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

우주가 거대하고 시끄러운 콘서트 홀이라고 상상해 보세요. 어떤 별과 블랙홀들은 너무 크게 소리를 질러서(X선으로) 나머지 우주의 조용한 속삭임을 모두 묻어버리기도 합니다. 그 속삭임을 듣기 위해 천문학자들에게는 믿을 수 없을 정도로 빠르고 믿을 수 없을 정도로 조용한 '귀'가 필요합니다. 만약 그들의 '귀'가 너무 느리다면, 큰 외침들이 쌓여서 서로 뭉개져 버릴 것이고, 만약 너무 시끄럽다면 배경 잡음이 희미한 신호를 가려버릴 것입니다. 이것이 바로 차세대 X선 망원경을 만드는 과제입니다. 즉, 한 박자도 놓치지 않으면서 단 하나의 입자 같은 잡음도 더하지 않고 우주의 가장 극적인 사건들을 촬영할 수 있는 카메라를 만드는 것입니다.

여러분이 곧 읽게 될 논문은 CCD(전하 결합 소자)라는 새로운 종류의 카메라 센서를 만드는 것에 관한 것입니다. CCD를 빛을 위한 디지털 '양동이 릴레이'라고 생각해 보세요. X선 광자가 센서에 부딪히면, 아주 적은 양의 '물'(전하)을 양동이에 떨어뜨립니다. 그러면 센서는 이 양동이들을 하나씩 컴퓨터로 전달해야 합니다. 문제는 양동이를 빠르게 움직이면 보통 물이 튀기 마련이고(노이즈 발생), 만약 양동이의 배열(픽셀)이 매우 크다면(수백만 개), 줄이 매우 길어지고 느려진다는 것입니다. 이 팀의 과학자들은 이 양동이 릴레이를 거대하면서도 번개처럼 빠르면서도, 동시에 핀이 떨어지는 소리가 들릴 정도로 조용하게 만들려고 노력하고 있습니다. 그들은 이 새로운 버전의 센서가 다음번 큰 우주 임무를 수행할 준비가 되었는지 확인하기 위해 테스트하고 있습니다.

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초고속, 초저잡음 카메라 칩

이 논문의 과학자들은 마치 우주선을 위한 레이스카 엔진을 만드는 정비공과 같습니다. 그들은 CCID-100이라는 특정 유형의 카메라 센서를 연구하고 있습니다. 카메라 센서를 거대한 태양광 패널 격자라고 상상해 보세요. CCID-100은 1,440 x 1,440 픽셀(무려 200만 픽셀 이상!)로 이루어진 거대한 격자입니다. 보통 이렇게 큰 격자에서 데이터를 읽는 것은 하나의 빨대로 수영장을 비우려는 것과 같아서 시간이 엄청나게 오래 걸립니다. 하지만 이 새로운 칩은 16개의 서로 다른 빨대(채널)가 동시에 작동하여 데이터를 믿을 수 없을 정도로 빠르게 배출할 수 있게 해줍니다.

목표는 이 카메라가 밝고 에너지가 넘치는 X선을 포착할 만큼 충분히 빨라서(카메라가 첫 번째 광자를 세기도 전에 두 개의 광자가 같은 지점에 부딪혀 '쌓이는' 현상 없이), 동시에 먼 우주의 희미하고 유령 같은 빛까지 볼 수 있을 만큼 조용하게 만드는 것입니다.

테스트 드라이브: 얼어붙은 진공실

새로운 엔진이 제대로 작동하는지 확인하기 위해, 팀은 특별한 테스트 트랙을 만들었습니다. 그들은 스탠퍼드 대학교의 진공 챔버 안에 CCID-100 칩을 넣고 −100°C(약 −148°F)의 혹독한 추위로 냉각시켰습니다. 왜 이렇게 차갑게 만들었을까요? 자동차 엔진이 과열되지 않을 때 더 매끄럽게 돌아가는 것처럼, 이 전자 센서들도 매우 차가울 때 훨씬 더 조용하게 작동하기 때문입니다.

