Namiki poster - 大阪大学X線天文グループ

Astro-E2 搭載 XIS のX線検出効率における
X線吸収微細構造の影響
並木雅章、林田清、鳥居研一、勝田哲、東海林雅幸、松浦大介、宮内智文、常深博（阪大理）、
片山晴善（JAXA）、幸村孝由（工学院大）、他 Astro-E2 XIS チーム
概要
2005年打ち上げ予定のX線天文衛星Astro-E2には、4台のCCDカメラ (XIS2号機; X-ray Imaging Spectrometer 2) が搭載される。XISはエネルギー範囲0.2--12 keV に感度
を持ち、大阪大学では主に0.2--2.2keVの低エネルギー側の較正を行っている。
XIS較正実験の一つの目的は、入射X線エネルギーの関数としての検出効率の測定にある。0.2--2.2 keV という低いエネルギー範囲における検出効率は、主に、電極や
保護膜などのX線不感層の構造と厚みによって決定される。これらは、シリコン及び酸化シリコンを原料としているため、酸素やシリコンの吸収端に相当するエネルギーで
は検出効率の値が大きなジャンプを持つ。このジャンプは、単純な階段関数で近似されることも多いが、実際には XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) と呼ばれる複雑
な微細構造をもつことが知られている。
我々の較正実験では、連続X線をグレーテイング分光器を通して XIS-CCD に照射しており、CCD上でのX線入射位置によって入射エネルギーが一意に決定されるため
に、連続的なX線エネルギーに対する検出効率測定が可能となっている。我々は、特に酸素やシリコンのK殻吸収端付近に着目し、精度のよい測定を行った。結果として、
FI型XIS-CCDの検出効率において、酸素のK吸収端付近(0.52--0.58 keV)で顕著な微細構造があることがわかり、例えば0.01 keV 以下の幅で、検出効率が周囲の1/4以下
に落ちこむ。シリコンのK吸収端付近(1.85 keV) でも構造が見られるが酸素の場合ほどの強度減少は見られない。また、BI型XIS-CCDでは酸素のK吸収端でもFI型ほど顕
著な構造はなく、XAFS の BI型CCDへの影響は少ない。
1. XAFS (X線吸収微細構造)
3. K殻吸収端近傍の構造
XAFS とは
元素に固有のX線吸収端近傍に現れる振動構造を XANES (X-ray Absorption
Near Edge Structure)、それよりも高いエネルギー側に現れるなだらかな振動構
造を EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) と呼び、その両者を
合わせて XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) と呼ぶ。
表面照射型(FI) CCD、裏面照射型 (BI)
CCD によって検出された、酸素K吸収端
付近の分散X線スペクトル。緑の点線は
XIS-1号機で取得されたデータ。
FI-CCD: 酸素の吸収端付近で鮮明な XAFS 。
BI-CCD: 保護膜(SiO2) を通過しないため、酸素の吸収端による影響はない。
XIS-1号機 (FI): 2号機とほぼ同じ構造を示す。
XAFS の原理
物質中に含まれるある元素の特性吸収端付近のエネルギーを持つX線を照射
したとき、一部が吸収され、原子の内核電子を光電子として放出するためのエ
ネルギーとして使われる。放出された光電子は、球面波として振る舞い、周りの
原子によって散乱される(上右図参照)。この散乱波と元の球面波が干渉し、吸
収係数が変調され、吸収端付近に微細構造が現れる。吸収端のごく近傍にお
いては、光電子の持つエネルギーが小さいために、多重散乱による効果が大き
く、複雑な微細構造、XANES が現れる。入射X線のエネルギーが、吸収端から
高エネルギー側へ離れるにつれ、振動は緩やかに減衰する (EXAFS) 。
シリコンK吸収端付近の分散X線スペクトル。取得条件は、若干異なる。
FI では、約 30% の強度減少が見られるが、酸素の吸収端付近ほど鮮明な XAFS
構造は見られない。また、BI では吸収端に相当する構造は見受けられない。
また、XIS-1号機(点線)との比較では、シリコンの付近でも大きな差異は見られない。
XAFS は、原子の近傍の構造を反映していることから、表面や界面の微小な領
域の構造を調べるのに適した方法として広く用いられている(X線吸収分光学)。
4. XAFS のモデル化
2. XISの検出効率
XAFS の影響
我々のXIS較正実験の一つの目的は、入射X線エネ
ルギーの関数としての検出効率の測定にある。 X線
CCD検出器においては、電極や保護膜などの不感層
に用いられている酸素やシリコンのK殻吸収端エネル
ギー付近にXAFSの影響が現れる。天体からやってく
るX線は、このエネルギー付近に、熱的なプラズマ中
の高階電離した元素からの輝線など、重要な構造を
持つものが多い。したがって、このXAFS の効果を取
り入れた検出効率を求め、全ての衛星搭載用セン
サーについて、より精密な応答関数を構築することが
要求されている。
上図は、酸素K吸収端付近の、規格化した分散ス
ペクトル (FM-S2)に、Q.E.を重ねて表示したもの、
下図は、FI-CCD の Q.E. からのズレの割合をあら
わしたものである。XAFS を細かく区切ったエネル
ギー範囲にわけ、それぞれをモデルに基づいて
フィッティングを行い、エネルギーの関数として求
める。例えば、E1 ~ E2 の XANES に相当する区
間では、
F(E) = A0 ∙ sin (A1 ∙ E 0.5 + A2)
A2 = - A1 ∙ E1 0.5
というモデルが A0、A1、A2 をフリーパラメータ
として適用される (Mori et al. 2001, NIMPR A,
459, 191-199)。
暫定的に求められている Q.E. とこの XAFS
の結果を合わせ、最終的な検出効率として衛
星搭載用 XIS の応答関数に組み込まれる。
XIS (FI-CCD) の検出効率
阪大実験システムで得られた XIS-EU
及び、XIS FM-S2センサー(ともに表面
照射型: FI-CCD)の 0.2 –2.2 keV の検
出効率(Q.E.)。実験システムの詳細は
W10c (松浦他)、検出効率の詳細な導
出方法は W06b (勝田他)を参照。
尚、このモデルではまだ酸素、シリコン
の吸収端近傍でのXAFS の影響は取
り入れられていない。
5. まとめと今後の予定
• FI-CCD は XAFS の影響により、酸素の吸収端近傍で顕著な微細構造を示す。
シリコンの吸収端付近でも構造は見られるが、酸素の場合ほど顕著ではない。
• BI-CCD は、その構造のため XAFS による影響が、いずれの場合も小さい。
• XIS-1号機との比較において、2号機でも同様の振る舞いを示すことから、XIS-1
号機で用いられた手法が適用可能。
• 全ての衛星搭載用センサーの XAFS 周辺の検出効率をモデル化し、XIS の応
答関数に組み込む。

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