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WF-MAXI 硬X線モニター用多系統読み出しASICの開発
有元誠,
谷津陽一, 河合誠之 (東工大), 池田博一, 原山淳(ISAS), ほか WF-MAXIチーム
Abstract
硬X線モニター（Hard X-ray Monitor）は、WF-MAXI搭載予定の硬X線検出器であり、現在プロトタイプレベルで開発を行っている。またWFMAXIプロジェクトの開発戦略上、iWF-MAXI本体への搭載は見送られる形となったが、国内外での相乗り機会を最大限に利用し、フライトを目
指している。
検出器構成は、アレー状に配置された結晶シンチレータをAPDで読み出す構成としており、20keV〜1 MeV のエネルギー帯域をカバーし、1ユ
ニットあたり120cm2 の有効面積を持つ。今回我々は、多系統のAPDからの信号を処理を行う32チャンネルアナログ増幅器を有したASICの開発
を行った。特に、APDの場合、その検出器容量が〜100pFと大きく、容量性ノイズの影響が非常に大きいが、低ノイズ化回路設計を施す事で、低
ノイズ信号の読み出しに成功した（2080 e- +2.3e-/pF at RMS）。また、Ce:GAGGとAPDを組み合わせ、662 keV のX線に対して、6.9% @
FWHMを達成し、HXMの目標とする検出エネルギー下限値20keV を達成できることを確認した。
Hard X-ray Monitor and Overview
Ce:GAGG crystal
2 x 12 array
• 結晶シンチレータを１次元アレー配置
• 20 keV 〜 1 MeV
• 位置決め精度: 数度
 Passive shield によって作られた影のパターンを利用
 HXM2台以上で２次元の位置決め可能
• Wide FoV: 全天の~15%
• 小型（~15 x 15 x 10 cm3）
 相乗りチャンスの機会大
Hard X-ray Monitor
• 全体消費電力
 10W未満
Reverse-type
APD
32ch ASIC
APD専用ASICの開発




Open IP project (ISAS) 準拠
大きな検出器用量(~100pF)対応
0.35 μm CMOS technology
32-ch アナログアンプ+ AD コン
バーター
 Spice を用いたシミュレーション
 Power consumption: 〜100mW
多チャンネルセンサー読み出
し用ASICが必須
 省電力（〜100mW）
 省スペース
Passive shield
APDs and Ce:GAGG crystals
ASIC performance
 Low-gain mode: +300 fC
 Peaking times:
 Fast shaper: 0.5 us
 Slow shaper: 3 us
0.5us
アナログアンプ波形
Input charge =150fC
3us
Development of a new ASIC
目標のピーキングタイムをほぼ
達成している
Specification
容量性ノイズの逓減
# of channels
 APDは検出器容量が大きい (80~100pF)
 初段FETの gm を大きくし、ジョンソンノイズ逓減
 初段FETのゲート面積を大きくし、フリッカーノイ
ズを逓減
ピーキングタイムの調整 (Tpeak ~ 3us)
 ダークノイズ大 → 短いTpeak が好まれる
Analog schematic for 1 ch.
CSA
エネルギースペクトル
Dynamic
range
High gain
±100 fC
Low gain
±300 fC
Peaking
time
Fast shaper
0.5us / 1us
• Ce:GAGG + reverse-type APD
• 137Cs source
• ー20℃ operation
Slow shaper 3us / 6us
4%
300
350
2500
2000
1500
2080 e- +2.3e-/pF @ RMS
1000
容量勾配が非常に
浅い !
500
0
20
40
60
80
100
120
140
32 keV
28.0% (FWHM)
662 keV
6.9% (FWHM)
低エネルギー閾値(>20keV)をほ
ぼ達成
Shaper
Sample hold
Pole-zero
cancellation
150
200
250
Input charge [fC]
662 keV X線を高い分解能で
検出 & 32keVを明確に検出
±1.65 V
Non linearity
100
detector capacitance [pF]
32
Power rail
50
ノイズの性能
0
新ASICのキーとなる設計
2.
Non-linearity: <4% btw
0 and 300fC
0
 1 次元アレー (2 x 12)
 Effective area
 120 cm2 @ 〜30 keV
1.
ADC channel
• Configuration
Relative
residual [%]
 Reverse type APDs
50mm
 S8664-55 (5 x 5 mm2)
 フライト実績のある技術を継承
APD (S8664-55)
 Cute 1.7+APD II, ASTRO-H
10mm
 -20℃ operation
10mm
 Passive な冷却
 低ダーク電流が低エネルギー光子検出に重要 (<20 keV)
 Ce:GAGG (Ce-doped Gd3Al2Ga3O12)
 Peak emission wavelength: 520 nm → APDと相性が良い
 潮解性がない → ハンドリングが容易 !!
 46,000 photons/MeV → 大きな光量と高いS/N 比 !
Equivalent Noise Charge [e-]
Ce:GAGG
線形性評価
AD converter
•
Trigger signal and wired OR
Trigger
#1
#2
#3
#32
Summary and
HXMの開発を実施中
future
 新ASICを新しく設計、製造および評価を実施した
 検出器容量が大きくても、低ノイズ読み出しを実現.
 ほぼ要求通りのアナログ波形と線形性を得た
 エネルギースペクトルを取得し、20keVの低エネルギー閾値を
達成している事を確認した.
• マイナーな不具合(寄生容量等)を修正した第２版ASICの設計を完了し
ており、現在製造実施中.

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