれ MASTER にしたときの BASE CLK の遅延時間に対する要求値をまとめた。MHI による本試験では表 4.10 をもとに合否の判定を行う。なお
本試験では、遅延時間の要求値として、MIH によって行われた、0x0102 0416 と 0x0102 0419 のそれぞれの MIO バージョンでの BASE CLK と SYNC BASE の遅延時間測定結果の値を用いている。
オシロスコープで測定した MIO-A/B 間の BASE CLK の波形画像が図 4.22 である。MASTER
側の BASE CLK の立ち上がりから SLAVE 側の BASE CLK の立ち上がりまでの時間を測定すると、A 系が MASTER の時は 32 ns、B 系が MASTER の時は 17 ns となった。これは要求値を満たす値である。したがって、MIO-A/B 間での BASE CLK の同期が正常に行われていることが確認できた。
以上の試験により、本試験で使用した FM 候補の User FPGA が要求通りの性能を実証することが確認できた。これにより、本試験で使用した FM 候補の User FPGA を FM-User FPGA として確定した。
表 4.10: PSP-A–PSP-B 間の BASE CLK 信号の遅延時間に対する合否判定表

MASTER

From

To

Time (s)

PSP-A
PSP-B

BASE CLK(PSP-A)
BASE CLK(PSP-B)

BASE CLK(PSP-B)
BASE CLK(PSP-A)

5.316 < t < 44.506 ns
6.394 < t < 41.264 ns

表 4.11: BASE CLK (MASTER) に対する BASE CLK (SLAVE) の遅延時間の測定結果

MASTER

遅延時間
From

To

要求値

測定値

合否

PSP-A
PSP-B

BASE CLK (MASTER)
BASE CLK (MASTER)

BASE CLK (SLAVE)
BASE CLK (SLAVE)

5.316 < t < 44.506 ns
6.394 < t < 41.264 ns

32 ns
17 ns

合格
合格

68

図 4.22: MIO-A/B 間の BASE CLK 信号の画像。左が A 系を MASTE としたときで、右が B
系を MASTER としたときの測定結果。黄＆緑：BASE CLK (MASTER)、青＆赤：BASE CLK(SLAVE)、ピンク：BASE CLK (SLAVE) の差分を表す。オシロスコープの縦軸は 500 mV/1 目
盛り、横軸は 50 ns/1 目盛りに設定している。

69

第 5 章 FM センサーデータを用いた性能評価試験

5.1

目的

4 章の PSP と XBox を用いた接続試験で、PSP–XBox 間のすべての信号について、信号レベル
および信号特性についての要求を満たし、PSP が XBox からの波形データを正常に受信できていることを確認した。本章では、NASA/GSFC による FM-XCS と FM-XBox の接続試験で取得された波形データを PSP の実機で処理させ、その出力結果が SXS の性能要求 SSR-01 を満たすことを確認する。また、本試験と事前試験として、NASA/GSFC によって実施された PSP シミュ
レーターを用いた解析結果と比較を行い、PSP 実機の性能が CR-P07 のノイズバジェットの要求を満たすかを検証した。

5.2

セットアップ

本試験では、PSP へ入力する波形データとして、2013 年 8 月に実施された、FM-XCS と FM-

XBox を用いた NASA/GSFC による事前試験で取得されたデータ（以降、FM センサーデータとする）を用いた。事前試験では、55 Fe の較正線源を使用し、0.6 counts/s/pixel のカウントレー
トで 39 時間照射する試験を行った。本試験では、FM センサーデータを XBox シミュレーター

XBox Digital Simulator version2 (XDSv2) を使用して PSP へと入力し、その処理結果について解析を行った。また、NASA/GSFC 所有の PSP のデジタル処理アルゴリズムを模擬した PSP シ
ミュレーターによって事前解析を行った。本試験での波形データの流れを図 5.1 に示す。

XDSv2 は NASA/GSFC によって開発された、XBox からのデジタル信号波形出力を模擬する機器である。XBox-A, XBox-B の 2 系統を 1 つの筐体に納めることで、全 pixel の波形データ出力を可能にする。また、XDSv2 はストリーミング機能を有し、専用のソフトウェアを内蔵した PCと USB 接続することで、任意の波形データを出力することができる。本試験では FM センサー
データを出力させている。
本試験では、XDSv2 から出力される FM センサーデータ（全 39 時間分）のうちの約 30 分間のデータを PSP へと入力し、A 系のみを使用し、pixel 00〜pixel 17 までの 18 pixel 分のデータを処理した結果について解析を行った。また、サンプリングクロックは 12.5 kHz としている。本試験で用いる PSP の User FPGA , SpaceWire FPGA, CPU IF FPGA バージョンは、FM-XBoxとの接続試験において、FM 品として仕様が確定されたものと同等のバージョンを使用した。以下に、本試験における PSP の構造を表 5.1 に載せる。

