Ｘ線ＣＣＤ素子のプロトン照射実験 ２００２ 年 ２月７日 鎌塚 友幸 • Ｘ線ＣＣＤの放射線損傷 • プロトン照射実験 –損傷のプロトンエネルギー依存性 –放射線耐性を高めたＣＣＤの評価 • 照射後ＣＣＤの回復法 我々の研究室では、衛星搭載用Ｘ線ＣＣＤの 研究開発を行っている。 ＣＣＤの構造 ＭＯＳ構造の半導体検出器 画素を２次元に配列した構造 Ｘ線が入射し、各画素で発生した 信号電荷を順次転送し読み出すこと によって撮像を行う。 画素数：１０２４×１０２４ 画素サイズ：２４μｍ ＣＣＤの電荷転送（模式図） 転送方向 ＣＣＤの画素 Ｘ線光子 宇宙には様々な放射線が存在する 放射線と半導体との相互作用 バルク損傷（格子欠陥の生成） バンドギャップにエネルギー準位 （トラップ）を生成 伝導帯 電荷転送効率の劣化 トラップ 1.15eV 電子 エネルギー分解能の劣化 荷電子帯 トラップがある時の電荷転送 トラップ 放射線照射前後のＣＣＤの性能 ＣＴＩ（電荷転送非効率）＝電荷を一画素転送する毎に失う電荷の割合 照射後 照射前 ＭｎＫβ（６.４ｋｅＶ） 照射前 ＭｎＫα（５.９ｋｅＶ） ＣＴＩ＝１.１×１０－４ ＣＴＩ＝１.７×１０－６ ０ ０ ５ ２５０ ２５０ ６ ５００ ７ ５００ 転送回数 エネルギー（ｋｅＶ） 転送回数 ５ ５ ６ ６ ７ ７ エネルギー（ｋｅＶ） 放射線照射後は、転送回数が増えるに伴い信号波高値が ５５ＦｅからのＸ線（５.９ｋｅＶ，６.４ｋｅＶ）を使用 ＣＣＤの性能評価には 低くなっている プロトン照射実験 衛星に搭載されたＣＣＤの放射線損傷には プロトンが大きく寄与している事が知られている 宇宙空間でのＣＣＤの放射線耐性を調べるため プロトン照射を行い、以下の項目について測定した • 電荷転送効率劣化のプロトンエネルギー 依存性 – １７１ｋｅＶ，２９２ｋｅＶ，３９１ｋｅＶ，５２２ｋｅＶ，２.０ＭｅＶ， ３.９ＭｅＶの６種を照射 • 放射線耐性を高めたＣＣＤの評価 プロトン照射には、大阪大学理学部のバンデグラフ型加速器 を使用した。 転送効率劣化のプロトンエネルギー依存性 ＣＴＩ •１７１ｋｅＶは劣化への寄与は 小さい。 •２９２ｋｅＶにエネルギーが上が ると、ＣＴＩが一桁以上増加する。 ３９１ｋｅＶでも同程度の増加で ある。 •５２２ｋｅＶまでエネルギーを上 げると、ＣＴＩが有意に低くなって いる。 •２.０ＭｅＶ，３.９ＭｅＶは、劣化へ の寄与は小さい ３００～４００ｋｅＶのプロトンが 転送効率を最も劣化させる。 照射量によるＣＣＤ性能の変化 ΔＥ＝２９４ｅＶ ΔＥ＝１４６ｅＶ ＣＴＩ増加への寄与が 最も大きい２９２ｋｅＶの プロトン照射時の変化 照射前 ０ ３ ２５０ ５ 転送回数 エネルギー（ｋｅ Ｖ） １．０×１０７ ｐ/ｃｍ２ ５００ ７ ０ ３．３×１０７ ｐ/ｃｍ２ ３ ２５０５ 転送回数 エネルギー（ｋｅ ２５０ ５ エネルギー（ｋｅ 転送回数 Ｖ） ５００７ 照射量が増すに伴い エネルギー分解能が 劣化する ΔＥ＝１４８０ｅＶ ΔＥ＝７７８ｅＶ ０ ３ １．１×１０８ ｐ/ｃｍ２ ５００ ７ ０ ３ ２５０ ５ 転送回数 エネルギー（ｋｅＶ） ５００ ７ プロトンのエネルギー損失の シミュレーション Ｓｉ中でのプロトンのブラッグ曲線 ３００～４００ｋｅＶのプロトンが 転送効率劣化に大きく寄与 ＣＣＤ表面から深さ２～４μｍでのエ ネルギー損失が大きい 電荷転送経路での損傷が 転送効率劣化に最も寄与 放射線耐性を高めたＣＣＤ •ノッチありＣＣＤ ノッチ無し ノッチあり １ 画 素 画素の一部に電荷転送経路を 制限し、転送電荷がトラップに 捕獲される確率をへらしたＣＣＤ 電荷転送効率の劣化を 抑える効果が期待できる 信号電荷 トラップ ノッチの有無の比較 ２９２ｋｅＶプロトン を照射 黒：ノッチなし 赤：ノッチあり ＣＴＩが～１０－４以上になると有意にノッチの効果が 発揮される 性能回復法 •アニーリング 電荷注入時のＣＣＤのイメージ •電荷注入 １００ライン 注入電荷でトラップを 埋める。 電荷転送効率の回復 が期待できる。 縦 転 送 １００ライン 横転送 電荷注入有無の比較 •黒：電荷注入なし ３９１ｋｅＶプロトン を照射 •赤：電荷注入あり 電荷注入によりＣＴＩが半減する 電荷注入の効果 照射後 照射前 ３ ５ ７ エネルギー（ｋｅＶ） 照射前 照射後 電荷注入 ３ ５ 電荷注入あり ７ エネルギー（ｋｅＶ） ＣＴＩ １.７×１０－６ ５.７×１０－４ ６.７×１０－５ ３ ５ ７ エネルギー（ｋｅＶ） ΔＥ（@５.９ｋｅＶ) １４９ｋｅＶ １４６１ｋｅＶ ３６４ｋｅＶ まとめ • 各種プロトン照射に対するＣＣＤの評価 – ３００～４００ｋｅＶのプロトンが転送効率を大きく劣化 させた。 – 電荷転送経路（ＣＣＤの表面下２～４μｍ）での 損 傷が転送効率の劣化に寄与する事が判った。 • 放射線耐性を高めたＣＣＤの評価 – ノッチありＣＣＤにおいてＣＴＩが１×１０－４以上では 転送効率の劣化を軽減する効果を確認した。 • 性能回復方法の確立 – 電荷注入法により転送効率を一桁回復させた。 – ５.９ｋｅＶのＸ線に対するエネルギー分解能で、 １４６０ｅＶから３６０ｅＶまで回復させた。 トラップを埋めた時の電荷転送 注入電荷 信 号 電 荷
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