2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of Compton camera for high-resolution and polarization X-ray spectroscopy
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20K20527
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| Research Institution | Rikkyo University |
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Principal Investigator |
山田 真也 立教大学, 理学部, 准教授 (40612073)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
一戸 悠人 立教大学, 理学部, 助教 (30792519)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Keywords | X線検出器 / 超伝導検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導遷移端検出器は次世代の非分散の精密X線分光において、超伝導から常伝導に変化するときの抵抗値の飛びをセンサーとして用いることで、X線帯域でのエネルギー分解能を原理的に高めることができる。しかし、その動作温度は超伝導体が遷移する100mK程度と低く、その温度域で素子数を多く動作するためには、少ない配線数で多くの画素を読み出すことが必要となり、信号線の帯域として、4から8GHzの極低温HEMTアンプが増幅できる帯域を活用することで、少ない配線数で多画素の信号を読み出す事ができる。将来の偏光観測やコンプトンイベントの活用など、多画素化は本質的に重要であり、2020年度は、38素子を同時に駆動し、3eV@6keVを切るエネルギー分解能を実現し、投稿論文が受理された。これに用いた読み出し装置の室温部分は、大規模なFPGAと1Gサンプル14bitのAD変換器が使われており、マイクロ波をダウンコンバートして帯域を狭めた後に高速でA/D変換を行い、位相情報を抜き出して、高速で読み出し用のPCに転送する必要があった。その上、超伝導遷移端検出器は波形を加工せずに十分に長く保存することで、ポストプロセスで効率的に処理できる検出器のため、帯域を稼ぐための工夫も必要であった。そこで、FPGAの中に設計すべきリングバッファと各種のノイズ評価もできるようなトリガーも検討し、概念設計から、FPGAのコードの開発および、読み出し用のソフトウェアの開発も行った。また高周波のデバイスの評価の開発効率を高めるために、擬似パルスを発生できる機能の実装と、ソフトウェアの部分だけを開発できるエミュレータの開発も同時に行い、基礎的な性能の確認まで進めた。これで多画素の複数のトリガーイベントを処理する上での基本的な波形処理が可能になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
波形処理部分の概念設計は、読み出しシステム全体のスループットに関係しており、開発の難しい部分であると考えていたが、リングバッファの規模を数ms程度に設定することと、複数チャネルのトリガーの必要最低限となる種類を４つに絞り込むことができたことで、開発量をスリム化することができ、FPGAの内部ロジックの概念設計の時点でかなり明瞭に必要な機能を整理することができ、FPGAのコードの開発においても、従来のコードとのインタフェースの分界点を明確に設定したことで、通信部、トリガー部、波形収集部、パケット部など、開発が順調に進んだ。それに基づき、読み出し用のソフトウェアの設計も、TCPの通信部分をエミュレートする部分を先に開発することで、ハードウェアに依存しない検証計画を立てることができて、ソフトウェアの開発とデバッグを効率的に行うことができた。それらを統合して、AD/DAのボードから擬似信号を生成して入力し、それを用いてFPGAの信号処理部を検証することができ、これも高周波の減衰を気にせずに開発を進めることができたことで、順調に進んだ。これと同様の読み出し装置を用いた、X線の性能評価試験も、冷凍機の軽微な調整が必要であったことを除いて、性能評価まで順調にすすむ、環境ノイズや冷凍機により微小振動はまだ改善の余地があるものの、その状況下でも3eVを切るエネルギー分解能を達成することができたことはかなりの前進であった。また、データ解析の方法も、クロスチェックを行えるような独立した方法の開発や、Geant4をもちいたモンテカルロによる検出器の概念設計に着手することもできた。また、同様な検出器のアプリケーションにおいても、論文が受理されてプレスリリースを行うことができた点でも順調に進んだと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
室温デジタル部の基礎的な設計は進められたが、実際の応用では長時間安定して動作するかどうかも重要であり、特に必要な電力は50Wを超えるようなかなり大きなものであり、実際のデータを通して動作試験を行い、必要ならは排熱設計を行うことや、消費電力を抑えるようなリソースの使い方の開発など、ハードウェアの成熟度を高めてゆく、というのが一つの開発の方向性である。その上、ソフトウェアも単純にデータを高速に読み出すための開発と、スピードよりもリアルタイムでの動作確認がしやすいような設計を進めるなど、両方の開発を並行して進める。また、多画素化に対応できるように、FPGAのリソースの効率的な活用方法も将来的には必要となるため、開発を進めていく。X線の性能評価についても、38画素から増やせるように、各種リソースの開発と、最適化も必要となるので、冷凍機の内部の構造も含めて、開発を進めていく。将来的には、より高速化と、多画素化の、どちらの性能にも寄与できるようなシステム全体の設計も合わせて考えてゆく。現実的なアプリケーションではコンプトンは偏光イベントを弁別するために、クロストークの詳細なモデリングや熱計算も必要となるため、既存のデータ解析や、シミュレーションを用いて、クロストークを抑えることや、モデル化によるエネルギー分解能の劣化を抑えることの両方を進めて、現実的なアプリケーションで動作可能なマージンを稼げるように開発を進める。Geant4によるモンテカルロシミュレーションも継続的に行い、散乱イベントの処理方法や、最適なデータ処理方法など、ポストプロセスの設計開発も引き続き進めて行く予定である。また、高周波の帯域を広げるだけではなく、より効率的に使えるような工夫なども計算を進めていきたい。
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| Causes of Carryover |
次年度は、室温デジタル部分、とくにFPGA部分の設計のチューニングを、実際のファンクションジェネレータや、光電子増倍管などの基礎的な計器類と組み合わせて、性能の評価と確認を進める。2020年はコロナの影響で委託先の納期の遅れの影響を考えて一部の作業は見合わせて、2021年度に使用することにしており、そのため、開発の一部である、FPGAとソフトウェア部分の整合性の確認を実験室で進めており、2020年度と2021年度の分を含めて、FPGAとPC間のソフトウェアのデバッグとネットワークの通信部分のアプリケーションについては、一部をメーカーに委託して進めることする。ただし、委託期間中に作業が律速することがないよう、同様のセットアップあるいはエミュレータを立ち上げて、開発が律速しないよう工夫を入れて進めることにする。
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