X線用CCD検出器の性能向上 - Cosmic

X線用CCD検出器の性能向上
京都大学宇宙線研究室
辻本匡弘、濱口健二、村上弘志
鶴剛、小山勝二
＆
愛媛大学粟木久光
CCD-CREST の開発
戦略的基礎研究「画素の小さいX線CCDの開発研究」
 阪大常深研、京大宇宙線、浜松ホトニクス社の
共同プロジェクト
 開発目的
①本年度まで … スペクトロメータとして性能が高いチップ
厚い空乏層（→高検出効率）、高いエネルギー分解能
[目標] 空乏層厚50μm、エネルギー分解能１３０ｅＶ@５．９ｋｅＶ
②本年度から … ポラリメータとして実用的なチップ
小さいピクセルサイズ（→偏光X線測定）
[目標] ピクセルサイズ８μｍ×８μｍ

内容
１、実験セットアップ
２、スペクトロメータとしての性能を向上させる実験
 実験A：蓄積・転送電圧の分離
３、ポラリメータの予備的実験
 実験B：偏光測定システム構築と
偏光X線イベントの解析
４、まとめと今後の課題
実験セットアップ
CCD-CREST (deep2)
• Frame Transfer型
• ２相クロック駆動方式
• ピクセルサイズ
24μm×24μm
• 1024×1024ピクセル
真空チェンバ
クロック
ジェネレータ
ADC
実験A：蓄積・転送電圧分離（１）
検出効率を上げる
ため高くしたい
Ｈ
Ｈ
Ｈ
Ｈ
暗電流を抑えるため
低くしたい
Ｌ
Ｈ
Ｌ
電極
絶縁層
空乏層
電子の
potential
電子
電子
蓄積中
転送中
Ｈ
実験A：蓄積・転送電圧分離（2）
クロック
55Feを照射したときのスペクトル
カウント数
転送中の蓄積中の
電極電圧電極電圧
１５[V]
０[V]
アナログ
スイッチ
ＭｎＫα
ＭｎＫβ
ＣＣＤの電極
スイッチング回路の模式図
パルスハイト
実験A：蓄積・転送電圧分離（3）
空乏層厚 [μm]
分解能
180
175
40
170
35
165
30
160
25
155
20
150
0
4
8
12
蓄積中電極電圧 [V]
15
ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能 [eV]
空乏層厚
45
実験B：偏光X線の測定（1）
直線偏光したＸ線が入射
→ ＣＣＤ表面での電子群の広がりが楕円
→ 楕円の回転角から偏光面と偏光度を求める
偏光Ｘ線による
電子群の広がり
１７μｍ＠５０[ｋｅＶ]
偏光方向
電子群の
広がり
ＣＣＤ表面
ＣＣＤ-ＣＲＥＳＴ
の画素サイズ
２４[μｍ]
実験B：偏光X線の測定（2）
X線発生装置
CCD
X線
吸収体
•
•
•
•
最高５０ｋｅＶのX線をCCDに入射
X線管内の加速方向に直線偏光
偏光度は約40%
発生装置を回転
→色々な偏光角で測定
Θ
水平面
偏光面
実験B：偏光X線の測定（３）
1.65
縦/横
1.6
1.55
1.5
1.45
0
30
60
90
角度
120
140
180
まとめと今後
① スペクトロメータとして性能が高いチップ
• 蓄積中と転送中の電圧の分離
→エネルギー分解能を劣化させずに空乏層厚増
空乏層の厚いチップ作成、測定
測定システムからのノイズを落とす
② ポラリメータとして実用的なチップ
• 偏光Ｘ線測定システムを立ち上げ
• 偏光Ｘ線イベント解析方法を確立
小ピクセルサイズのＣＣＤの製作、測定
実験A：蓄積・転送電圧分離（4）
蓄積中
電圧
[V]
0
4
8
12
15
空乏層厚
カウント数
エネルギー
分解能
[μm]
14.5
(24.8)
15.8
(29.3)
18.1
(35.4)
19.1
(39.9)
20.0
(39.7)
[cnts/s]
[eV]
10.1
(15.1)
11.0
(16.7)
12.2
(18.5)
12.7
(19.7)
13.1
(19.6)
169
(183)
168
(183)
162
(180)
164
(183)
167
(181)
実験A：X線斜め入射（２）
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
実験A：X線斜め入射（１）
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
入射X線
電極
絶縁層
空乏層
Θ
光電吸収
CCDの断面図
空乏層厚
70
60
分解能
190
188
50
40
186
30
20
182
184
180
10
0
178
0
15
30
45
X線入射角 [deg.]
60
ｴﾈﾙｷﾞｰ分解能 [eV]
実効空乏層厚 [μm]
実験A：X線斜め入射（２）
０度
３０度
６０度
９０度

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