JAXA Repository / AIREX 未来へ続く、宙(そら)への英知
49044000.pdf4.8 MB
Other TitleDevelopment of MCP multianode for plasma observation in magnetospheres
Author(jpn)齋藤 実穂; 齋藤 義文; 向井 利典; 浅村 和史
Author(eng)Saito, Miho; Saito, Yoshifumi; Mukai, Toshifumi; Asamura, Kazushi
Author Affiliation(jpn)宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部; 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部; 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部; 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部
Author Affiliation(eng)Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science
Issue Date2005-11-30
PublisherJapan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
Publication date2005-11-30
AbstractThe goal of this research is to develop a new detector system for in-situ measurements of hot plasmas with a high time resolution to study electron dynamics in the magnetosphere. The new system consists of microchannel plates (MCP) and a position sensitive multi-anode detector, based on ASIC (Application Specific Integrated Circuit) techniques. The combination of the multi-anode and the ASIC techniques is expected to make the fastest position signal processing with small size, light weight and low power consumption, compared to other position detection techniques that have ever been used. The key technology is to accommodate the ASIC with the rear side of the anode (ceramic) plate, in which a multiple discrete anode pattern is printed on the front side. Capacitive coupling between the anode pattern on the front side anode and the signal pickup pattern on the rear side is used instead of discrete capacitors, which are usually required to insulate a high voltage applied to the anode. The anode plate is made of Alumina with thickness of 1 mm, and the capacitance for each anode is about 3 pF, which is smaller by two orders of magnitude than those of discrete condensers conventionally used. This anode condenser of low capacitance had been considered to be critical to whether the ASIC is applicable to the electron detector. However, our experimental result showed that the attenuation of signals due to the low capacitance was about 50 percent at most, and hence our new concept is useful. Next, effects of electrostatic coupling between the discrete anodes have been measured. This is important, since our new detector consists of many adjacent anodes with small gaps to increase the detection areas. Our experimental results show about the coupling effect of about 10 percent from the adjacent anodes for the anode condenser used, whereas the coupling effect without using the anode condenser is negligible. This is also understood in terms of the effect of low capacitance of the anode plate. Although the effect of 10 percent coupling can be effectively avoided with a suitable discrimination level in the signal processing circuit, it is highly preferable to increase the capacitance of the anode plate in future developments. Finally we present the performance of the test model of ASIC on board MCP multianode, though the ASIC has been developed for an application with SSD by Lawrence National Berkley Laboratory. The ASIC chip includes preamplifiers followed by its discriminator and counter and the size is 12 mm x 12 mm. Based on the experiment with the use of ion beam as incident on the MCP of the test model, we conclude that our new multi-anode detector system is applicable (though further studies are still necessary) to future missions for high-time resolution measurements of hot plasmas in the magnetosphere.
本研究の目的は、磁気圏in-situ高温プラズマ観測において、電子ダイナミクスを解明する高い時間分解能を得ることができる、新しい方式による検出部の開発である。MCP(microchannel plates)と位置検出マルチアノードからなり、ASIC(Application specific integrated circuit)技術を取り入れるところが新しい。ASICとマルチアノードの組み合わせは、最も高速な信号処理を可能にするだけでなく、同時に小型、軽量、低消費電力な検出部になると期待が持てる。これを可能にする基盤技術はASICをアノード基板(セラミック)の裏面へ直接搭載することである。アノード表面は多数の個別アノードを構成する導体パターンが、プリントしてある。このアノード基板をはさんだ表と裏の導体パターンによる静電容量を信号検出に用いる。これは、アノード表面の高電圧と信号処理系を絶縁する、高電圧絶縁コンデンサーの代用である。アノード基板は、厚さ1mmのアルミナであり、導体パターンでつくる。基板利用コンデンサーの静電容量は3pFである。これは通常、信号検出に用いられる、高電圧絶縁コンデンサーの静電容量より2桁小さい。高電圧絶縁コンデンサーをこの極めて小さい静電容量で代用できるかというのは、小型化を目的とした電子検出部としてASICを採用できるかどうかの決定要素であった。しかしながら、われわれの実験結果は、低静電容量による信号の減衰はあっても約50%であることを示した。厚さ1mmというのは、構造強度の要求を満たすので、この基板利用コンデンサーは、衛星搭載機器に利用できる設計概念である。次に個別アノード間の静電カップリングを測定した。多くの個別アノードが有効面積を大きくとれるように互いに隣接した構造をとる。マルチアノードシステムでは、重要な検討項目である。その結果、基板利用コンデンサーを使用するアノードは、隣接する個別アノード間に10%のクロストークがあった。一方で、アノードと処理系を直結させる場合では、電気的クロストークは無視できるレベルである。よって、電気的クロストークも、基板利用コンデンサーの低い静電容量の影響である。10%のクロストークは、アノード運用時、信号レベルの適切な設定により十分回避できる大きさであるが、将来的には、静電容量を大きくとるほうが望ましく、今後の課題である。今回、ASICはローレンスバークレー研究所が開発してきたSSD用の荷電アンプ、ディスクリミネータ、カウンターまでを含むチップを用い、マルチアノードを試作した。このチップのサイズは、およそ1.2mm×1.2mmである。実際に、イオンビームを照射し、試験した結果、われわれの新しいタイプのマルチアノードは、さらに研究を進める必要があるものの将来の磁気圏ミッションで、高時間分解能な高温プラズマ観測へ適用可能できると結論する。
DescriptionJAXA Research and Development Report
Keywordsmicrochannel plate; Earth magnetosphere; plasma density; plasma observation; multianode; time resolution; collection efficiency; count rate; charged particle; measuring instrument; application specific integrated circuit; マイクロチャネルプレート; 地球磁気圏; プラズマ密度; プラズマ観測; マルチアノード; 時間分解能; 捕集効率; カウントレート; 荷電粒子; 測定装置; ASIC
Document TypeTechnical Report
JAXA Category研究開発報告
Report NoJAXA-RR-05-009

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