2013年度岡山(光赤外)ユーザーズミーティング	

2013/08/01~03	

近赤外多天体分光カメラSWIMS用検出器HAWAII-­‐2RG評価試験	
*西嶋颯哉 、舘内謙、本原顕太郎、小西真広、高橋英則、北川祐太朗、加藤夏子(東京大学天文セン	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  *Email:	  nishijima@ioa.s.u-­‐tokyo.ac.jp	

ター)、他TAOメンバー

1.Introduc;on	

4.Methods	  &	  Results	

望遠鏡からの光	TAO6.5m望遠鏡は、東京大学がチリ・チャナントール山頂に建設を予定
スリットマスク/IFU	  している赤外線望遠鏡です。私たちは、TAOの第1期近赤外観測装置としてSWIMS(Simultaneous-­‐color	  Wide-­‐ﬁeld	  Infrared	  Mul;-­‐object	  Spectrograph)を開発中です(Fig.1)。	  
SWIMSの特長は、0.9-­‐1.4μm,
HAWAII-­‐2RG	  x4	  	1.4-­‐2.5μmの2色を同時に撮像、多天体分光、面分光することができる点でFig.1:	  装置概観イラスト	  す。SWIMSの検出器には、Teledyne	  外部電源	
Scien;ﬁc	  &	  Imaging社のHgCdTeハイDC	  5V	ブリッドアレイ検出器、HAWAII-­‐2RGを使用します(Table	  1)。HAWAII-­‐2RGのUSBケーブル	
読み出しシステムは、Fig.2のように構Win	  PC	HAWAII-­‐2RG	
SIDECAR	  A
SIC	
JADE2	  Card	成します。		 項目	デュワー(@77K)	
値	
Fig.2:	  検出器読み出しシステム	  ピクセル数	
2048×2048	
フラットケーブル	

18μm	
4×4×2044	
HgCdTe	2.5μm	

ピクセルサイズ	
参照ピクセル数	
半導体結晶	
カットオフ波長	

4.1.	  読み出しノイズ	  Reference	  Pixelを用いてCDS読み出しノイズσCDS[e-­‐]を算出しました。ただし、ADU-­‐エレ
クトロン変換係数α[e-­‐/ADU]はまだ完了していないので、検出器・ASICの仕様値から予想されるα=3.81e-­‐/ADUを使用しました。		
Output	  =	  1	 Output	  =	  4	Output	  =	  32		
#7	 19.0±0.3	 #7	 19.0±0.3	 #7	 18.7±0.8	
• 同一CHではOutput設定に#15	20.9±0.3	 #15	 22±1	
関わらずノイズ一定	
#23	22.5±0.4	 #23	 22±1	
• CH間に最大~40%のノ#31	20.2±0.4	 #31	 20.2±0.8	

イズ差あり	

#22	 18.3±0.8	  (min)	
#10	 26.3±0.8	  (max)	
Table4:	  	  CDS読み出しノイズ[e-­‐]の測定値	

フラットケーブル	

市販のUSBアイソレータによってノイズが軽減されるかを調べました。	

検出器を変えずにASICだけを変えたとき、CDS読み出しノイズはどう変化するかを調べました。	

アイソレータあり/なし	  の比率	SIDECAR	  ASICはAD変換とクロック生成、
JADE2	  CardはPCへのデータ転送などを担う。読み出しにはTeledyne提供の専用ソフトウエアを使用。	

Table1:	  HAWAII-­‐2RGの仕様	

2.Setup	
検出器は、デュワーを液体窒素冷却することで80K程度の平衡状態に保って駆動します。Fluxの入射は、デュワーの外部から黒体炉を見せることによって行います(Fig.4)。また、検出器の周りをRadia;on	  Shieldで遮蔽してフィルターをつけることによって波長を制限します(Fig.3)。			

Fig.7:	  アイソレータによるノイズ軽減	
• ノイズ軽減は有意ではあるものの、わずか(~3%)	  • 読み出しノイズへのPCの寄与は大きくない	Fig.8:	  読み出しノイズのASIC依存性	
• 同じpixelであっても、ASICを変えたときのノイズはあまり相関しない	  • 読み出しノイズへの寄与はASICが大部分	  4.2.	  リニアリティ	  Fig.3:	  デュワー内部のセットアップ	

左から、検出器Radia;on	  Shield	  Box(緑色の円形の物体はPaβフィルタ(1.292μm))、
SIDECAR	  ASIC、JADE2	  Card(常温常圧部)と接続するフラットケーブル。	

