第４回可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  2014/12/03~04	

S W I M S		  近赤外多天体分光カメラSWIMS:	  検出器読み出しシステムの開発と評価	  		  藤堂 颯哉	  	  舘内謙、本原顕太郎、小西真広、高橋英則、北川祐太朗、小早川大、加藤夏子	  (東京大学天文センター)	
astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

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Today’s	  Talk	
• 検出器読み出しシステム	  • 検出器ノイズ評価	  • 今後の予定	  	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

2	• 検出器読み出しシステム	  • 検出器ノイズ評価	  • 今後の予定	  	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

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検出器:	  HAWAII-­‐2RG	
HgCdTe	  Astronomy	  Wide	  Area	  Infrared	  Imager	  with	  	  2K	  x	  2K	  resoluJon,	  Reference	  pixels	  and	  Guide	  mode	  	  	  • HgCdTeハイブリッドアレイ検出器	  	  (Teledyne	  Imaging	  Sensors社、TIS)	  • 2×2台の4台使用	  (最終的には8台)	  	  ピクセル数	

2048×2048	

ピクセルサイズ	

18μm	

参照ピクセル数	

4×4×2044	

半導体結晶	

HgCdTe	

カットオフ波長	2.5μm	

λ	  →	6’.6	  x	  3’.3	  (0”.096	  pixel-­‐1)	  2x	  H2RG	
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◀焦点面レイアウト	4	読み出し回路	
•

2つの専用読み出し回路	  – SIDECAR	  ASIC:	  クロック生成、PreAmp、AD変換、etc…	  •PreAmp、AD変換は32CHで並列処理	  – JADE2	  Card:	  ASIC制御、データ転送、etc…	  •パッケージ化されている読み出し回路を装置に組み込んでシステムを構成する	  外部電源	
DC	  5V	USBケーブル	
フラットケーブル	

HAWAII-­‐2RG	

フラットケーブル	

SIDECAR	  ASIC	

JADE2	  Card	

低温真空(@80K)	
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常温真空	

Win	  PC	5	検出器読み出しシステムの構築	ü Linux	  PC	  2台で4台の検出器を駆動	  ü 制御用にWindowsの仮想マシンを導入	  ü 制御ソフトにはpythonを使用	  望遠鏡からの光

SWIMSデュワー	

H2RG	
SIDECAR	  ASIC	Blueアーム	

ダイクロイックミラー

H2RG	
SIDECAR	  ASIC	

冷却
光学系

SWIMS	  Control	  PC	  (CentOS)	

フラットケーブル(長さ1.5m)	  Redアーム	

JADE2	  Card	

非同期	  TCP/IP	  通信	  Detector	  Control	  PC	  (red)	  (CentOS)	  ソケット通信	  	  	  仮想マシン	  VM	  	  (Windows)	
(Win)		  Detector	  Control	  PC	  (blue)	  (CentOS)	  	  	  仮想マシン	  VM	  	  (Windows)	(Win)		  USB	  2.0	  ケーブル	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

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システムコンポーネントの要素開発	
ü SWIMSデュワー用に1.5mのフラットケーブルを開発	  ü 焦点面カセットの開発	  ü ソフトウエア整備	  ü 試験用新デュワーの開発/整備	  →システムに必要な要素開発はほぼ終了	  ▲開発した新フラットケーブル	◀焦点面カセットへの搭載	
▲納入された試験用新デュワー	
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沖電線製フラットケーブル	
•••

長さ1.5m	  2層構造	
ライン太さ	
– 電源ライン:	  0.3mm	  – LVDSライン:	  0.12mm	  	  (以降、略称’OKI’と表記)	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

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• 検出器読み出しシステム	  • 検出器ノイズ評価	  • 今後の予定	  	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

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実施した試験の環境	
試験①:単独駆動環境	

試験②:同時駆動環境	

20cm	
検出器(MulJplexer)	
検出器カセット:	  	  SIDECAR	  ASICはこの内側	
フラットケーブル	

70cm	
JADE2	  Card	boxの中にH2RG	

•••SIDECAR	  ASIC	

小さいデュワーでの試験	  TIS社のケーブルを使用	  JADE2	  Cardは常温常圧のデュワー外に設置	  

••••大きいデュワーでの試験	  沖電線製の独自ケーブル使用可	  JADE2	  Cardは常温真空のデュワー内に設置	  検出器カセットなど、SWIMS搭載時と同じセットアップ	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

