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

鶴 剛（京大）

[email protected]

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

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

1

Neal Jackson, STScI and NASA

電波

Chris Carilli and NRAO/AUI

Ｘ線

A. Wilson & A. Young, P. Shopbell, CXC, NASA

白鳥座

A

50

万光年

超巨大ブラックホール

（太陽の 100 万倍から 10 億倍）

銀河の中心のブラックホール

銀河とブラックホールの共進化

銀河 : 地球 BH : 砂粒

2

最も暗いのが初期

BH SOIPIX

CCD

ざらざらは全て 背景ノイズ

学術的背景 ³

宇宙初期現在

宇宙最初期

BH =

中質量

BH

第１世代の星

恒星質量

BH

や 星の合体

原始

BH

これを発見する

超巨大

BH

Trajectory of particles inside the CCD

Irradiation of 1-MeV electrons onto the CCD

Non X-ray background of Suzaku XIS (BI)

Due to high energy particles on orbit.

4

Ｘ線SOIPIX素子 (スタック) 視野

非X線バック グラウンド (宇宙線が作る

2次的放射線)

アクティブ シールド 硬X線 軟X線

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

１分

SOIPIX ：イベント駆動読み出し型

•

^{反同時計数}

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 宇宙線だと判断し，捨てる．

•

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）．

5

XRPIX Series - Road Map - ⁶

XRPIX1 XRPIX1b 2.4 mm 2.4 mm

1.0mm 1.0mm

XRPIX2b 4.5mm

6.0 mm XRPIX2

6.0 mm 4.0mm

First Model Trigger Output

2.9 mm 2.9 mm XRPIX3 XRPIX3b

A-R-Tec PROPRIETARY/CONFIDENTIAL 2.4mm 5

2.4mm XRPIX

ΔΣ-type ADC

2.4 mm

Middle Size Buttable

Charge

Sensitive AMP

1.0mm 1.0mm

2010 2011 2012 2013 2014

10μsec

５年間の目標：衛星搭載品を直ちに製造開始 7

項目 目標 現状 テクノロジ

超低

BGD 5e-5 c/s/

keV/10mm

角

不明 トリガ出力

: OK

アクティブシールド

:

未 広帯域

0.3 - 40keV 1.5 ? - 40keV >300μm: OK

 

裏面不感層

0.1μm:

未 精密分光 要求

<10e-

ゴール

< 3e-

64e- (rms) XRPIX2 SmallPix

True-CDS:

未   プリアンプ

:

未

Built in ADC:

未  裏面の

CCE

暗電流

<2pA/cm2 200pA/cm2

(-40℃)

回路からの

(?)

リークを下げる

精密撮像

30-60μm 30.6μm,

61.2μm

ピクセル内の

CCE

広視野

20mm

角

3.9mm

角 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

１分

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

１分

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

XRPIX の紹介と現在

10

XRPIX1: Pixel Circuit

STORE

CDS C 100fF Sample C

100fF

Sensor

Trigger output Trigger

CDS

Comparator

CDS _VRST VTH VDD18

PD_VRST

COL_AMP OUT_BUF

SF1 SF2

VDD18

GND18

GND18

Sample /Store

Sensor C

Analog output Analog

Readout

G=1 G=1

TEST_ECA EOXX

11

ピクセル回路

XRPIX1b-CZ : Event Driven Readout

・

COL Hit Add. Resister

Ro w H it Ad d. R es is ter

COL Readout ADDR COL Amp

RO W R ea do ut AD D R

TRIG_O O R

TRIG_COL TRIG_ROW

A_OUT

①

① ②

X-ray !

F P G

A

ADC

Takeda et al., IEEE Accepted (2012)

③

④

④

⑤

12

イベント駆動

TRIG_OUT SCLK

CA[151-0]

RA[151-0]

Trigger !

Address of Triggered Pixel

Trigger Address Readout Clock

Row Column

4μsec

Takeda et al., IEEE (2013)

- 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

XRPIX2b-CZ : Event-driven Readout Mode ¹³

Pulse Hight (ch)

X-ray Energy (keV) Event-Driven

5.4 μV/e-

Offset

Frame-Mode 7.0 μV/e-

Fe-55 (5.9keV)

Pulse Hight (ch)

Note: Pixel gain is not calibrated.

Preliminary

Preliminary 22keV X-ray detection

Cd-109

イベント駆動

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

back_bias 200V

• 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

Depletion VBB^1/2

14

Preliminary

Physical Thickness 500μm (not 260μm)

Counting Rate of 22keV X-ray

200V

空乏層

QE of LBNL’s BI-SOIPIX / SOImager-2-CZ-BI

Deplation 73±2μm Dead Layer 0.6±0.2μm

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．

LBNL “Pizza Process” 15

裏面照射

XRPIX2-CZ-FI (Small Pixel) : Spectrum in the frame mode

Nakashima et al., 2012, NIM A submitted

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 20 40 60 80 100 120 140

0 10 20

0 150

50 100

X-ray Energy (keV)

P ulse H igh t (ch)

