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Ｘ線天文衛星搭載
ワイドバンドSOIピクセル検出器の開発
鶴 剛（京大）tsuru@cr.scphys.kyoto-u.ac.jp
田中孝明，中島真也，松村英晃（京大），武田彩希，新井康夫（KEK），森浩二（宮崎大），幸村孝由（工学院）

20140110_SSS14_XraySOI_v4.key

l.

Ｘ線CCD - スタンダード検出器[Vol. 59,Suzaku「すざく」 XIS

2•広視野(~20-30mm□)かつ精密撮像 (~30μm□)•ファノ極限の精密分光 (ノイズ ~3e- rms)
•読み出しが遅い(~sec) →パルサーやBHの高速現象が観測できない．

•非Ｘ線バックグラウンドが高い →暗い（=遠方の）天体が観測できない．

g. 5. The CCD and heat sink assembly installed in the base. Thever shield is removed in this picture.

強度lso supply reverse current to the TEC, to warm up thechip in orbit. The CCD temperature may be raised a fewof ◦C above that of the base. In practice, the requirement toexcessive mechanical stresses due to differential thermal
nsion of the copper heat sink relative to the alumina CCD
rate imposes an upper limit on CCD temperature in this. For example, with the heat sink at a typical operating
erature of −35 ◦C, we have adopted a maximum allowCCD temperature of about + 15 ◦C. The CCD temperature
limit is higher at higher heat sink temperatures.
e PPU extracts a charge pattern characteristic of X-rays,
d an event, after applying various corrections to the digital
supplied by the AE/TCE. Extracted event data are sent toMPU. Details of the event extraction process are described「すざく」X線CCDが軌道上で得た生イメージ
bsection
3.3. The PPU first stores the data from its
CE in a memory called the pixel RAM. In this process,
ほとんど非X線BGDの中でごく少数のX線を検出
d anddummy pixels1 are inserted in order to avoid a「すざく」
データ X線信号

特に硬X線で卓越X線エネルギー(keV)
非Ｘ線バックグラウンドのスペクトル(X線ではないのにX線と誤解した)3

X線の最重要課題 - CCDでは困難•宇宙最初期ブラックホールの発見とその成長
最も暗いのが初期BH

恒星質量BHや恒星の合体

初期BH（中質量？）

超巨大BH

第１世代の星
原始BH

これを発見し成長を調べる•熱的プラズマの衝突による非熱的宇宙の誕生
天の川銀河の薄く広がる中性鉄輝線【新発見】 ← 高エネルギー粒子？
射手座A*
100光年

低BGD・ワイドバンド(0.3-40keV)
精密分光撮像を実現する観測装置

TT+09

SOIPIXSOIPIX: Silicon-On-Insulator 一体型ピクセル検出器!"#$%&6I($,

高速CMOS回路(低比抵抗Si)
絶縁体(SiO2)+234&+56#5768
9+01:()7,$8*#/;-+01=@+A)'()'+(*B'C<+=6>',+)6?'

センサー部&'()*#+,$%'#-./+01++– – –+(高比抵抗，厚いSi)
J,

D76#'B+="E',,(+8%='+&6+)7H)8$#8'AB'=,'86*(+#'I6*(CA('78#$,+#'I6*(CF'G'#)'+H6$)+G*,8$I'

高いＸ線感度と高度な信号処理を両立
各ピクセルにトリガ出力回路＋アナログ読み出し回路
イベント検出のタイミングと位置を~1μsecで検出
反同時計数により非Ｘ線BGDを２桁下げる

Ｘ線SOIPIX - イベント駆動読み出し5• イベントが到達した瞬間にSOIPIXがトリガ出力
Fig. 1. Cross sectional view of the SOI pixel detector.
• If アクティブシールドが同時信号出力
非Ｘ線BGD捨てる• If アクティブシールドに信号無し
Ｘ線