70

図 5.1: FM センサーデータを用いた性能評価試験における波形データの流れ

図 5.2: XDSv2 の外観

71

表 5.1: PSP の構造とバージョン
ボード名
FPGA 名バージョン

MIO-A
SpaceCard-A0
SpaceCard-A1

5.3

User FPGASpaceWire FPGACPU IF FPGA
User Apllication
CPU IF FPGA
User Apllication

0x0102 0419
0x0102 020A
0x0102 010D
130910-0b
0x0102 010D
130910-0b

デジタル波形処理性能の評価試験3 章で述べたように、PSP のデジタル波形処理は全 pixel で独立に実行されるため、pixel ごとに個性をもつことになる。本章では、まず、各 pixel ごとの処理結果について解析し、すべてのpixel で正常な処理が行われているかを調べた。その後、全 pixel 足し合わせたデータについての解析を行い、PSP のデジタル波形処理性能の評価を行った。本章では、pixel ごとの解析結果として特にイベント統計の良かった pixel 12 のデータについてのみ記載した。他の pixel についての解析結果は付録 A を参照してほしい。

5.3.1

グレード付けの評価

全 pixel での各グレート毎のイベント数とグレード分岐比を図 5.3 と図 5.4 に示す。ここでのグ
レード付けは 3.5.3 で述べた方法によって決定されている。較正用である pixel 12 だけが異なる
グレード分岐比を示しているが、pixel 12 には Fe の較正線源が常時照射されているためカウント
レートが他の pixel に比べて多くなり、それに伴い重畳イベントが発生する割合も増加するためであると考えられる。以降では pixe 12 を除く pixel についてグレード分岐比の解析を行った。
まず、本試験のカウントレートでの Hp と Mp のイベント比を理論式から求める。NASA/GSFCの事前試験で、FM センサーデータの X 線光子のカウントレートは 0.6 counts/s/pixel と分かっており、本試験では、サンプリングクロックと 12.5 kHz、Hp イベントと Mp イベントのテンプ
レート長さはそれぞれ Short を使用している。したがって以上の条件から、較正用 pixel を除いた
全 pixel について、(3.6) 式 (3.7) 式を用いて Hp と Mp のグレード分岐比をそれぞれ求めると、
nocal
RHp
= exp(−2 × 0.6 × 1025 × 80) = 0.90637
nocal
RMp
= exp(−0.6 × 1024 × 80){exp(−0.6 × 256 × 80) − exp(−0.6 × 1024 × 80} = 0.033152
nocal とすると、理論曲線からとなる。したがって、Hp イベントに対する Mp イベントの比を RHp/Mp

求まる比は
nocal
RHp/Mp
≡

nocal
RHp
nocal
RMp

=

0.90637= 27.340
0.033152

72

(5.1)

となる。
一方、図 5.3 から、較正用 pixel を除いた全 pixel について、Hp イベントの個数 Nnocal
Hp における Mp イベントの個数 Nnocal
Mp の比率を求めると、
nocal
RHp/Mp(SU) ≡

Nnocal
Hp
NnocalMp= 25.130 ± 4.0613(5.2)となる。ここでエラーは 1σ エラーを表している。以上から、PSP 実機による処理結果での Hp に対する Mp のグレード比は 25.130 ± 4.0613 となり、一方で、PSP のグレード付けにおける理論
式から計算されたグレード比は 27.340 と求まった。これは 1σ エラーの範囲で一致する結果とな
り、したがって、PSP 実機によるグレード付けが正常に行われていることが実証できた。

図 5.3: 各グレードのイベント数の比較

5.3.2

loResPH スペクトル解析

まず初めに、PSP の User FPGA で計算される lowResPH のスペクトル解析を行った。pixel

12 でトリガーされたすべてのイベントでの loResPH ヒストグラムを図 5.5 に示す。使用データの情報から波形データには Mn-Kα と Mn-Kβ の特性 X 線が含まれていることが分かっている。輝
線のエネルギーと loResPH の値から、pixel 12 では loResPH 値が 2800 chan 付近にある輝線がMn-Kα 線で、3000 chan 付近にある輝線が Mn-Kβ の輝線であると推測できる。
次に、波高値情報である lowResPH 値を入射 X 線光子のエネルギー値に変換するために以下の処理を行った。

73

図 5.4: 各 pixel ごとのグレード分岐比

表 5.2: 特性 X 線とエネルギー
特性 X 線 エネルギー (eV)

