astro-e2 搭載 x 線 ccd(xis) 裏面照射型チップの性能評価

Astro-E2搭載 X線 CCD(XIS)裏面照射型チップの性能評価

山口　弘悦、中嶋　大、松本　浩典、鶴　剛、小山　勝二（京都大学理学研究科）、他 XISチーム　Email:hiroya@cr.scphys.kyoto-u.ac.jp

Abstract: X線天文衛星 Astro-E2(2005年打ち上げ予定 )に搭載される X線 CCDカメラ (XIS)は、当初４台全てに電極側から X線を入射させる表面照射型 (FI)を採用する予定だったが、今年に入って４台中１台ないし２台はX線を電極の反対側から入射させる裏面照射型 (BI)を用いることに変更された。 Clや Znの特性 X線を用いて BIチップの量子効率を測定した結果、 96%@2.6keV、 34%@8.6keV であり、 FIチップの 88%@2.6keV, 54%@8.6keV と比較すると電極層での X線吸収がなくなる分、低エネルギーのX線に対する検出効率が大きく改善されていることがわかった。また、 55FeX線源を用いて測定した BIチップの高エネルギーバンドでのエネルギー分解能は〜 135eV@5.9keV と、 FIチップとほとんど等しい値を示した。　一方で BIチップは低エネルギー X線を電極から遠い点で吸収するため、入射によって生じた電荷の拡散が FIに比べて大きくなる。この拡散の影響や、低エネルギーX線の検出効率を考慮すると、解析法や解析パラメータを最適化する必要が生じる。今のところ、イベント閾値を超えたピクセルを中心とした３×３ピクセル内の電子雲のパターンからX線イベントを認識し、そのパターン内に含まれる電子数から入射X線のエネルギーを算出する「 Grade法」を用いて解析を進めているが、 BIは低エネルギー X線の検出効率が大きく、イベントの広がりも大きいため、イベント閾値やスプリット閾値を FIに比べて低く設定する必要がある。本講演ではこれらのパラメータの最適値についての議論を行い、その他に読み出しノイズや、 Bad column、 Hot pixelの分布などについての解析結果を報告する。

Grade法X線イベント ‥‥ grade0, 2, 3, 4, 6（左図）　黒い pixel event th.‥‥‥ を超えた pixel　灰色の pixel split th.‥‥ を超えた pixel

これらより大きく広がったイベント → grade7（ X線と見なさず除外）

FI (表面照射型 )：電極側から X線が入射エネルギーの低い X線にとって電極部が遮蔽物になる

→ 低エネルギーで検出効率が低い

BI (裏面照射型 )：電極の反対側から X線が入射→ 低エネルギーでの検出効率向上

但し、電子雲が広がるため 　エネルギー分解能は悪化

右： SNR IC443を 20ksec観測したときに得られるスペクトルのシミュレーション（ FI, BIともに１台あたり；赤 :BI 黒 :FI）

・ ASTRO-E2に搭載用 CCDカメラ (XIS)BIチップの性能評価を行った。・スプリット閾値等、各種解析パラメータを最適化。・検出効率は低エネルギー側で FIよりも優れる。・エネルギー分解能は FIとほぼ同じ値を示した。 BIとしては過去最高のレベルを達成。

X線 CCDは撮像・分光にバランスのとれた、 X線天文学における最も標準的な検出器　　　‥‥ ASCA( 日 )、 Chandra( 米 )、 XMM-Newton( 欧 )に搭載された

Astro-E2衛星 (2005年打ち上げ予定 )には４台の XISが搭載　　　‥‥ 精密な位置決定ができる唯一の検出器

XRS XIS XHD

台数 1 4 1

有効感度帯域 0.5-10keV 0.4-12keV 10-600keV

素子サイズ 624μm×624μm 24μm×24μm 24mm×24mm(GSO)

視野 2.92’×2.92’ 17.4’×17.4’ 0.56°×0.56 °@60keV

エネルギー分解能 6eV 130eV@6keV 3keV@10-40keV

Astro-E2 衛星　　　 CCDカメラ XIS 　　　　　　　　　　　　　 CCD素子

左写真中央の真空チェンバ内に XISを設置。

XISには右側のチェンバからの X線または中央のチェンバ内、右側からのビームラインとは別の場所に設置されている 55Feからの X線を照射できる。

写真左部および右下部に設置された SSDは X線強度とスペクトルの校正用。

光電吸収

軟 X線 硬 X線

FI CCD

電極

軟 X線 硬 X線

BI CCD

電極

上：両者の検出効率の比較赤： BI CCD、　黒： FI CCD

右図： X線照射中の XISのイメージ（一部）　　 白く見えるのが X線イベント

右側のチェンバからは、 Al(1.5keV), Cl(2.6keV), Ti(4.5keV), Fe(6.4keV), Zn(8.6keV), Se(11.2keV)の特性 X線および連続 X線が得られる。つまり、京大では 1.5keV 以上のX線データの取得を行う。これより低エネルギーの X線に関しては、グレーティングを用いた大阪大の実験システムで取得し、両者の結果を合わせて応答関数を作成することが最終目標となる。

