木曽超広視野高速CMOSカメラ
Tomo-e Gozen Q0の試験観測による性能評価
東京大学 天文学研究教育センター
小島 悠人

第7回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ
2017/11/16 14:00-14:15
the Tomo-e Gozen Projectアウトライン

1. 木曽超広視野高速CMOSカメラ Tomo-e Gozen• 装置概要• データ取得システム• 科学目的2. Q0 試験観測による性能評価• 試験観測概要• センサ性能評価• 温度評価• 時刻取得システムの評価
3. まとめthe Tomo-e Gozen Project木曽超広視野高速CMOSカメラ Tomo-e Gozen

the Tomo-e Gozen Project木曽105cmシュミット望遠鏡

木曽超広視野高速CMOSカメラ

Tomo-e Gozen
望遠鏡

木曽105-cmシュミットセンサ

84チップCMOS

視野20 deg2

時間分解能

2 fps (full frame)

重量50 kg

データレートmax 30 TB/day

Q1
Q4
Q2

Q3
望遠鏡スパイダー
S/N=1035mm, 1k x 2k, CMOS
the Tomo-e Gozen ProjectTomo-e Gozenのデータ取得システム
木曽観測所ドーム

10Gbs 光ファイバ

木曽観測所本館
Tomo-e Gozen
データアーカイブ

300 TBストレージ

40m 光ファイバ
30 TB/day
各プロジェクトの計算機へ

2 TB/day
300TBバッファストレージ

解析用計算機群

TNOs

Stars

GWs

SNs

the Tomo-e Gozen ProjectTomo-e Gozenが目指すサイエンス

極めて稀な時間変動イベントの検出
数秒以下で変化するイベントの探査- 超新星ショックブレイクアウト- 重力波可視光フォローアップ- FRBの可視光対応天体- GRB- Pulsar- YSO- NEOsの検出- 微光流星Gamma Ray Burst

Shock Breakout

NEOs

Faint meteors©NASA
the Tomo-e Gozen Project

Q1
Q4

Q3

Q2

Tomo-e Gozen Q0 試験観測

the Tomo-e Gozen Project

Q0 試験観測•••••2017年10月2日
2017年10月3日
2017年10月3-24日
2017年10月3-24日
2017年10月25日

カメラ搭載
ファーストライト
性能試験観測科学試験観測カメラ取り外し

はくちょう座 散開星団 M39
露光時間 5秒, 視野 39.7’ x 22.4’

センサ性能評価 -センサ概要感度
有効画素
シャッター方式
ピクセルスケール
ピクセルサイズ

センサの内部回路
hνUC

AMP1

G1

AMP2out

400 - 650 nm
2,000 x 1,128
ローリングシャッタ
1.19 pix/arcsec
19 microns

outputG235mm, 1k x 2k, CMOS

2つの内部アンプによりゲインを調節可能
high-gainモード(16 x 1)：読み出しノイズが低減、ダイナミックレンジが小さい
middle-gainモード(4 x 1)：ノイズ低減とダイナミックレンジをバランスよく活かす
low-gainモード(1.3 x 1.3)：読み出しノイズが増大、ダイナミックレンジが大きい

平成27年度修論発表会(菊池)より

the Tomo-e Gozen Projectセンサ性能評価 -線形性50000• ドームフラットランプを使用してセンサの線型性を評価

fitting
middle-gain, detector11
full well

電子数 [e-]40000

middleゲインでの測定結果

30000

コンバージョンファクタは1.10 [e-/ADU]
20000

full wellは~31,000 [e-]full wellの70%までのデータ点でフィッティング

10000

002

4681012積分時間 [sec]
0.3

det11
-5%
+5%

非線型性

0.20.1非線型性
0非線型性が5%以内に保たれるのはfull wellの89%まで
-0.1

-0.2

-0.3
02

46

積分時間 [sec]

810

12

the Tomo-e Gozen Project

センサ性能評価

DET
1-6DET4-4

内部ゲイン

high(16x1)

middle(4x1) low(1.3x1.3)

コンバージョンファクタ[e-/ADU]

0.26

1.10

2.86

読み出しノイズ[e-]

2.0

4.1

8.6

線形性(<5%)[%]

9189

93

Full well [e-]~7,200~31,000~68,000

暗電流[e-/sec/pix]
@17℃

0.7

スカイバックグラウンド[e-/sec/pix]

~50

DET
1-1

DET
4-1

Q0 四隅に4チップ✓highゲインモードで読み出しノイズ2.0 [e-]を達成➡10 fpsでもバックグラウンドリミット✓暗電流が木曽のスカイバックグラウンド~50 [e-/sec/pix]よりも十分低い➡常温駆動
the Tomo-e Gozen Project

光学系評価 -けられ• ドームフラットランプの各チップのカウント比からけられを測定
DET1-6

視野端4.5degで50%の減光
1.0det11

設計値

0.820%低下

0.6
DET4-460%

51%det41

30%低下

0.4

det16
det44

0.200

視野中央
DET1-1

DET4-1

0.9

1.8

2.7

3.6

光線入射角（deg）

4.5

視野端通過する光量の割合

67%
視野端で設計値よりも5%ほど低い➡原因調べ中PSFの影響は『P-11 木曽超広視野高速CMOSカメラTomo-e Gozen Q0の構造特性の評価 (高橋)』を参照
the Tomo-e Gozen Project温度評価
筐体温度・エレキボックス温度・外気温を測定
要請
温度コントロールなしで筐体温度が30度以内に保たれるか？

発熱量

筐体湿度

センサ4チップ：0.2W x 4 = 0.8W
ヒータ17枚：0.2W x 17 = 3.4W

エレキボックス温度

読み出し回路：25W
筐体内に取り付けられた温度計、及び湿度計

外気温

エレキボックス

エレキボックスに取り付けられた温度計、及び外気温用の湿度計
カメラ側面のヒートシンク
the Tomo-e Gozen Project••••温度評価

紫；望遠鏡内の気温1
緑：エレキボックス温度
水色：筐体温度
オレンジ：望遠鏡内の気温230

Temperature[deg]252015

ontoriElectric box
Camera bodyAtmos

1010/04 00h

10/05 00h

10/06 00h

ヒートシンク取り外し

10/07 00h
10/08 00h
10/03-10/11

10/09 00h

10/10 00h

10/11 00h

10/03-10/11の温度ログ✓観測時のセンサ温度(筐体温度)が30度未満✓ヒートシンクを外したことによる急激な温度の上昇は見られなかった。
the Tomo-e Gozen Project時刻取得システムの評価

ミリ秒の時刻精度を要求✓GPS受信機を使用✓マイクロ秒まで記録
GPS受信機RS232
読み出し時刻データ

FItsヘッダ部に1フレーム目、1ピクセル目の時刻を書き込む

1フレーム目、1ピクセル目の読み出しと同時にトリガ信号を入力
カメラ制御計算機

データ取得計算機
光信号

センサ駆動用クロック

撮像データ

Tomo-e Gozen

the Tomo-e Gozen Project

まとめ✓ Tomo-e Q0(センサ4チップ)の試験観測が無事終了✓ Tomo-e Q1(センサ21チップ)の試験観測は2018年1月に予定✓ 2 fpsで読み出しノイズ 2.0 e-を確認✓ 暗電流は0.7 e-/sec/pix であり、木曽のスカイバックグウランド ~50 e-/
sec/pixよりも十分低い✓ センサ温度が30度未満であることを確認✓ GPS受信機を利用してをマイクロ秒の時刻の取得を確認

the Tomo-e Gozen Project