Mn-Kα
Mn-Kβ

5894.26490.474

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

6000
5000

count

4000
3000
2000
1000
0

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)8000

図 5.5: pixel 12 の全トリガーイベントにおける loResPH ヒストグラム。
理論上、カロリメータの波高値は入射 X 線光子のエネルギーに対して線形の関係を持つ。そのため、入射 X 線光子のエネルギー E は、loResPH の値から

loResPH = a E(5.3)という相関関数を用いて算出できる。式 5.3 の関係から、Mn-Kα 線のエネルギーの値と Mn-Kα線に対応する loResPH の値を使用して a の値を求め、loResPH 値をエネルギーの値に変換した。
さらに、得られたエネルギースペクトルから、Mn-Kα 線について、ガウス関数でのフィッティン
グを行い、pixel 12 での loResPH によるエネルギー分解能を求めた（図 5.6 左）。本試験では、エ
ネルギー分解能の指標として、関数の広がりの程度を表す際に使用される、半値全幅 full widthat half maximum (FWHM) を用いた。FWHM は、分布が正規分布で与えられるとき、標準偏差を σ として、√
FWHM = 2 ln2 σ ' 2.3548 σ(5.4)という式で求められる。この計算式を用いて pixel 12 についてのエネルギー分解能を計算すると、22.6 eV と求まった。同様にして、全 18 pixel について loResPH のエネルギー変換を行い、ガウ
シアンでフィットしてエネルギー分解能を計算すると、20.7 ± 0.29 eV となった（図 5.6 右）。これは、SXS への性能要求である SSR-01 の要求値を満たしていないため、最適フィルタ処理によって求まった波高値を使用して評価をする必要がある。

75

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_allpx_loresph/fit-hist-ka12-kb-lorenz

3000
1000
2500

FWHM=22.6 eV

2000

600

1500

400

1000

200

0

FWHM=20.7 ± 0.29 eV

count

count

800

500

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

5880

5900
Energy (eV)5920

図 5.6: loResPH をエネルギーに変換して得られた Mn-Kα 線のエネルギースペクトルと、ガウシ
アンフィット結果。左が pixel 12 で、右が全 pixel でのヒストグラム。

5.3.3

PHA スペクトル解析

続いて、最適フィルタ処理によって求められた PHA についての解析を行った。まず、pixel 12でトリガーされた全イベントの中から、Hp イベントの PHA を抜き出して Mn-Kα 線に対するヒストグラムをプロットした（図 5.7）。ここで、PHA からエネルギーへの変換は、loResPH の時と同様に、PHA スペクトルの Mn-Kα 線のピークの値を用いて計算した。最適フィルタ処理によって求められた PHA を用いることで、原子の軌道角運動量の違いによる Mn-Kα1, Kα2 の 2 本の輝線を分離できていることが分かる。PHA ヒストグラムについての詳しい解析は 5.3.4 で述べる。

5.3.4

リニアリティー補正

ここまでに行った解析では、エネルギーと PHA が線形関係1 をもつと仮定してエネルギー変換を行っていたが、実際には、入射 X 線光子のエネルギーが高くなると、エネルギーに対するゲイ
ンゆらぎの影響で分解能が劣化することが知られている。PSP は最適フィルタ処理により、入射X 線光子のエネルギーに相当する波形の波高値 (PHA) を高い精度で決定できるが、その後、PHAの値を正しくエネルギー値に変換しなければならない。そこで、エネルギーに対するゲインゆらぎの影響を考慮し、先の解析で得られたエネルギーの値に、2 次以上の関数でエネルギー変換を行うリニアリティー補正を加える。本試験では、リニアリティー補正関数を以下のように求めた。

PHA とエネルギーの関係式として、PHA の Mn-Kα1 と Mn-Kβ のピーク、さらにそれぞれの76

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px12(ver)

600
500

count

400
300
200
100
0

5880

5900
Energy (eV)5920

図 5.7: Mn-Kα 線の Hp イベントでの PHA ヒストグラム。エネルギーが低い方のピークが Kα2線で、エネルギーが高い方が Kα1 線を表している。
ピークに対応するエネルギーの値を用いて、その 2 点を通るような 2 次関数、

PHA = a E 2 + b E(5.5)

を考え、a と b に対してフィッティングを行う。以下にフィッティングによって得られた、pixel 12でのリニアリティー補正関数を載せる（図 5.8）。今回の解析では pixel 12 の Hp イベントについてリニアリティー補正を行っている。
また、全 18 pixel の Hp イベントに対してフィッティングを行い、各 pixel ごとの a,b 値の比較
図を図 5.9 に示す。

