1計画研究 B01
宇宙最初期ブラックホールの探査研究を実現する衛星搭載
X線精密イメージングの開拓
鶴 剛（京大）tsuru@cr.scphys.kyoto-u.ac.jp
森浩二（宮崎大），幸村孝由（工学院），田中孝明（京大）
中島真也，松村英晃（京大），武田彩希，新井康夫（KEK）
20131213_SOI新学術WS_B01_XRPIX_v0.key

白鳥座A

2

銀河の中心のブラックホール

5年
光
0万超巨大ブラックホール

銀河:地球（太陽の100万倍から10億倍）

BH :砂粒電波

銀河とブラックホールの共進化
A. Wilson &Neal
A.ChrisYoung,
Carilli
P. Shopbell,and
NRAO/AUI
CXC,
NASA
Jackson,
STScI
and
NASA

Ｘ線

学術的背景
宇宙初期

恒星質量BHや星の合体

CCD

第１世代の星 原始BH

宇宙最初期BH = 中質量BH
これを発見する

ざらざらは全て
背景ノイズ

現在SOIPIX

超巨大BH最も暗いのが初期BH

3

Trajectory of particles
inside the CCD
Non X-ray backgroundof Suzaku XIS (BI)Due to high energy
particles on orbit.
Irradiation of 1-MeV electrons onto the CCD

4

5

SOIPIX：イベント駆動読み出し型• 反同時計数

硬X線

背景ノイズ２桁下げる．

• X線が到達した瞬間にトリガ出力．
• アクティブシールドが同時に信号出力

視野

軟X線

非X線バックグラウンド(宇宙線が作る2次的放射線)

Ｘ線SOIPIX素子(スタック)

宇宙線だと判断し，捨てる．

アクティブシールド• アクティブシールドが同時に信号無し
Ｘ線だと判断し，アナログ信号処理• 他の性能：撮像，分光（読み出しノイズ），検出感度はCCDと同等（以上）．

衛星搭載のFPGA・計算機● イベント駆動読み出し● 非同時計数 (非X線BGDの除去)● Ｘ線エネルギー・位置・時刻計測

6

XRPIX Series - Road Map 2010

2011

1.0mm

2012
4.0mm

1.0mm

2013
4.5mm

XRPIX1 XRPIX1b
XRPIX2XRPIX2b

2014
1.0mm

1.0mm

XRPIX3

XRPIX3b

2.9 mm

2.9 mm

2.4 mm 2.4 mm

First Model
6.0 mmTrigger
OutputMiddle Size


2.4mm

XRPIX
ΔΣ-typeADC

A-R-Tec PROPRIETARY/CONFIDENTIAL

2.4mm

2.4 mm56.0 mm

Buttable

ChargeSensitive AMP

５年間の目標：衛星搭載品を直ちに製造開始
項目目標

5e-5 c/s/
超低BGD keV/10mm
角
広帯域

精密分光
暗電流
精密撮像
広視野

現状不明

0.3 - 40keV

1.5 ? - 40keV

要求 <10e-64e- (rms)
XRPIX2
SmallPix

ゴール < 3e-テクノロジ
トリガ出力: OK
アクティブシールド: 未>300μm: OK
裏面不感層0.1μm: 未
True-CDS: 未
Built in ADC: 未

プリアンプ: 未
裏面のCCE<2pA/cm2

200pA/cm2(-40℃)回路からの(?)リークを下げる

30-60μm

30.6μm,61.2μm

ピクセル内のCCE

20mm角3.9mm角7

モザイク可能(XRPIX2b)
デッド領域は出来るだけ小さく．

裏面CCE: A01班，二重活性層によるイベント駆動True-CDS: A02班

チーム（cf. 申請書）
• 全員Ｘ線天文分野，Ｘ線CCDの経験あり• 鶴 剛（京大）：総括，Ｘ線素子開発• 森浩二（宮崎）：硬X線性能評価• 幸村孝由（工学院）：軟X線性能評価• 田中孝明（京大）：イベントドリブン読み出し，バックグラウ
ンド評価• 中嶋大（阪大:連携）：ADC• FY2014から，KEK 武田彩希さんをPDとして雇用（京大)
素子・回路等の設計・製作，性能評価• 各大学での大学院生．修論1本/年（京大）を目指す．
• B01チームで，投稿論文2本/年を目指す．

8

難しいと思っている事• 最大の難関：低ノイズ化．要求=10e-(rms)，ゴール=3e- (rms)• 逐次読み出しではなく，イベントドリブン読み出しで実現．
• トリガも低い閾値ではなければいけない．目標 = 0.3keV．
• 裏面の不感層と電荷収集効率(CCE)• いくつか有望な方法を試す• 1keV以下のＸ線の評価• 実験室で手軽に強く質の良い軟X線を得る方法．
• まだ手を付けていない事への不安（暗電流，BGD，大型化）

910XRPIXの紹介と現在

ピクセル回路

11XRPIX1: Pixel Circuit
TriggerComparator
VDD18

Trigger
output

GND18

AnalogoutputAnalog
Readout
VDD18

SF1

SF2
STORE

CDS

SensorSensor C
Sample C
100fF

PD_VRST

OUT_BUF

G=1

G=1

CDS C
100fF

Sample/Store
GND18

COL_AMPTEST_ECACDS _VRST

VTH

EOXX

③・④
ROW Readout ADDR

COL Hit Add. Resister④①①X-ray !