XRPIX2 Gain 6.5 µV/e-

XRPIX1 Gain 3.6 µV/e-

Observed Readout

Noise Fano

Noise Pixel-Pixel Gain

Dispersion 1% Sum Cu Kα 656 eV 548 eV (FWHM)

64 e-(rms)

139 eV 255 eV 620 eV

Mo Kα 800 eV

548 eV (FWHM)

64 e-(rms) 205 eV 553 eV 805 eV

PH [ADU]

40 60 80 100 120 140 160

PH [ADU]

40 60 80 100 120 140 160

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

40 80 120 160

Pulse Hight (ch = 244 µV) 1000

500 1500

C u C oun t

100 200

0 0

M o C oun t

Cu Kα (8.0 keV) Mo Kα (17.4 keV)

Mo Kβ (19.6 keV) 656 eV

FWHM

800 eV FWHM

Readout Noise 100→64e-

16

エネルギー分解能

Charge Amp Feedback

Capacitance 1fF Sensor

Node

Reset SW

XRPIX3/3b : Pre Amp in Each Pixel ¹⁷

• A charge sensitive amp (CSA) in every pixel in order to increase the gain and improve energy resolution.

• CSA is basically the same that developed in another SOIPIX (PIXOR).

• Readout noise = 64e (rms) → ....

Protection Diode

エネルギー分解能

IEEE NSS/MIC2013

ソウル前日

...

 

2013/10/26 13:38

       

1 2 3 4 5 6 7 8

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Energy (keV)

Co un ts

55

Fe Spectrum

5.9 keV

FWHM : 8 % (470 eV) FWHM : 14 % (830 eV)

6.4 keV

CSA Pixel

Normal Pixel

(solid) : fitting line (dot) : data

.

       

Development of New Circuit for X-ray Astronomical SOI Pixel Detector

Ayaki Takeda (SOKENDAI / KEK) Y.Arai (KEK / IPNS)

T.G.Tsuru, T.Tanaka, S.Nakashima, and H.Matsumura (Kyoto Univ.) For X-ray Astronomy

SOI Pixel Detector (SOIPIX)

Design Specification of XRPIX3

2013 IEEE NSS @ COEX, Seoul, Korea - 2013.10.30 WED -

Summary

- We have been developing SOIPIX for future X-ray astronomical satellite mission.

- A new device, “XRPIX3” was designed in order to improve energy resolution.

- By CSA pixel circuit, we succeeded in the improvement of energy resolution.

Normal -> 14 % (FWHM) , CSA -> 8 % (FWHM) @ 5.9 keV (

⁵⁵

Fe) - We will optimize CSA circuit for the next design.

Please contact us if you are interested. -> http://rd.kek.jp/project/soi/

mail: yasuo.arai @ kek.jp (Yasuo Arai (PL)), atakeda @ post.kek.jp (Ayaki Takeda)

X-rays

New Circuit

First prototype of XRPIX CSA circuit.

Comparison of Normal and CSA pixel.

(Fabricated Jun, 2013) Components

- Chip Size : 2.9 mm sq.

(Effective Area : 1.0 mm sq. ) - Pixel Size : 30 µ m sq.

- # of Pixel : 32 x 32 (= 1,024)

- Thickness of Sensor Layer : 260 µm - Sensor Wafer : 700 Ω cm

-> Czochralski (CZ) The performance required of a future X-ray astronomical satellite

is the following ...

- FWHM ≤ 140 eV @ 6 keV (Readout Noise ≤ 10 e-) - ≤ 100 µ m pitch pixel

- ~10 µ s per event readout

- Wide energy range : 0.3 - 40 keV

In order to achieve these requirement, we have been developing the SOIPIX

with a trigger information output function.

(Event-Driven Readout mode) -> XRPIX Series

We aim at realization with a spectroscopy system as shown in the right figure.

- A monolithic pixel detector with silicon-on-insulator (SOI) Technology -> 0.2 µ m fully-depleted (FD)-SOI pixel process

Processed by LAPIS Semi. Co. Ltd.

NP02-124

SOIPIX Advantages

- No mechanical bump bonding

-> High density, Low parasitic capacitance, High sensitivity

- Standard CMOS circuits can be built

- Based on industrial standard technology

Basic Components

-> Tr Si Layer : 40 nm, BOX : 200 nm, Sensor Layer : 100 ~ 725 µ m

Column Amp. (COL_AMP) Column Address Decoder

Row Address Decoder

0

31 Column Shift Register (32 bit)

Row Shift Register (32 bit) TRIG_OUT

OR

31

ANALOG OUT

TRIG_ROW

TRIG_COL

32 x 32 Pixel Array 1Pixel = 30 µm x 30 µm

Normal Charge Sensitive

Amp.

0 5 10 15 20 25 30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Energy (keV)

Pu ls e H ei gh t ( ADU )

Normal Pixel 5.3 µV/e-

CSA Pixel 18.2 µV/e-

Energy Calibration

Our Works with XRPIX

First Results of XRPIX with CSA

The difference between Normal and CSA pixel is a circuit configuration of preceding stage.