1

線形関係とは y = ax + b のような一次関数で与えられる関係のことである77

/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1

8y = -0.017740 x2 + 1.1046 x

7

Pulse Height

6
5
4
3
2
1
0

0

2

4
Energy (keV)68

図 5.8: フィッティングによって求められた、pixel 12 の Hp イベントでのリニアリティー補正関数。

78

図 5.9: リニアリティー補正におけるフィッティングパラメータ a,b の比較。

79

次に、全 pixel に対してリニアリティー補正を施し、Mn-Kα 線のエネルギーヒストグラムをプロットした。各 pixel ごとの Mn-Kα 線のエネルギーヒストグラムを図 5.10 に示す。さらに、それらのヒストグラムを全 pixel について足し合わせて得られたエネルギーヒストグラムを図 5.11に示す。

図 5.10: pixel ごとの、Hp イベントにおける Mn-Kα のエネルギーヒストグラム。

80

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_allpx_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_(pi

3000
2500

count

2000
1500
1000
500
0

5880

5900
Energy (eV)5920

図 5.11: 全 18 pixel での、Hp イベントにおける Mn-Kα のエネルギーヒストグラム。

81

5.3.5エネルギー分解能の計算

本節では、PSP のデジタル波形処理における、光子エネルギーの測定結果を評価するために、
まず、ノイズのエネルギー揺らぎを表すベースライン分解能を計算し、続いて、前節で得られた
全 pixel での Hp イベントのヒストグラムデータを用いて、Mn-Kα 線に対するエネルギー分解能を求めた。さらに、FM センサーデータを用いた NASA/GSFC の実験室系での解析結果との比較を行い、PSP の波形処理が正常に行われているかの評価を行った。

ベースライン分解能
カロリメータのエネルギー分解能は、ベースライン分解能によって制限される。カロリメータ
検出器は、X 線光子が入射していない間でも、温度計や受光素子からの信号読み出し装置によるノイズ揺らぎ受けている。それらのノイズ揺らぎをエネルギーの揺らぎとして表したのがベース
ライン分解能である。そのため波高値測定では、それらのベースライン揺らぎに加えて、入射 X
線光子固有のノイズが含まれることになるため、実際のエネルギー分解能はベースライン分解能に比べて劣化する場合が多い。
本解析では PSP のトリガーデータの内、ベースラインイベントとして処理された全 pixel 分のデータを使用し、PHA の値からエネルギー分解能を求めた。PHA からエネルギーへの変換は、前節で求められたリニアリティー補正関数を用いて行った。図 5.12 が、ベースラインイベントのヒストグラムである。赤線は全 pixel のベースラインイベントヒストグラム、黒線がガウス関数
でのフィッティング結果を表す。この結果からベースライン分解能は 3.5 ± 0.1 eV と求まった。
/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_allpx_bl/fit-hist-ka12-kb-lorenz_(pi

1000

count

800

FWHM=3.5 ± 0.05 eV

600

400

200

0

-20

-10

0
Energy (eV)1020

図 5.12: ベースラインイベントのヒストグラム。赤線は全 pixel でのベースラインヒストグラム、黒線はガウス関数でのフィッティング結果である。

82

Mn-Kα,Kβ 線に対するエネルギー分解能
続いて、PSP のデジタル処理性能の評価を行うために、Mn-Kα 線と Mn-Kβ 線でのエネルギー分解能を求めた。Mn-Kα 線と Mn-Kβ 線についてのフィッティングは、フォークト (Voigt) 関数
を用いて実行される。フォークト関数は、実測のスペクルをフィットするときによく使用される関数で、ガウス関数)(
1(x − µ)2
f (x) = √
exp −
2σ 2
2πσ

(5.6)

とローレンツ関数

g(x) =1β
π β 2 + (x − α)2

(5.7)

の畳み込み

h(z) =∑g(z − n)f (n)

(5.8)

n

で与えられる関数である。式 5.6 で、µ はガウス分布の平均値、σ は分散、式 5.7 で、a はローレンツ分布の平均値、α は半値半幅 half width at half maximum (HWHM) をそれぞれ表す。上記のフォークト関数による Mn-Kα 線と Mn-Kβ 線でのフィット結果を図 5.13 に示す。それぞれ、右が Mn-Kα 線、左が Mn-Kβ 線のヒストグラムを表す。特性 X 線は、電子の軌道間遷移によって放出され、特に、L 殻から K 殻への遷移によっって生じる特性 X 線は Kα 線、また、その外の外殻軌道であるＭ殻からＫ殻への遷移によって放射されるものをＫβ線と呼んでいる。また同じＫ

α 線でも外殻のＬ殻の 2p 軌道がスピン分裂を起こし、Ｌ 2 とＬ 3 に分かれているために２本の特性Ｘ線が観測される。そこでこれらのうち強度の強いＬ 3 からの遷移を特にＫ α1 線、Ｌ 2 からの遷移をＫ α2 線としてさらに細かく名称をつけている。