COL Readout ADDRCOL AmpOR

12

TRIG_COL
TRIG_ROW

Row Hit Add.
Resister

イベント駆動XRPIX1b-CZ : Event Driven Readout

TRIG_O

F
P
GA

②
A_OUT

ADC

⑤
Takeda et al., IEEE
Accepted (2012)

イベント駆動XRPIX2b-CZ : Event-driven Readout Mode
Trigger !
TRIG_OUTTrigger Address
Readout Clock

13Fe-55 (5.9keV)

22keV X-ray detection
Cd-109Note: Pixel gain is
not calibrated.

SCLKPreliminary
CA[151-0]

Pulse Hight (ch)4μsec
RA[151-0]

RowColumn- Event-driven mode basically operates.
- Capacity of event rate >1kHz.
- The gain is different. There is offset.
- Due to interference between analog
and digital circuits

Pulse Hight (ch)Address of
Triggered Pixel

Event-Driven
5.4 μV/e-Offset

Frame-Mode
7.0 μV/ePreliminary
X-ray Energy (keV)
Takeda et al., IEEE (2013)

空乏層XRPIX1b-FZ(2012)-FI (7kΩcm) : Depletion Depth

14

Counting Rate of 22keV X-ray
Physical Thickness 500μm (not 260μm)

Depletion
Preliminaryback_bias

VBB^1/2200V200V

• Counting Rate of 22keV X-ray (Cd-109) as a function of VBB.

(Attenuation Length = 1200μm > Physical Thickness = 500μm.)• The data follow the expected slope of depletion VBB^1/2.

• Full Depletion of 500μm is reached at VBB=200V.

20130502_matsumura.pdf

LBNL “Pizza Process”
裏面照射

QE of LBNL’s BI-SOIPIX / SOImager-2-CZ-BI
Dead Layer 0.6±0.2μm

Deplation 73±2μm

Battaglia+12 NIM-A※ これは我々の素子ではなく，同じウェハを使用した別の素子です．

15

Cu Kα (8.0 keV)

Mo Kα (17.4 keV)

150

1800

1500
1400800 eV
FWHM
100
Mo Kβ(19.6 keV)

656 eV
FWHM

1200
1000
1000
800
600

500
400

120
100
100806050

XRPIX1 Gain
3.6 µV/e-40
2020000

Pulse Hight (ch)

200

1600

080
40120160
Pulse Hight (ch = 244 µV)
406080100

Observed
Cu Kα

656 eVMo Kα800 eV120140160
PH [ADU]

ReadoutNoise

16XRPIX2 Gain
6.5 µV/e-140

Mo Countエネルギー分解能Cu CountXRPIX2-CZ-FI (Small Pixel) : Spectrum in the frame mode

0000FanoNoise548 eV (FWHM) 139 eV64 e-(rms)
205 eV

24101214 16
10X-ray Energy (keV)
6818

Pixel-Pixel Gain
Dispersion 1%Sum

255 eV620 eV553 eV805 eV

2020

Nakashima et al., 2012, NIM A submitted

エネルギー分解能XRPIX3/3b : Pre Amp in Each Pixel

17Reset SW
Protection
DiodeSensor
NodeFeedback Charge Amp
Capacitance 1fF• A charge sensitive amp (CSA) in every pixel in order to increase thegain and improve energy resolution.

• CSA is basically the same that developed in another SOIPIX (PIXOR).
• Readout noise = 64e (rms) → ....

Counts

エネルギー分解能

IEEE NSS/MIC2013ソウル前日...

2013/10/26 13:38

55
55Fe Spectrum
Fe Spectrum(-50 oC)

500
450400350(solid) : fitting line(dot) : data.

5.9 keV

Note : Pixel gain was
not calibrated.

300
250
200
150
100

Normal Pixel
FWHM : 14 % (830 eV)
FWHM : 8 % (470 eV)
CSA Pixel

6.4 keV

5030eV)012345678Energy (keV)18

エネルギー分解能IEEE NSS/MIC2013ソウル前日...

192013/10/27 05:30

180180160

160

140140120120

遂に時は来た！

100

100

80

806060404020200012345633e (rms), 300eV (FWHM)

720

さらなる展開大立体角Ｘ線監視観測
宇宙の爆発現象を捉え，即時通報する

SOIPIXPINダイオード

PINダイオード
5cm

入射Ｘ線

２次元符号化マスク

暗黒物質探査実験
1-10GeVの低質量 : 探査不十分
神戸大 身内さんと共同研究

非Ｘ線バックグラ
ウンド(高エネルギー電子等)

XRPIX 1kg

PINダイオード
図4:製作するカメラの模式図．PINダイオードで構成するアンチカウンタの中にSOIPIXを入れる．高エネルギー粒子PINとSOIPIXの両方に同時に信号を作るので，非Ｘ線として除去可能(非同時計数).

シンチレーター21

まとめ• Ｘ線天文衛星用のＸ線SOIピクセル検出器(XRPIX)を開発．
• 反同時計数による低非Ｘ線BGDを目指し，トリガ機能を持つ．
• 4.5mm角の素子の開発に成功• トリガ読み出しに成功• 空乏層厚み~500μm，裏面不感層~0.6μm• 読み出しノイズ33-(rms)，ΔE=300eV @ 5.9keV (FWHM)• ５年間の目標：衛星搭載品を直ちに製造開始

A-R-Tec

Analog and RF Technologies

g>

URL:
Email