FPGAを用いたCCDの高速データ処理システムの構築

• 研究課題/領域番号: 13874032
• 研究種目: 萌芽研究
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 宮田 恵美 大阪大学, 大学院・理学研究科, 助手 (40283824)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2002
• 研究課題ステータス: 完了 (2002年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 2002年度: 500千円 (直接経費: 500千円); 2001年度: 1,600千円 (直接経費: 1,600千円)
• キーワード: X線CCD / FPGA / デジタル信号処理 / VHDL / メッシュ実験

研究概要

X線CCDのデータ処理は大きく2つに分けられる。X線が入射していないときの各画素のゼロレベルを決定するためのダーク処理部、ダークを減算した後のデータを元に、X線イベントを検出するイベント処理部である。
我々は初年度、アルテラ社の最新のFPGA(APEX20K)を搭載したデジタルボードを製作した。ボードには外部メモリーとして4MbyteのS-ram、CCDの信号処理のための10MHz ADCを2つ搭載している。我々は、このボードを用いて、ダーク処理部を実装することに成功し、これまでオフラインでCPUを用いて行った処理に比べて1桁以上動作を高速化することに成功した。さらに、イベント処理部分も実装を完了し、CPUに比べて2桁程度高速動作可能であることを実証した。
最終年度である今年は、我々がこれまで開発してきたX線の入射位置をCCDの画素よりも高い精度で決定する技術をFPGAに実装した。X線がCCDに吸収されるとある有限の大きさを持つ電子の塊(電荷雲)を生成する。電荷雲は概ねX線のエネルギー(波長)に比例して大きくなる。我々は独自に開発したメッシュ実験と呼ばれる実験手法を用いて、CCD中で生成される電荷雲を精度良く測定することに成功した。電荷雲はCCDの画素に分割されるため、最終的に出力されるイベントパターンと電荷雲形状を比べることで、X線入射位置を画素よりも高い精度で推定することができる。これまでX線入射位置推定のためには、データ取得後オフラインでダーク処理部、通常のイベント処理部を行ったのちに、入射位置の推定を行っていたために、膨大な処理時間を必要としていた。我々はこの処理をFPGAで行うことにより、リアルタイムでX線入射位置を推定することに成功した。イベントの処理部分だけを比べても、これまでの処理速度を3桁も改善することに成功した。

研究成果

• [文献書誌] E.Miyata et al.: "Mesh experiment for Back-illuminated CCDs in Improvement of the Position Resolution"Nuclear Instruments and Methods. (in press). (2003)
• [文献書誌] E.Miyata et al.: "Proton Irradiation Experiment for X-Ray CCD devices of the MAXI Mission Onboard the International Space Station II"Japanese Journal of Applied Physics. (in press). (2003)
• [文献書誌] E.Miyata et al.: "Proton Irradiation Experiment for X-Ray CCD devices of the MAXI Mission Onboard the International Space Station I"Japanese Journal of Applied Physics. 41. 7542-7549 (2002)
• [文献書誌] E.Miyata et al.: "Application of the Mesh Experiment for the Back-Illuminated CCD: I. Experiment and the Charge Cloud Shape"Japanese Journal of Applied Physics. 41. 5827-5834 (2002)
• [文献書誌] E.Miyata et al.: "Direct X-ray Imaging of μm precision using Back-Illuminated CCD"Japanese Journal of Applied Physics. 41. L500-L501 (2002)
• [文献書誌] H.Enoguchi et al.: "Observation of Kes 27 : A Typical Mixed-Morphology SNR"Publ.Astr.Soc.Japan. 54. 229-234 (2002)
• [文献書誌] E.Miyata et al.: "Development of engineering model of the X-ray CCD camera of the MAXI experiment onboard the International Space Station"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. (in press). (2002)
• [文献書誌] H.Tsunemi I Hiraga, E.Miyata: "Application of a finite size of the charge cloud shape generated by an X-ray photon inside the CCD"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 477. 155-160 (2002)
• [文献書誌] E.Miyata, H.Tsunemi B.Aschenbach: "Chandra X-ray observatory Study of the Vela Shrapnel-A"Astrophysical Journal Letter. 559. 45-48 (2001)
• [文献書誌] J.Hiraga, H.Tsunemi, E.Miyata: "Subpixel Spatial Resolution of the X-ray CCD Based on the Charge Cloud Shape"Japanese Journal of Applied Physics. 40. 1493-1498 (2001)
• [文献書誌] H.Tsunemi, K.Mori, E.Miyata et al.: "Improvement of the Spatial Resolution of the ACIS Using Split Pixel Events"Astrophysical Journal. 554. 496-504 (2001)
• [文献書誌] B.Miyata et al.: "On the Nature of Ax J2049.6 + 2939 / Ax J2050.0 + 2914"Astrophysical Journal. 550. 1023-1029 (2001)
• [文献書誌] K.Yoshita, H.Tsunemi, E.Miyata, K.Mori: "The X-ray Structure of the Supernova Remnant 3C 400.2"Publication of the Astronomical Society of Japan. 53. 93-98 (2001)
• [文献書誌] P.Slane, J.P.Hughes, R.J.Edgar, P.Plucinsky, E.Miyata et al.: "RX J0852.0-4622: Another Nonthermal Shell-Type SNR(G266.2 -1.2)"Astrophysical Journal. 548. 814-819 (2001)
• [文献書誌] E.Miyata et al.: "Fast and Flexible CCD-driver system using fast DAC and FPGA"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 459. 157-164 (2001)
• [文献書誌] K.Mori, M.Shouho, H.Katayama, S.Kitamoto, H.Tsunemi.K.Havashida.E.Miyata: "Measurement of the response characteristics around K absorption edges of dead-layer material of a charge-coupled device"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 4592. 191-199 (2001)