Mn-Kα 線は、Kα1 に 6 本、Kα2 に 2 本の計 8 本、Mn-Kβ 線は、計 5 本のフォークト関数の重ね合わせでフィットした。これにより、Mn-Kα 線でのエネルギー分解能について、SXS への性能
要求 SSR-01 であるエネルギー分解能 <7 eV を十分に満たす、4.41 ± 0.08 eV という結果を得た。
さらに Mn-Kβ 線でのエネルギー分解能は、3.3 ± 0.2 eV と求まった。ここで、エラーの範囲は1σ の値を使用している。
次に、FM センサーデータを用いた NASA/GSFC の実験室系での測定結果と、本試験で得られた解析結果についての比較を行い、PSP の搭載ソフトウェアによるデジタル波形処理機能が、要求通りの動作をしているかを確認した。NASA/GSFC の実験室系の測定には、PSP と同等のデジタル処理アルゴリズムを搭載した PSP シミュレーターが使用された。その解析結果によると、

Mn-Kα 線でのエネルギー分解能は 4.46 ± 0.01 eV となった（図 5.14）。ここでのフィッティング
は最小自乗法によって行われ、エラーの範囲は 1σ でもとめた値を使用している。以上の結果から、PSP の実機での処理による劣化は最大で 0.4 eV となり、PSP への性能要求 CR-P07 である、

Hp イベント処理によるスペクトル分解能の劣化 < 0.5 eV を満たす結果となった。これにより、
PSP の搭載ソフトウェアでのエネルギー測定が要求通りの性能を持っていることが実証できた。

83

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_allpx_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_(pi/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_allpx_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_(piFWHM=4.41 ± 0.08 eV

900

3000

FWHM=3.3 ± 0.2 eV

800

2500

700
600
count

Count

2000
1500

500
400
300

1000

200
500
0

100
5880

5900
Energy (eV)

0

5920

6425

6450

6475
Energy (eV)

6500

6525

図 5.13: Mn-Kα 線（右）と Mn-Kβ 線（左）のフォークト関数によるフィッティング結果。赤線
がエネルギースペクトルのヒストグラム、青線がローレンツ関数、黒線が自然幅を持つローレンツ関数をガウス関数でコンボリュートしてフィットした結果である。

84

図 5.14: NASA/GSFC による、FM センサーデータを用いた実験室系試験での Mn-Kα 線の解析
結果85

第 6 章 まとめ

本論文では、現在開発中の X 線天文衛星 ASTRO-H に搭載される、軟 X 線分光装置 SXS のデジタル波形処理装置 PSP についての性能実証試験を行った。
まず、衛星搭載品の実機を用いては初となる XBox-PSP の接続試験を行った。接続試験では、両機器間のすべての信号線について、オシロスコープを用いた測定を行い、信号の電圧レベルや周波数などの信号特性が、要求値を満たす事を確認した。以上の結果から、PSP と XBox の通信が正常に行われていることを実証した。
次に、PSP のデジタル波形処理性能の評価試験として、2013 年 8 月に NASA/GSFC による

FM-XCS と FM-XBox の接続試験で得られた FM センサーデータを FM と同等の PSP で処理させ、その出力結果についての解析を行った。
まず、本試験で得られたグレード付け結果と理論式から求まるグレード分岐比との比較を行
い、PSP 実機によるグレード付けが正常に実施されているかを検証した。実機での処理結果から較正用 pixel を除いた全 pixel について、Hp イベントに対する Mp イベントの比を求めると、
nocal (SU) = 25.130 ± 4.0613 となった。また、理論式から、Hp と Mp のグレード分岐比を求RHp/Mpnocal = 27.340 となり、本試験の結果と誤差の範囲で一致する結果を得た。これにめたところ RHp/Mp

より、PSP によるグレード付けが正常に行われていることが実証できた。
次に、PSP の搭載ソフトウェアでのエネルギー測定に対する評価を行った。まず、全 pixel でのHp イベントについて Mn-Kα 線ヒストグラムをプロットし、フォークト関数を用いたフィッティングを行った。その結果、SXS の性能要求 SSR-01 であるエネルギー分解能 <7 eV を十分に満たす、4.41 ± 0.08 eV という結果を得た。さらに、FM センサーデータを用いた NASA/GSFC の実
験室系で得られたエネルギー分解能 4.46 ± 0.01 eV と、本試験で得られた解析結果についての比較を行った。その結果、PSP 実機での処理による劣化は最大で 0.4 eV となり、PSP への性能要求

CR-P07 である、Hp イベント処理によるスペクトル分解能の劣化 < 0.5 eV を満たす結果となった。これにより、PSP の搭載ソフトウェアでのエネルギー測定が要求通りの性能を持っていることが実証できた。

86

付 録A

各 pixel ごとの FM センサーデータ処理
データに対する解析結果/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