그들은 칩에 X선을 쏘아주는 특수 방사성 물질(Iron-55)을 사용하여 테스트용 전구 역할을 하게 했습니다. 16개 채널의 데이터를 동시에 읽기 위해, 그들은 MCRC V1 ASIC이라 불리는 두 개의 작고 맞춤 제작된 컴퓨터 칩을 사용했습니다. 이 ASIC들은 16개의 빨대로부터 데이터를 즉시 낚아채서 지저나지 않게 분류하는 '피트 크루(pit crew)'와 같습니다. 또한, 엔진이 작동하는 동안 모든 부분의 전압과 온도를 체크할 수 있는 수백 개의 게이지가 달린 대시보드와 같은 '디버깅' 시스템도 구축했습니다.

엔진 튜닝: 완벽한 설정 찾기

가장 큰 과제 중 하나는 센서의 완벽한 '전압 설정'(바이어스)을 찾아내는 것이었습니다. 기타를 조율하는 것을 상상해 보세요. 줄이 너무 팽팽하거나 너무 느슨하면 음이 틀리게 됩니다. 연구팀은 센서의 노이즈가 온도와 전압 설정에 따라 변한다는 사실을 발견했습니다.

그들은 기묘한 현상을 발견했습니다. 센서를 차갑게 식힐수록 노이즈가 계속해서 줄어드는 것이 아니라, 특정 지점까지는 좋아지다가 아주 낮은 온도에서는 마치 라디오에서 이상한 잡음이 들리는 것처럼 다시 커진다는 것이었습니다. 이는 실리콘 내부의 미세한 '트랩(trap)'들이 전자를 붙잡았다가 놓아주기 때문에 발생하는 현상입니다.

이를 해결하기 위해, 그들은 자동화된 '튜닝' 과정을 실행했습니다. 그들은 3시간이 채 되지 않는 짧은 시간 동안 1,300가지 이상의 다양한 전압 설정 조합을 스캔했습니다. 마치 로봇이 가장 완벽한 화음을 찾기 위해 수백만 개의 코드를 연주하는 것과 같았습니다. 그들은 한 종류의 칩(W6)의 경우 최적의 설정이 −40°C일 때이며, 다른 종류(W16)의 경우 −100°C일 때라는 것을 찾아냈습니다.

결과: 선명한 이미지

칩을 튜닝한 후, 그들은 "XOC"라는 글자가 새겨진 금속 마스크를 촬영했습니다. 결과는 어떠했을까요? 로고가 선명하고 날카롭게 찍혔으며, 이는 카메라가 데이터를 정확하게 읽을 수 있음을 증명했습니다.

그다음, 그들은 '노이즈'(잡음)와 에너지 판독의 선명도를 측정했습니다. 결과는 다음과 같습니다:

• 속도: 그들은 전체 200만 픽셀 센서를 초당 2 MPixel/s(초당 200만 픽셀)의 속도로 읽어냈으며, 약 6.7 fps(초당 프레임 수)의 프레임 레이트를 달성했습니다. 이는 급격한 우주적 사건들을 흐릿함 없이 포착하기에 충분한 속도입니다.
• 노이즈: 그들은 카메라가 사진에 추가하는 잡음인 '읽기 노이즈(read noise)'를 측정했습니다. W6 칩의 경우, 16개 채널 중 11개가 3.0 electrons 미만이었고, 15개 채널이 3.2 electrons 미만이었습니다. W16 칩의 경우, 4개 채널은 3.0 electrons 미만이었고, 10개 채널은 3.5 electrons 미만이었습니다.
• 선명도: X선 에너지(특히 Iron-55의 5.9 keV 선)를 관찰했을 때, W6 칩은 12개 채널, W16 칩은 14개 채널이 150 eV보다 나은 선명도(FWHM)를 보였습니다.

이것이 미래에 갖는 의미

논문은 이 CCID-100 칩들이 거대하면서도(멀티 메가픽셀) 차세대 X선 망원경(예: AXIS 컨셉)을 위한 충분한 속도를 갖춘 최초의 칩이라는 결론을 내립니다. 연구팀은 "W16" 칩이 "W6" 칩보다 약간 더 많은 노이즈를 보였다고 언급했지만, 기술적으로 가능하다는 것을 입증했습니다. 그들은 단순히 추측한 것이 아니라 측정했습니다. 병렬 판독 전자 장치와 자동 튜닝을 사용함으로써, 우주의 가장 극단적인 환경을 관측하기 위한 다음 단계의 도약을 준비할 수 있는 카메라를 구축할 수 있음을 보여주었습니다. 엔진은 완성되었고, 튜닝도 끝났으며, 이제 경주를 시작할 준비가 된 것으로 보입니다.