Astro-E2衛星搭載 XISのデータ処理方法の最適化大阪大学大学院理学研究科宇宙地球科学専攻常深研究室東海林雅幸内容  XIS  データ処理方法の最適化（電荷漏れ補正）（スプリット閾値の最適化）  軟X線に対する応答関数  まとめ XIS XISとは、２００５年打ち上げ予定のAstro-E2衛星に搭載されるX線天体観測用のCCDカメラのことである。天体の撮像とスペクトルの取得を目的とする。  ノイズを抑えるために、軌道上では－９０ [℃] で運用  0.2～12 [keV] のX線に有効な感度を持つ X線CCDの特徴 30cm    優れたエネルギー分解能優れた位置分解能 X線入射位置とエネルギーを同時に知ることが可能 X線天文衛星の検出器として、事実上の標準 XISの概観ＸＩＳのデータ処理の流れＸ線強度天体のスペクトルＸＩＳハードウェアフレームデータＸ線エネルギー応答関数カウント数 XISで観測したスペクトルＰＨデータ処理 • イベント抽出 • イベント選択 • ＰＨ合成 XISのX線検出原理素材である Si中でX線が光電吸収されると、電子正孔対が発生する。できた電子の数を信号に変換することで、入射X線エネルギーを測定できる。 XISから出力されたフレームデータ CCD受光面縦転送 CCD蓄積面読み出し口横転送イベント抽出・選択、ＰＨ合成 • イベント抽出フレームデータから、ある閾値以上のピクセルとその周囲３×３のピクセルの信号波高値を抽出する • イベント選択イベント抽出されたイベントのパターンを調べて、Ｘ線によりできたイベントを選びだすシングルイベント上スプリットイベント下スプリットイベント X線イベント CCDの１ピクセルは、２４μmなのに対し、 10keV以下のX線で発生する電荷は、数μmしか広がらない３連続イベント X線イベントではないと判定されるスプリット閾値を超えたピクセル（他にもイベントパターンあり） • ＰＨ合成スプリット閾値を超えたピクセルの信号波高値を中心ピクセルに足し合わせるＰＨ＝＋イベントパターン分岐比ＸＩＳ全面に単色エネルギーのＸ線 (5.9keV) を照射する実験を行い、イベント分岐比を調べた。（CCD温度:－９０℃）問題点 上スプリットイベントと下スプリットイベントの割合は、等しいはず。 ３連続イベントの割合が非常に多い。シングルイベント１１% 上スプリットイベント５３% ２２% １０% ４% 下スプリットイベント３連続イベントその他（横スプリットイベントなどを含む）イベントパターンの解析縦転送方向上ピクセル（追跡ピクセル）下ピクセル（先行ピクセル）それぞれのピクセルについて信号波高値の波高分布を調べた。１１% シングルイベント上スプリットイベント５３% ２２% ４% １０% 下スプリットイベント３連続イベントその他（横スプリットイベントなどを含む）上ピクセルと下ピクセルの波高分布カウント数カウント数 a CCD受光面を４分割し、領域ごとに上ピクセル（追跡ピク b 上ピクセル（追跡ピクセル）セル）と下ピクセル（先行ピクセル）の波高分布を調べた。読み出し口から遠い下ピクセル転送回数が多い（先行ピクセル） d 縦 c 転転送回数に差をつけたときの波高分布信号波高値 [ADU] 信号波高値 [ADU] 送方向の違いを調べることができる b カウント数カウント数下ピクセル上ピクセル上ピクセル c d • 上ピクセル(追跡ピクセル）の信号波高値が高い側にシフトしている。 • 転送回数が多くなるほど、シフト量が大きくなる。下ピクセル読み出し口から近い •上スプリットイベントが多い原因。転送回数が少ない •転送中に中心ピクセルの電荷が上ピクセルに、漏れ出している。 a 信号波高値 [ADU] ＣＣＤ受光面信号波高値 [ADU] 上ピクセルの中心信号波高値 [ADU] 電荷転送回数と漏れ込み量の関係電荷転送非効率 (CTI) 電荷を１画素転送したときに失われる電荷の割合。 d c b a 傾きからCTI は -6 CTI = (4.5±0.3)×10 [ /Transfer ] 転送回数ＣＴＩのエネルギー、温度依存性Ｘ線エネルギー:5.9[keV] －4 －0.5 CTI= (1.72・10 )×E CTI [ /Transfer] CTI [ /Transfer] CCD温度:－９０ [℃] Ｘ線入射位置とエネルギーの情報から、転送回数とＣＴＩが分かるので、上ピクセル（追跡ピクセル）への電荷漏れ込み量を知ることができる。 ⇒ 漏れ込んだ電荷を中心ピクセルに戻す補正が可能。入射X線エネルギー [ADU] CCD温度 [℃] 電荷漏れ補正後の採択イベント数 5.9keV 8.6keV 採択イベント数補正前 273272 62403 （３連続イベントは除く）補正後 302360 72057 15% 増加率 11% 5.9keVで11%、8.6keVで15%、採択イベント数の増加に成功理由補正前３連続イベント補正後下スプリットイベントＸ線イベントと見なされる割合の増加電荷漏れ出しの原因＝電荷トラップ温度が低いとき（－９０℃）トラップ縦転送方向温度が高いとき（－８０℃）トラップ－0.5 ＣＴＩがＥに比例するので、トラップに捕らえられる電荷の数 ∝ E ∝ 電荷パケットが占める体積 0.5 ＸＩＳのデータ処理の流れＸ線強度天体のスペクトルＸＩＳハードウェアフレームデータエネルギー応答関数応答関数カウント数デ XISで観測したスペクトルータ処理 • イベント抽出 • イベント選択 • 電荷漏れ補正 • スプリット閾値最適化 • ＰＨ合成新たなデータ処理ＰＨカウント数単色Ｘ線入射に対するスペクトル＝応答関数 FWHM (半値幅) 中心ＰＨ:入射Ｘ線エネルギーを反映中心PH ＦＷＨＭ:エネルギー決定精度の目安 PH [ADU] 入射Ｘ線エネルギー＝０．５３keVの場合中心PH [ch] 入射Ｘ線エネルギーと中心PH、FWHM関係 40 直線モデルで、約８eVの再現性がある 20 -20 -40 検出効率のデータと合わせることで、すべてのエネルギーに対する応答関数が得られる。まとめ  データ処理方法 • 上ピクセル（追跡ピクセル）に電荷が漏れ出していることを見つけた。上ピクセルへの電荷漏れ出し量と入射X線エネルギーの関係を求め、電荷漏れ出しの補正法を確立した。電荷漏れ出し補正により、検出イベント数を最大１５％増加できることを示した。 • •  低エネルギーＸ線に対する応答関数を求めた。データ処理方法と応答関数の結果は、ＸＩＳで観測を行うすべての研究者に利用される。