- Normal : Source Follower (SF) by Common-Drain of a PMOS transistor

- CSA : CSA by Common-Source of a NMOS transistor and a feedback capacitance (1 fF)

The signal charge can overcome the circuit noise of following stage electronics by CSA.

Then, the readout noise decreases.

We have been developing 4 devices and shown some basic performances.

- X-ray responsivity of XRPIX (SOIPIX) -> XRPIX1/1b [1], [2]

- Difference in pixel size or structure -> XRPIX2 [3]

- Event-Driven readout mode -> XRPIX1b [4]

The basic function of XRPIX is realized by our previous works.

Next step is improvement in spectroscopy performance.

x 3.4 Note : Pixel gain was not calibrated.

ANALOG OUT

VTH TRIG OUT

ROW_READ COL_READ

COL_AMP OUT_BUF SF

CDS_RST

CDS Cap.

Sample Cap.

STORE SF

PD_RST

CDS_RSTV PD_RSTV

Protection Diode

VDD18 VB_SF

PD

Sense-node

GND

Pixel Circuit

Column Readout

CDS + Trigger Circuit

TRIG_COL (SR)

TRIG_ROW (SR) TRIG_OUT (OR) Trigger Info. Output

Comparator

GND

&

Normal Pixel

ANALOG OUT

CDS_RSTV TRIGGER

H/L OUT

ROW_READ COL_READ

COL_AMP OUT_BUF SF

CDS_RST

CDS Cap.

Sample Cap.

STORE

AMP.

PD_RSTProtection Diode

VDD18 VB_SF

PD

Sense-node

GND

Pixel Circuit

Column Readout

# AMP. # + CDS + Trigger Circuit

TRIG_COL (SR)

TRIG_ROW (SR) TRIG_OUT (OR) Trigger Info. Output

GND

&

Feedback Cap.

VTH

Comparator

CSA

CSA Pixel Circuit

CSA Pixel Layout

MIM Cap. (comp. 1) MIM Cap. (comp. 2)

MIM Cap. (sample) MIM Cap. (CDS)

1 pixel area

trigger circuit

trigger circuit trigger circuit

14 μm

30 µ m

PD BPW

Feedback Cap. (1 fF) analog signal circuit

Charge sensitive amplifier (CSA) in each pixel in order to increase the gain and improve energy resolution.

Energy Calibration ⁵⁵ Fe Spectrum

(1 ADU = 244 µ V)

Reference

[1] S.G.Ryu et. al., IEEE TNS., Vol.58, Issue:5, pp.2528-2536, 2011.

[2] S.G.Ryu et. al., IEEE TNS., Vol.60, Issue:1 , pp.465-469, 2013.

[3] S.Nakashima et. al., Phys. Procedia, Vol.37C, pp.1392-1399, 2013.

[4] A.Takeda et. al., IEEE TNS., Vol.60, Issue:2, pp.586-591, 2013.

Our New Device -> “XRPIX3”

- The pixel circuit with CSA works good. (3.4 times higher gain)

Gain (from left fig.) : Normal -> 5.3 µ V/e- , CSA -> 18.2 µ V/e- - The CSA Pixel succeeded in improvement of energy resolution.

Comparison of

⁵⁵

Fe energy spectrum at Normal and CSA (right fig.) @ 5.9 keV : Normal -> 14 % (FWHM) , CSA -> 8 % (FWHM)

- However, the experimental value of a gain differs from a design value.

Gain : Design value -> 50 µV/e- , Experimental value -> 18.2 µV/e- It has influence of parasitic capacitance.

(-50

^o

C)

These results are reflected on the next design.

X-ray

hard soft cosmic ray (non-X-ray BG) field of view

active shield

onboard processor

・anti-coincidence (NXB rejection)

・hit-pattern selection (NXB rejection)

・direct pixel access (X-ray readout) XRPIX

エネルギー分解能

18

IEEE NSS/MIC2013

ソウル前日

...

 

2013/10/27 05:30

1 2 3 4 5 6 7

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

1 2 3 4 5 6 7

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

1 2 3 4 5 6 7

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

1 2 3 4 5 6 7

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

1 2 3 4 5 6 7

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

遂に時は来た！

33e (rms), 300eV (FWHM)

エネルギー分解能

19

さらなる展開

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).

２次元符号化マスク 入射Ｘ線

SOIPIX

PINダイオード

PINダイオード PINダイオード

非 Ｘ 線 バ ッ ク グ ラ ウンド(高 エ ネ ル ギ ー電子等)

5cm

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

暗黒物質探査実験

XRPIX 1kg

シンチレーター

1-10GeV

の低質量

:

探査不十分 神戸大 身内さんと共同研究

20

まとめ

SOI Pixel Project : General View

Feb. 28, 2011 SOI International

Review Meeting Yasuo Arai, KEK [email protected]

http://rd.kek.jp/project/soi/

/TEG

URL: http://www.a-r-tec.jp Email: [email protected]

A-R-Tec

Analog and RF Technologies

•

^{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

21