Ｘ線ＣＣＤ検出器ーＣＣＤ‐ＣＲＥＳＴ（deep2）ーの性能評価と性能向上（京阪修論発表会）京都大学宇宙線辻本匡弘内容 • • • • • 実験のセットアップチップの性能評価チップの性能向上①～④ ＣＣＤ-ＣＲＥＳＴによる偏光Ｘ線の測定課題（まとめ）セットアップ① ＣＣＤ-ＣＲＥＳＴ(deep2) 戦略基礎研究「画素の小さいＸ線検出用ＣＣＤの開発研究」開発目標１）スペクトロメータとして性能の高いＣＣＤ → ＣＣＤの性能評価と性能向上２）ポラリメータとして実用的なＣＣＤ → 偏光測定システム、偏光Ｘ線イベント解析法確立特徴 転送方式 : Full Frame Transfer 駆動方式 : 縦横２相クロック フォーマット : １０２４×１０２４pixels CCD-CREST 有効受光領域 : ２５ｍｍ×２５ｍｍセットアップ② 実験システムクロックジェネレータＡＤＣ真空チェンバ性能評価暗電流 CCDチップの性能 • CTI • 暗電流 CTI 縦転送 2.5×10-6 [/転送] 横転送 1.1×10-6[/転送] 読み出しノイズより十分小さい動作温度‐８０℃ 以下でOK 性能向上① 最適駆動電圧の決定縦転送、横転送、リセットの電圧（高・低レベル）を独立に変えて最適値を求めた＊但し、H/Lの差は１０[V]に固定撮像領域縦転送リセット •エネルギー分解能で１２％ •空乏層厚で４５％の性能向上ｼﾘｱﾙﾚｼﾞｽﾀ読み出し口横転送リセット電圧＞横転送電圧＞縦転送電圧の時、最高性能性能向上② 蓄積、転送電圧の分離検出効率を上げるため高くしたいＨＨＨＨノイズを抑えるため低くしたいＬＨＬ電極絶縁層空乏層電子のポテンシャル電子電子蓄積中転送中Ｈ性能向上② 蓄積、転送電圧の分離転送中の蓄積中の電極電圧電極電圧１０[Ｖ] ０、６、１２[Ｖ] クロックアナログスイッチＣＣＤの電極へスイッチング回路の模式図５５Ｆｅのスペクトル性能向上② 蓄積、転送電圧の分離蓄積時電圧 [V] 0 6 12 ｶｳﾝﾄﾚｰﾄ [cnts/s] 13.3 (7.53) 14.8 (8.26) 16.3 (9.10) 空乏層厚 [μm] 23.9 (11.1) 22.8 (10.6) 27.1 (12.0) ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能[eV] 523 (422) 531 (433) 526 (422) 空乏層厚を１３％増加 * grade02346 の値（括弧内はgrade0の値）。 * 分解能が悪いのは回路の問題。今回は関係ないので無視性能向上③ Ｘ線源の斜め入射斜めからX線を入射することで実効的に空乏層を厚くすることができる電極（金属）絶縁層（ＳｉＯ２）空乏層（Ｓｉ）性能向上③ Ｘ線源の斜め入射入射角 Θ[deg] 0 15 30 45 60 実効空乏層ｶｳﾝﾄﾚｰﾄ厚[μm] [cnts/s/cm2] 29.7 17.2 (22.5) (12.4) 30.1 18.0 (21.8) (11.6) 34.7 21.4 (26.2) (14.5) 42.3 29.3 (29.9) (17.4) 58.9 62.3 (41.8) (28.9) ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能[eV] 186 (172) 188 (175) 183 (171) 184 (169) 182 (170) 入射角６０°の時に実効的な空乏層厚が６２．３μｍ入射角が大きいと、電子雲の広がりは小さくエネルギー分解能向上性能向上④ 多重相関サンプリングサンプリング回数を増やすことで、高周波ノイズを落とすことができる（相関数＝４，８，１６で実験）フロートレベル → リセット信号例；４重相関サンプリングシグナルレベル性能向上④ 多重相関サンプリング相関数４８１６ｶｳﾝﾄﾚｰﾄ [cnts/s] 13.5 (9.60) 13.4 (9.66) 13.4 (9.52) 空乏層厚 [μm] 24.5 (15.2) 24.4 (15.3) 24.4 (15.0) 読み出しノイズ[e] 16.3 15.3 14.2 読み出しノイズを１５％低減エネルギー分解能＠５．９keVを10%向上ＣＣＤによるＸ線偏光測定（１）セットアップ X線発生装置 CCD-CREST(deep2) X線吸収体 • X線発生装置からのX線を直接CCDに入射 • X線管内の加速方向に直線偏光 • 発生装置を回転させる偏光面ＣＣＤの水平面ＣＣＤによるＸ線偏光測定（２）X線発生装置からの偏光散乱体（ポリエチレン） SSD検出器 X線発生装置回転台回転台を回転させて散乱X線の強度を測定管電圧に相当するエネルギーの偏光度が約４０％ＣＣＤによるＸ線偏光測定（３）結果縦/横 1.7 1.6 35-40 40-45 45-50 1.5 1.4 1.3 0 30 60 90 120 150 180 角度４５－５０keVの X線で傾向が見えたＣＣＤの構造解析法 ①β線照射による空乏層厚測定表面図入射角５°の時の β線イベントの例断面図絶縁層空乏領域中性領域 β線空乏層厚１６μm → 量子効率より求めたもの（２０μｍ）にほぼ一致課題（まとめ）（１）高性能スペクトロメータの開発 •空乏層を厚くして検出効率を高めた（現在検出効率約６０％＠５．９ｋｅＶ）空乏層の厚いチップ作成、測定（現在ＣＣＤ‐ＣＲＥＳＴ（ｄｅｅｐ３）が使用可能） •電圧、読み出し法の最適化でエネルギー分解能を上げた（現在約１５０ｅＶ＠５．９ｋｅＶ）測定システムからのノイズを落とす（２）実用的ポラリメータの開発 •偏光Ｘ線測定システムを立ち上げた •偏光Ｘ線イベント解析方法を確立したピクセルサイズの小さいＣＣＤの製作、測定（現在８μｍ×８μｍのチップの作成）