700

600

600
600

400

300

count

400

400

count

count

500

500

500

300

300

200

200

200

100

100

100

0

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

0

8000

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

0

8000

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

600

400

count

count

500

300

700

700

600

600

500

500

400

400

count

700

300

300

200

200

200

100

100

100

0

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

0

8000

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

0

8000

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

500

400

400

300

700
600
500
count

500

count

count

600

300

400
300

200

200

100

100

0

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000

0

200
100

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000

0

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)8000

図 A.1: 全トリガーイベントにおける loResPH ヒストグラム。（上）左から pixel 00, pixel 01,
pixel 02、（真ん中）左から pixel 03, pixel 04, pixel 05、（下）左から pixel 06, pixel 07, pixel 08。

87

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

600

700
600

500

500

400

800
700

400

500
count

count

count

600

300

300

300

200
200

200
100

100
0

400

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

0

8000

100
0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

0

8000

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

700

600

600
600

500

500
500

400

300
200

300

100

100

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

0

8000

300
200

200

100
0

400

count

count

count

400

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000

0

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

600

500

500
400
count

count

400
300

200

200

100

0

300

100

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)

8000

0

0

2000

4000
6000
LO_RES_PH(chan)8000

図 A.2: 全トリガーイベントにおける loResPH ヒストグラム。（上）左から pixel 09, pixel 10,
pixel 11、（真ん中）左から pixel 13, pixel 14, pixel 15、（下）左から pixel 16, pixel 17。

88

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

120

120

100

100

80

FWHM=18.9 eV

80

120
100

FWHM=19.1 eV

FWHM=18.5 eV

60

60

40

40

20

20

0

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

count

count

count

80
60
40
20

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

120
100

100

100

60
40
20
0

5880

5900
Energy (eV)

80

60

40

20

20

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

FWHM=19.8 eV

60

40

0

5920

FWHM=19.5 eV
count

80

FWHM=20.2 eV
count

count

80

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

120
100

100

80

FWHM=19.5 eV

100

FWHM=19.7 eV

80

FWHM=20.1 eV

60

60

count

count

count

80

40

40

20

20

40
20
0

5880

5900
Energy (eV)

5920

60

0

5880

5900
Energy (eV)

5920

0

5880

5900
Energy (eV)5920

図 A.3: loResPH をエネルギーに変換して得られた Mn-K α 線のエネルギースペクトルと、ガウ
シ アンフィット結果。（上）左から pixel 00, pixel 01, pixel 02、（真ん中）左から pixel 03, pixel
04, pixel 05、（下）左から pixel 06, pixel 07, pixel 08。

89

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

120
120

120
100
80

100

FWHM=19.0 eV

100

FWHM=18.5 eV

FWHM=18.1 eV
80

60
40
20
0

5880

5900
Energy (eV)

60

60

40

40

20

20

0

5920

count

count

count

80

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

120
100

100
100

80

FWHM=19.3 eV

FWHM=19.1 eV

80

FWHM=19.9 eV

60
40

60

20

20

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

60
40

40

20
0

count

count

count

80

5880

5900
Energy (eV)

5920

0

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore/home/syamagch/workspace/2014analysis/spctr_loresph_140117/fit-hist-ka12-kb-lore

120
100

100

FWHM=19.2 eV

80
count

count

80
60

60

40

40

20

20

0

5880

5900
Energy (eV)5920

FWHM=19.8 eV

0

5880

5900
Energy (eV)5920

図 A.4: loResPH をエネルギーに変換して得られた Mn-K α 線のエネルギースペクトルと、ガウ
シ アンフィット結果。（上）左から pixel 09, pixel 10, pixel 11、（真ん中）左から pixel 13, pixel
14, pixel 15、（下）左から pixel 16, pixel 17。

90

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px00(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px01(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px02(ver)

140

160

120

140

140
120

120

100

80
60

100

80

count

count

count

100

60

60

40

40
20

20

0

0

5880

5900
Energy (eV)

5920

80

40
20
5880

5900
Energy (eV)

0

5920

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px03(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px04(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px05(ver)

140
140
120

100

100

80

120
100
count

120

count

count

140

80

80
60

60

60

40

40

40

20

20

20

0

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px06(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px07(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px08(ver)

count

count

100
80
60

140

120

120

100

100

count

120

80

80
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40

40

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0

140

160

140

20

20
5880

5900
Energy (eV)

5920

0

5880

5900
Energy (eV)

5920

0

5880

5900
Energy (eV)5920

図 A.5: Mn-K α 線の Hp イベントでの PHA ヒストグラム。（上）左から pixel 00, pixel 01,
pixel 02、（真ん中）左から pixel 03, pixel 04, pixel 05、（下）左から pixel 06, pixel 07, pixel 08。

91

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px09(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px10(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px11(ver)