10	試験①でのノイズ測定結果	
•

光を入れない環境での測定	  – 20frameの標準偏差よりノイズを算出	  ••CDS	  frameの読み出しノイズ:	  ~17e-­‐	  ASIC上の読み出しCHによってノイズが変わる	  – 交互に(偶奇CHで)低ノイズ、高ノイズ、、、	  in	  e-­‐	

single	  cable	Ginsan	  (TIS)	

32CH	  平均	17	32CH	  標準偏差	2	32CH	  最大値	20.4	32CH	  最小値	14.3	

偶数CH	  平均	16	奇数CH	  平均	19	

◀標準偏差フレーム(=ノイズフレーム)	  32CHごとにカウントの縞ができている	  	  	  (特に悪い2つのCHはASICコネクタの物理的な破損によるもの)	
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単独駆動でのノイズ増加	
in	  e-­‐	

試験②の結果	• 平均で6-­‐7e-­‐のノイズ増加	  • TIS、OKIどちらのフラットケーブルを使用しても同程度の増加	  • 偶奇CHによって増加量は異なる	  
1.5倍	

奇数CH	

偶数CH	

1.3倍	
1.0倍	

single	  試験	①	  ②	  cable	Ginsan	  (TIS)	

TIS	  OKI	  32CH	  平均	17	24	23	32CH	  標準偏差	2	5	4	

32CH	  最大値	

20.4	

33.1	

30.3	

32CH	  最小値	

14.3	

17.6	

17.4	

偶数CH	  平均	16	19	20	

奇数CH	  平均	19	29	26	

◀CHごとのノイズ測定結果：試験①と②を比較したもの	  試験①の結果	
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単独駆動でのノイズ増加:	  考察	64pix	

•①と②の主な違い:	  0CH	– デュワーサイズ、構造	  – JADE2	  Cardを真空中で駆動	  •36pix	

1CH	

2CH	

3CH	

36pix	

奇数CHの一部でのみノイズ増加している	  – CH幅64pixのうち、奇数CHの36pixだけ有意にノイズが大きい	  – (他の部分のノイズレベルは①と②同程度)	  ➞ASICの”癖”でこの部分にノイズが乗りやすい可能性もあり	  – 他のASIC	  or	  H2RGでの試験	  – 参照電圧など、駆動パラメータの調整	  	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

読み出し方向	▲標準偏差フレーム(=ノイズフレーム):	  試験②の結果の一部を拡大したもの	  13	

同時駆動でのノイズ増加	
• 検出器を2台インストールし、同時に読み出す	  • 用いるケーブルによって結果が大きく異なる	  – OKIケーブルでは壊滅的な状況	  TIS	  CHの端わずかに	  短周期ノイズ見える	

OKI	  

in	  e-­‐	

単独駆動	  同時駆動	  cable	

TIS	  TIS	  OKI	  OKI	  32CH	  平均	24	23	30	92	

32CH	  標準偏差	5	4	9	20	32CH	  最大値	

33.1	

30.3	

45.0	

130	

32CH	  最小値	

17.6	

17.4	

20.0	

48	

偶数CH	  平均	19	20	22	94	

奇数CH	  平均	29	26	39	90	◀試験②で2台同時駆動をしたとき、ケーブルによるCDSフレームの違い	  全体に短周期ノイズが卓越	
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14	同時駆動でのノイズ増加:	  考察	•

ノイズ増加はケーブル間の干渉によるものか？ -­‐	  Yes	  – OKIケーブルにシールドをして測定する	  ➞TISケーブルと同程度までノイズ減	  ASIC-­‐JADE2間のケーブルはノイズ流入がないように設計する必要あり	  OKIケーブル	

試験②の結果	•◀シールドをしたOKIケーブル	  	  ▼同時駆動試験でのケーブ
ルごとのノイズ比較	  OKIシールドケーブル	

TISケーブル	

試験①の結果	
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• 検出器読み出しシステム	  • 検出器ノイズ評価	  • 今後の予定	  	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

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今後の予定	  •ノイズ対策	  – ケーブルの再製作	  – 駆動パラメータの調整	  •検出器システムの組み込み/SWIMS全体の組み上げ	  – 傾け試験/光学調整	  – 結像性能評価	  •試験観測/初期科学観測@Subaru	  – 2015年度ハワイ観測所持ち込み	  – 2016年すばる望遠鏡でファーストライト	  	  astro-­‐inst	  WS	  2014/12/03	

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