BIチップには２台の Flight modelが用意されており、それぞれ BI0、 BI1という名前が付けられている。京都大では、 BI1のデータを 6/4から 6/9の６日間で、BI0のデータを 6/14から 6/18の５日間でそれぞれ取得した。

・読み出しノイズ　　‥‥電子回路起源のノイズ（放射能起源ではない）　　　　　 CCDの実際のピクセル数よりも多く　　　　　読み出しを行うことにより測定

A B C D

1024 pixel

1024 pixel

露光領域

蓄積領域

読み出し口

CCDからの信号は 256columnずつの４つの segmentで別々に読み出される（右図）。左図は BI0で55Feのデ ータを取得中の各segmentの読み出しノイズの時間変動。BI0, BI1ともに、どの segmentも常に 1.5-2ADU 程度で安定していた。（データ取り始め数 frameは除く）

seg A

seg B

seg C

seg D

・ Bad column　　‥‥正しく転送が行われない column　　　　　転送方向に tailを引くため Grade　　　　　　　　　法でふるい落とされる

BI0 BI1

long short long short

seg A 2 2 3 0

seg B 4 3 2 0

seg C 4 2 3 1

seg D 1 0 2 1

・ Hot pixel　　‥‥常に高い波高値 (PH) を示す pixel　　　　　格子欠陥などの理由が考えられる。このような pixelは観測には使えない。　　　　 FIでは正常な場合より 2000ADU 以上高い PHを示す pixelが数個あったが、　　　　 BIではこのようなものは見られなかった。その代わりに常に数 10ADU 程度高い PHを示す　　　　 pixel (warm pixelと呼ぶ ) がいくつか見られた。詳細については現在調査中。

Bad column

各チップ各 segment 毎に Bad columnの数を右表にまとめた。> 512 pixel → long< 512 pixel → short

seg B, seg C が視野の中心近くになるので、その意味で BI1が BI0に勝ると言える。しかしながら、どちらも 1024columnに対して高々 20columnに満たないので、観測に深刻な影響は及ぼさない。

longのうち大半は 1024pixel (column全体 ) に達する。

・イベント閾値 (event th.)、スプリット閾値 (split th.) の最適化

read

out n

oise

(A

DU

)

エネルギー分解能

(eV

)

検出効率

(%

)

event th.の最適値は、 BIチップがどれだけ低エネルギーのX線まで吸収できるかで決まる ‥‥京都大は高エネルギーの calibrationを担当しているので単独では決められない　　　 → 大阪大、マサチューセッツ工科大の実験結果から最適値を決定 → event th. = 20split th.については、ここでは京都大の結果だけから最適化を行う ‥‥取得したデータを各特性 X線ごとに、いろいろな split th.を用いてイベント判定し、　　　検出効率、エネルギー分解能の変化を見る

一般に‥‥split th.が小さすぎる → 検出効率低下　　 (grade7が増えるため )split th.が大きすぎる → エネルギー分解能低下　　 (本来広がったイベント　　　を grade0にみなすため )

全データを総合して、最適値を決定 → split th. = 14

例： split th.と検出効率／エネルギー分解能の関係　　上から、 BI0-Fe, BI0-Zn, BI1-Fe, BI1-Zn

抽出された 55Feのスペクトル (BI0)

・検出効率、エネルギー分解能の測定　　上の閾値を用いてイベント抽出し、そのスペクトルから検出効率とエネルギー分解能を測定　　測定は全特性 X線のデータに対して行った。下表にその　　一部を示す。表は BI0のもの。 (BI1と大きな差はない )

Energy (keV) 検出効率(%) 分解能 (eV)

Cl 2.62 96 104

55Fe 5.90 82 135

Zn 8.64 34 164

分解能は FIとほとんど同じ値を示した。 (表の値は FWHM)　　　　　 (FI:ΔE〜 130eV)