Fig.4:	  黒体炉とデュワーの配置	
黒体炉からの光は矢印の経路を通ってデュワー内に入射する。デュワーの窓材にはガラスを使用。	

3.HAWAII-­‐2RGの概要	
4pix	

検出器を評価する上で重要な点をまとめます。	

reference	  pixel	

3.1.	  Reference	  Pixel	  ac;ve	  pixel	  (2044×2044)	

2K×2Kピクセルのうち、4辺それぞれに4pix
Fig.5:	  Reference	  Pixelの配置	ずつ配置されています(Fig.5)。	  
ü 光は検出しない	ü 暗電流はのらない	
HAWAII-­‐2RG	
HAWAII-­‐2RG	ü 読み出しノイズはのる	  で、理想的には出力カウントが0です。	
512×2048	 512×2048	
512×2048	 512×2048	
CDSモードとFowlerモードではResultフレー
ムを作る際にソフトウエア上で①CHごとのゼロ点補正,②サンプル電圧の変動補正#07	 #15	 #23	 #31	#00	  ~	  #31	がなされます。	
SIDECAR	  ASIC	SIDECAR	  ASIC		
3.2.	  多チャネルoutput	  Fig.6:	  多チャネルoutputの描像	
• PreAmpと16bit出力のAD変(左)	  Output=4の場合。4CHで処理される	  換を最大32CHで並列に処理(右)	  Output=32の場合。32CHで処理される	することが可能	  3.3.	  
PreAmp	  Gain	  • frame内でCHは短冊状に割•PreAmp:	  A
D変換前に、ピクセルり振られる(Fig.6)	  からの出力電圧とサンプル電圧• 設定により読み出し時間がの電位差を増幅	  変化する(Table	  2)	  • 増幅率は16段階(Table	  3)		Outputモード	 読出し時間	 ch	  #	1	  Output	  42s	  #7	  4	  Output	
10.6s	  #7,#15,#23,#31	  32	  Output	

1.36s	  #0	  -­‐	  #31	  Table2:	  Outputモード	

設定	
#0	
#2	
#4	
#15	

ゲイン	
0.70711	
1.41421	
2.00000	
22.6274	

ゲイン[dB]	
-­‐3.01	
3.01	
Table3:	  6.02	
ゲイン
27.09	
設定	Ramp	  Samplingのデータから、検出器のリニアリティを評価しました。	
x枚目のsamplingの出力カウントをy[ADU]としてx-­‐yプロットし、次のように処理します。	
①Full	  Wellは共通と仮定してカウントy[ADU]を[e-­‐]に変換	
②y[e-­‐]のバイアスレベルを引いて原点揃え	  このとき、x軸の値には物理的な意味はなく、積分時間や入射光子数に比例する値になります。	
結果がFig.9です。また、最初の3frameでは出力が完全に線形であると仮定し、その値からのズレが1%を超えた点を1%点としてe-­‐数と飽和電子数との割合をTable	  5に示します。	
Up	  The	  Ramp	

1%点	
23,900e-­‐	%	  well	
35.7%	

Table5:	  線形保証範囲	
検出器ごとの特性の違いなどについても今後評価をしていく予定です。	

Fig.9:	  リニアリティ の測定結果	

4.3.	  現時点での問題点:	  ADU-­‐エレクトロン変換係数(コンバージョンファクター)	  黒体炉による安定光源を使って、ピクセルごとのカウント平均値m[ADU]と標準偏差σ[ADU]の関係からコンバージョンファクターα[e-­‐/ADU]を算出します。	  
算出結果は、 α=7.70±0.07e-­‐/ADU	  (誤差はch間誤差)	  になりましたが、	  仕様値は α=3.81e-­‐/ADU	  で、2倍の差があるという結果になりました。	  
実験値を受け入れるとwell深さなどが仕様値の2倍になり非現実的であるため、実験・解析方法に何らかの問題があるものとみて現在原因を追究中です。	  

5.Summary	  &	  Future	  works	
SWIMSに搭載する検出器HAWAII-­‐2RGの評価試験を行い、次の結果を得ました。	  
• 読み出しノイズは~20e-­‐、読み出しCHによって最大~40%のノイズ差あり	  • リニアリティの1%保証範囲は~24,000e-­‐、wellの36%	  今後の予定は、以下のとおりです。	  
22001133  

22001144  

検出器評価試験のつづき	  同時駆動試験	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  新デュワーでの精密試験	

ハワイへ搬送	  SWIMSデュワーの冷却試験	  Subaru取り付け	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  SWIMSデュワーへの検出器インストール	  ファーストライト		  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  制御ソフト整備	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  全体のパフォーマンス試験	  	22001155