アナログ信号読み出しへ最大の特長=「イベント駆動」
撮像，読み出しノイズ，
検出感度はCCDと同等（以上）Fig. 2. Concept of an active shield system with XRPIX to reduce the non-X
background (NXB) by cosmic rays. The active shield can be a scintill

6

開発の歴史 - 2008からスタート
2010

2011

1.0mm

2012

2013
4.5mm

4.0mm

1.0mm

XRPIX1 XRPIX1b
XRPIX2XRPIX2b

2014
1.0mm

1.0mm

XRPIX3

XRPIX3b

2.9 mm

2.9 mm

2.4 mm 2.4 mm

First Model
Trigger
Output

6.0 mm

6.0 mmMiddle Size

Buttable

基盤B x 2 + 宇宙研基礎開発

Built-in ADC
2.4mm新学術

XRPIX
ΔΣ-typeADC

A-R-Tec PROPRIETARY/CONFIDENTIAL

Charge Sensitive
AMP

2.4mm

2.4 mm5

３次元半導体検出器で切り拓く
新たな量子イメージングの展開

読み出しノイズ，エネルギー分解能
要求 10e (rms)
ゴール 3e (rms)
4年間の改良• ピクセルCDS• 寄生容量削減• ピクセルCSA

FY2009 基礎開発報告書

ペデスタル

77読み出しノイズ，エネルギー分解能
要求 10e (rms)
ゴール 3e (rms)
4年間の改良• ピクセルCDS• 寄生容量削減• ピクセルCSA

180
160

FY2013 基礎開発報告書(予定)
Mn-Kα(5.9keV)

Fe-55

140
120
100
8060

今後

40

• CSA改良
5• さらに寄生容量削減
67• ピクセルADC

200

Mn-Kβ(6.5keV)

読み出しノイズ = 33e (rms)
ΔE = 300eV (FWHM)
Takeda+13123456

エネルギー[keV]

両面シリコンストリップ ~1keV． CCD, DEPFET ~140eV．
1807検出感度 - 空乏層500μm & 裏面照射22keV Ｘ線カウント数

硬X線 = 厚い空乏層
Floating Zone (4kΩcm)

8

軟X線 = 薄い裏面不感層
LBNL “Pizza Process”

500μm

空乏層

V0.5

Matsumura+14 in Prep.

Battaglia+12 NIM-A※同じウェハの別の素子

back_bias

200V
200V
バックバイアス電圧

500μmの完全空乏
目標 (>250μm)は達成済み

0.6±0.2μm (目標 0.1μm)
インプラのパラメータ調整
ケミソープションなど

イベント駆動読み出し - 実証済み
トリガ !
TRIG_OUT

アドレス読み出しクロック

9Fe-55 (5.9keV)

22keV X-ray detection
Cd-109SCLK
CSA無しの素子
ピクセルゲイン未補正

CA[151-0]

Pulse Hight (ch)4μsec

トリガピクセルRow
アドレスColumn- イベント駆動は実証済み- 少なくとも >1kHz以上のレート- ゲイン低下，オフセット-アナログ=デジタル回路の干渉

Pulse Hight (ch)RA[151-0]
イベント駆動5.4 μV/e-Offset

フレーム読み出し
7.0 μV/eX-ray Energy (keV)
Takeda et al., IEEE (2013)

イベント駆動読み出し - 実証済み
トリガ !
TRIG_OUT
Trigger
SCLK

アドレス読み出しクロック

9Fe-55 (5.9keV)

22keV X-ray detection
Cd-109

信号検出

CSA無しの素子
ピクセルゲイン未補正

DataTransfer
CA[151-0]

Pulse Hight (ch)4μsec
RA[151-0]

40 µs
トリガピクセル
Row Column
アドレス- イベント駆動は実証済み- 少なくとも >1kHz以上のレート- ゲイン低下，オフセット-アナログ=デジタル回路の干渉

Pulse Hight (ch)Analog out

イベント駆動5.4 μV/e-Offset

フレーム読み出し
7.0 μV/eX-ray Energy (keV)
Takeda et al., IEEE (2013)

