High-speed, low-noise, multi-megapixel CCDs for next generation X-ray observatories

宇宙を巨大で騒々しいコンサートホールだと想像してみてください。いくつかの星やブラックホールは、あまりにも大きな声（X線）で叫んでいるため、宇宙の他の部分がささやく静かな秘密をかき消してしまいます。それらのささやきを聞き取るために、天文学者は驚くほど速く、そして驚くほど静かな「耳」を必要とします。もし彼らの「耳」が遅すぎれば、大きな叫び声が積み重なってぼやけてしまい、もしノイズが多すぎれば、背景の静電気（スタティック）が微かな信号を隠してしまいます。これが、次世代のX線望遠鏡を構築する際の課題です。すなわち、一瞬の隙も逃さず、かつ一粒の静電気も加えることなく、宇宙の最も極端な出来事の写真を撮ることができるカメラを作ることです。

これからあなたが読む論文は、CCD（電荷結合素子）と呼ばれる新しい種類のカメラセンサーの構築に関するものです。CCDを「光によるバケツリレー」と考えてみてください。X線光子がセンサーに当たると、それは「水」（電荷）をごく少量、バケツの中に落とします。その後、センサーはこれらのバケツを、コンピュータがカウントできるように、一つずつ列に沿って渡していかなければなりません。問題は、バケツを動かす速度を上げると、通常は「水しぶき」が発生してしまい（ノイズの発生）、また、バケツの配列が巨大な場合（数百万ピクセル）、列が非常に長くなり、速度が低下することです。このチームの科学者たちは、巨大でありながら電光石火の速さを持ち、かつ、針が落ちる音が聞こえるほど静かなバケツリレーを構築しようとしています。彼らは、この新しい超高度なバージョンのセンサーが、次の大きな宇宙ミッションへの準備ができているかどうかをテストしています。

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超高速・超静音カメラチップ

この論文の科学者たちは、宇宙船のためのレーシングカーのエンジンを組み立てているメカニックのようなものです。彼らは、CCID-100と呼ばれる特定のタイプのカメラセンサーに取り組んでいます。カメラセンサーを巨大なソーラーパネルのグリッドだと想像してください。CCID-100は、1,440 × 1,440 ピクセル（つまり200万ピクセル以上！）を持つ巨大なグリッドです。通常、これほど大きなグリッドからデータを読み取ることは、一本のストローでスイミングプールの水を抜こうとするようなもので、永遠に時間がかかります。しかし、この新しいチップには16本の異なるストロー（チャンネル）が同時に働いており、これによりデータを信じられないほど速く排出することができます。

目標は、明るくエネルギッシュなX線を捉えるのに十分な速さ（カメラが最初の光子をカウントする前に、2つの光子が同じ場所に衝突して「積み重なって」しまうことがないように）を持ちつつ、遠く離れた宇宙の幽霊のようなかすかな輝きを見ることができるほど静かにすることです。

テストドライブ：凍てつく真空室

彼らの新しいエンジンが機能するかを確認するために、チームは特別なテストコースを構築しました。彼らはスタンフォード大学の真空チャンバーの中にCCID-100チップを設置し、−100°C（約−148°F）という極寒まで冷却しました。なぜこれほど冷たくする必要があるのでしょうか？車のエンジンがオーバーヒートしない方がスムーズに走るのと同じように、これらの電子センサーは、凍えるように冷たい時の方がはるかに静かに動作するからです。

彼らは、テスト用の電球として機能させるために、特殊な放射性線源（鉄55）を使用してチップにX線を照射しました。16のチャンネルから同時にデータを読み取るために、彼らはMCRC V1 ASICと呼ばれる2つの小さなカスタムコンピュータチップを使用しました。これらのASICは、16本のストローからデータを瞬時に掴み取り、乱れる前に整理する「ピットクルー」のようなものです。彼らはまた、エンジンの稼働中に電圧や温度をチェックするための、何百ものゲージを備えたダッシュボードのような「デバッグ」システムも構築しました。

エンジンのチューニング：完璧な設定を見つける

最大の課題の一つは、センサーの完璧な「電圧設定」（バイアス）を見つけ出すことでした。ギターのチューニングをすることを想像してみてください。弦が締め付けすぎても緩すぎても、音は正しく聞こえません。チームは、センサーのノイズが温度と電圧設定によって変化することを発見しました。

彼らは奇妙な癖を発見しました。センサーを冷却しても、ノイズがただどんどん静かになっていくわけではないのです。代わりに、非常に低い温度になると、ラジオが奇妙な静電気のハム音を拾う時のように、あるスイートスポットに達した後、再び大きくなりました。これは、シリコン内部にある、電子を捕まえたり放出したりする微細な「トラップ」が原因でした。

これを解決するために、彼らは自動化された「チューニング」プロセスを実行しました。彼らはわずか3時間足らずで、1,300通り以上の異なる電圧設定の組み合わせをスキャンしました。それは、ロボットが最も完璧な響きを見つけるために、何百万ものコードを奏でているかのようでした。彼らは、一方のチップ（W6と呼ばれるもの）にとっての最適な設定は**−40°Cであり、もう一方のチップ（W16）にとっては−100°C**であることを突き止めました。

結果：鮮明な画像

チップのチューニングを行った後、彼らは「XOC」という文字が切り抜かれた金属マスクの写真を撮影しました。その結果はどうだったでしょうか？ロゴの鮮明でシャープな画像が得られ、カメラがデータを正しく読み取れることが証明されました。

次に、彼らは「ノイズ」（静電気）とエネルギー読み取りの鋭さを測定しました。結果は以下の通りです。

• 速度： 彼らは200万ピクセルのセンサー全体を2 MPixel/s（毎秒200万ピクセル）の速度で読み取ることに成功し、約6.7 fps（フレーム毎秒）のフレームレートを達成しました。これは、急速に起こる宇宙のイベントをぼやけることなく捉えるのに十分な速さです。
• ノイズ： 彼らは「リードノイズ」（カメラが画像に加える静電気の量）を測定しました。W6チップでは、16チャンネル中11チャンネルが3.0電子未満であり、15チャンネルが3.2電子未満でした。W16チップでは、4チャンネルが3.0電子未満、10チャンネルが3.5電子未満でした。
• 鮮明度： X線のエネルギー（具体的には鉄55の5.9 keV線）を確認したところ、W6チップでは12チャンネル、W16チップでは14チャンネルが、150 eVより優れた鋭さ（FWHMと呼ばれる）を示しました。

これが将来にとって何を意味するか

論文は、これらのCCID-100チップが、巨大（マルチメガピクセル）でありながら、次世代のX線望遠鏡（AXISコンセプトなど）に適した速さを備えていることを示した最初のチップであると結論付けています。チームは、W16チップがW6チップよりもノイズが多いことを指摘していますが、技術が機能していることを証明しました。彼らは単に推測したのではなく、測定したのです。高速で並列な読み出し電子機器と自動チューニングを使用することで、宇宙の最も極端な環境を見るための次の大きな飛躍への準備ができているカメラを構築できることを実証しました。エンジンは完成し、チューニングも終わり、レースに出場する準備ができているようです。