140

160

140

120

140

count

count

100
80
60

120

100

100

80

80

60

60

40

40

20

20

0

count

120

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

40
20

5880

5900
Energy (eV)

0

5920

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px13(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px14(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px15(ver)

160

80

count

count

100

60
40
20
0

5880

5900
Energy (eV)

140

140

120

120

100

100

80

80

60

60

40

40

20

20

0

5920

count

120

5880

5900
Energy (eV)

5920

0

5880

5900
Energy (eV)5920

/home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px16(ver) /home/syamagch/workspace/2014analysis/hist_hp/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px17(ver)

160

120

140

100

120
100

80

count

count

140

60

80
60

40

40

20
0

20
5880

5900
Energy (eV)

5920

0

5880

5900
Energy (eV)5920

図 A.6: Mn-K α 線の Hp イベントでの PHA ヒストグラム。（上）左から pixel 09, pixel 10,
pixel 11、（真ん中）左から pixel 13, pixel 14, pixel 15、（下）左から pixel 16, pixel 17。

92

/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0878y = -0.016921 x2 + 1.0994 x

7

6

5

5

5

3

Pulse Height

6

4

4
3

4
3

2

2

2

1

1

1

0

0

2

4
Energy (keV)

6

0

8

0

2

4
Energy (keV)6y = -0.017292 x2 + 1.1022 x

7

6
Pulse Height

Pulse Height8

y = -0.017308 x2 + 1.1020 x

0

8

0

2

4
Energy (keV)68/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px088y = -0.017003 x2 + 1.1000 x

7

6

5

5

3

Pulse Height

6

5
4

4
3

4
3

2

2

2

1

1

1

0

0

0

2

4
Energy (keV)

6

8

0

2

4
Energy (keV)6y = -0.017251 x2 + 1.1016 x

7

6
Pulse Height

Pulse Height8

y = -0.016845 x2 + 1.0987 x

7

0

8

0

2

4
Energy (keV)68/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px088y = -0.016791 x2 + 1.0994 x

7

6

5

5

3

Pulse Height

6

5
4

4
3

4
3

2

2

2

1

1

1

0

0

2

4
Energy (keV)

6

8

0

0

2

4
Energy (keV)6y = -0.016863 x2 + 1.0995 x

7

6
Pulse Height

Pulse Height8

y = -0.017355 x2 + 1.1024 x

7

8

0

0

2

4
Energy (keV)68

図 A.7: フィッティングによって求められた、リニアリティー補正関数。
（上）左から pixel 00, pixel
01, pixel 02、（真ん中）左から pixel 03, pixel 04, pixel 05、（下）左から pixel 06, pixel 07, pixel08。

93

/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px0/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1

878y = -0.017419 x2 + 1.1021 x

7

6

5

5

5

3

Pulse Height

6

4

4
3

4
3

2

2

2

1

1

1

0

0

0

2

4
Energy (keV)

6

8

0

2

4
Energy (keV)6y = -0.017049 x2 + 1.1009 x

7

6
Pulse Height

Pulse Height8

y = -0.016723 x2 + 1.0981 x

0

8

0

2

4
Energy (keV)68/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1

88y = -0.017242 x2 + 1.1014 x

7

6

5

5

3

Pulse Height

6

5
4

4
3

4
3

2

2

2

1

1

1

0

0

2

4
Energy (keV)

6

0

8

0

2

4
Energy (keV)6y = -0.016910 x2 + 1.0993 x

7

6
Pulse Height

Pulse Height8

y = -0.017285 x2 + 1.1023 x

7

8

0

0

2

4
Energy (keV)68/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1/home/syamagch/workspace/131214_2013asjdata-analysis/fit-hist-ka12-kb-lorenz_px1

8
7
6

6

5

5

4
3

4
3

2

2

1

1

0

0

2

4
Energy (keV)6y = -0.017096 x2 + 1.0999 x

7

Pulse Height

Pulse Height8

y = -0.017130 x2 + 1.1006 x

8

0

0

2

4
Energy (keV)68

図 A.8: フィッティングによって求められた、リニアリティー補正関数。
（上）左から pixel 09, pixel
10, pixel 11、（真ん中）左から pixel 13, pixel 14, pixel 15、（下）左から pixel 16, pixel 17。