さらなる展開
0.3-40keVの大立体角Ｘ線監視観測
入射Ｘ線

２次元符号化マスク

空乏層(Ｘ線検出部)

SOIPIX

Ｘ線入射面
図1の下側(裏面)

Ｘ線
信号電荷雲
拡散して読み出しノードに到達

回路部

SiO2
読み出しアンプ
閾値回路
1ピクセル(30μm)

10さらなる展開
0.3-40keVの大立体角Ｘ線監視観測
２次元符号化
マスク

入射Ｘ線

SOIPIXPIXOR型で画素を細かく
Ｘ線入射面

Ｘ線

読み出し
ノード

閾値回路(4x4ピクセル共通)
1ピクセル(8μm)

10る性質を用いるのである。この検出器全体全体を BGO などのシンチレータによるアクティブシール
10ドで囲むことで、10 keV 以上で卓越する荷電粒子によるバックグラウンドを低減させる。
ここで提案する偏光検出器は ASTRO-H HXI と良く似て0.3-40keVの大立体角Ｘ線監視観測
15-80 keV 偏光撮像分光
いるが、シリコン検出器として両面シリコン検出器 (DSSD)
入射Ｘ線２次元符号化ではなくSOIPIX を用いている点でが異なる。
ASTRO-H
マスク
HXI で偏光検出の下限エネルギーが低くできないのは、両面シリコンストリップ検出器の等価雑音電子数が 120 e− (rms)と十分に低くないためである。例えば、15 keV の光子が散乱角 90◦ でコンプトン散乱したイベントにおいては、反跳電子に与えられる運動エネルギーは 0.43 keV でしかない。
DSSD を、X 線 CCD に匹敵する 10 e− (rms) というノイズSOIPIX性能をを持つ検出器に置き換えれば、このような小さなエネルギー・デポジットをとらえることができるので、偏光検出
PIXOR型で画素を細かく下限エネルギーを15 keV にまで下げることができる。しかＸ線しながら、このような偏光検出器では同時に2 カ所でヒット
Ｘ線入射面したイベントを用いるため、CCD の数秒という時間分解能では圧倒的に不十分である。一方、SOIPIX はセルフトリガ
読み出しによってデータ取得が可能で< µs の時間分解能を達成する
Astro-H
HXI(DSSD)
偏光>40keV
ノードことができる。また目標とするノイズ性能を達成することも 図 1: 本研究で目指す偏光検出器の構成。
DSSDノイズ120e- (rms)がリミット期待できる。
研究期間内に何をどこまで明らかにしようとするのか
SOIPIXで低E反跳電子を測定
代表者が本年 5 月から所属している京都大学を中心とするグループでは 2008 年より X 線検出用 SOIPIXの開発を進めている (Ryu et al. 2011 IEEE NSS; Nakashima
et al. 2012 Physics Procedia)。これまで>15keVが可能(反跳電子0.43keV)
閾値回路(4x4ピクセル共通)に素子サイズとして最大 4 mm 角、ピクセルサイズ 30 µm 角から 60 µm 角の検出器を試作し、セルフ1ピクセル(8μm)>0.3keVの精密撮像分光も可能
トリガーによる X 線の撮像分光に成功している。しかし、読み出し回路のノイズレベルは60 e− (rms)、さらなる展開•••••

11

まとめ• イベント駆動読み出し型Ｘ線SOIピクセル検出器を開発• 反同時計数による非Ｘ線BGDを2桁下げる• 4.5mm角の素子の開発に成功• 読み出しノイズ33-(rms)，ΔE=300eV @ 5.9keV (FWHM)• 空乏層厚み~500μm，裏面不感層~0.6μm• トリガ読み出しに成功• 5年後に衛星搭載品を作れる状態にする

A-R-Tec

Analog and RF Technologiesg>ĕĒĐŅŀĩħ

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Email: info@a-r-tec.jp