94

関連図書

[1] 萩原利士成 : 「撮像型 X 線 TES マイクロカロリメータのデジタルのデジタル信号処理 」,
修士論文, 東京大学, 2007

[2] 瀬田裕美 : 「ASTRO-H 衛星搭載 X 線マイクロカロリメータ用デジタル信号処理系の設計」,
修士論文, 埼玉大学, 2009[3] 下田優弥 : 「ASTRO-H 衛星搭載 SXS デジタル信号処理系の設計実証モデルによる性能評価」, 修士論文, 埼玉大学, 2011[4] 阿部祐輝 : 「ASTRO-H 搭載軟 X 線分光装置 SXS の波形処理システム PSP の開発」, 修士
論文, 首都大学東京, 2011[5] 神頭知美：「ASTRO-H 衛星における時刻付けシステムの開発」, 修士論文, 埼玉大学, 2010[6] 武田佐和子 : 「ASTRO-H 衛星搭載 SXS デジタル波形処理部の性能実証機の評価試験」, 修
士論文, 埼玉大学, 2013[7] 下田優弥：「X 線天文衛星「Astro-H」搭載マイクロカロリメータのデジタル信号処理系における Pulse の最適微分方法について」, 卒業論文, 埼玉大学, 2009[8] 朝比奈正人：「次期 X 線天文衛星 ASTRO-H 搭載共通デジタル処理回路の通信速度測定」,
卒業論文, 埼玉大学, 2010[9] 武田佐和子：「次世代 X 線天文衛星搭載マイクロカロリメータのデジタル波形処理部における最適な微分フィルタの開発」, 卒業論文, 埼玉大学, 2011[10] 山口直 : 「次世代 X 線マイクロカロリメータのための最適微分フィルタの実装」, 卒業論文,
埼玉大学, 2012[11] ISAS : 「科学衛星 ASTRO-EII 中間報告書 (第 2 分冊)」, ISAS, 2005[12] K. Mitsuda and Y. Takei : 「SXS-XCS Description Document」, JAXA-XCS-001 v03, 2010[13] M. Tsujimoto and M. Tashiro：「Pulse Shape Processor (PSP) Description Document」,
JAXAXCS-E-007, 201395

[14] 藤本龍一 : 「ASTRO-H 搭載 精密軟 X 線分光装置 SXS の開発の現状 (V)」, 日本物理学会
2013 年春季年会発表資料 , 2013[15] 藤本龍一 : 「Cooling system for the Soft1 X-ray Spectrometer (SXS) onboard ASTRO‐H」, SPIE2010 年発表資料 , 2010[16] 井上一, 小山勝二, 高橋忠幸, 水本好彦編, 『宇宙の観測 III――高エネルギー天文学』, シリー
ズ現代の天文学 17, 日本評論社, 2008

96

謝辞

まず初めに、本論文の作成にいたるまでの長い間、いろいろとご指導頂いた田代先生、寺田先生、そして研究室の諸先輩方や同期の皆様、及び後輩の皆様、それら研究室のすべての方々にこの場を借りて心から感謝いたします。
田代先生には、PSP の試験を通して日頃から大変お世話になりました。人工衛星開発という非
常に夢のある現場に同行させて頂いたことは、これから先、決して忘れることのないであろう大変貴重な経験となりました。また、学会資料や論文の作成の際には添削をしていただき、その都
度、文章のまとめ方について勉強をさせていただきました。本当にありがとうございました。
寺田先生には、特に SpaceWire 実験にて、貴重なご助言とご指導を頂きました。筑波で行った試験において、責任感のある試験を任せていただいたことは、自分にとって大変貴重な経験となりました。本当にありがとうございました。

PSP の皆様には特に、学生生活や実験などを通して、多くのことを学ばせていただきました。
下田さんには、何度も論文や学会資料の添削を頂きました。自分の文章を見て、一向に文章能力が成長していないなと感じたことと思います。その節は大変ご迷惑をかけました。また、研究生
活以外にもたくさんお世話になりました。特に、海外の実験に行くときになどは、分からない事だらけの自分はいつも助けて頂いていました。これからは社会人となりますが、また一緒に飲みにいけたら幸いです。本当にありがとうございました。
武田さんには、直属の先輩として 3 年間大変お世話になりました。そのなかでも特に、研究の姿勢については多くの事を学ばせて頂きました。ひとつの仕事を細部にまで気を使い丁寧に行う
姿は、面倒くさがりな自分からすれば理想の姿でした。これからは、すこしでもその理想に近づけるように頑張っていきたいと思います。本当にありがとうございました。
他にも ASTRO-H プロジェク関係者の皆様、特に首都大学東京の石崎先生、ISAS/JAXA の辻
本先生、金沢大学の藤本先生、立教大学の瀬田さんには大変お世話になりました。ASTRO-H 衛
星の打ち上げ現場に立ち会えない事はとても心残りですが、これからの皆様のご活躍を心より願っております。本当にありがとうございました。
そして最後に、本日にいたるまで大学での 6 年間を共に過ごし、修士として研究に励んできた
同期のみなさんには、本当に感謝の気持ちで一杯です。この研究室での生活をみんなと過ごせた
ことは、良い思い出としてこれからもずっと心に残っていくと思います。これからそれぞれ社会人になりますが、また定期的に集まれたら嬉しいなと思っています。本当にありがとうございました。

97