Transcript 発表用OHP - 宇宙線研究室

宇宙用Ｘ線CCDカメラ
―CCD-CREST―の性能評価
辻本匡弘、濱口健二、
粟木久光、鶴剛、小山勝二
（京都大学理学部物理学第二教室）
0. アブストラクト
CCD検出器は、宇宙Ｘ線検出器として日本のASCA衛星にSIS(Solidstate Imaging Spectrometer)が搭載されその高い能力を発揮して以
来、観測衛星に定番の検出器となっている。
我々のグループは「画素の小さいＸ線検出用ＣＣＤの開発研究」という
戦略的基礎研究に基づき、阪大常深研、浜松ホトニクス(HPK)社と
協同で宇宙Ｘ線ＣＣＤの開発を行っている。HPK社側がＣＣＤチップ
の作成を、大学側がチップの性能評価を分担している。
本講演では、HPK社製ＣＣＤ検出器 ---CCD-CREST--- を用いて我々
のグループがさまざまな駆動条件の下で行った性能評価の結果を
報告する。
なお、本講演内容及び我々のグループのＣＣＤ検出器開発に関しては
<http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/member/xrayhard>にて公開
している。
１．宇宙Ｘ線ＣＣＤ検出器
宇宙Ｘ線を測定するデバイスとしては、比例計数管をはじめＣＣＤ検出
器、カロリーメータ、ＴＥＳなどが挙げられる。
そのなかでもＣＣＤ検出器は １、撮像ができる ２、高い精度のエネル
ギー分解能を有する ３、検出効率が高い などの特徴を有する万能
選手であり、今年打ち上げに成功した Ｃｈａｎｄｒａ（米）、ＸＭＭ（欧）及び
来年打ち上げ予定の Ａｓｔｒｏ－Ｅ（日）の全てのＸ線観測衛星に搭載さ
れている。
ただ、ＣＣＤ検出器は電荷転送に時間がかかるため、Ｘ線天文学では
必須の時間分解能があまりよくない。また最近では、ＣＣＤ検出器よりも
エネルギー分解能の高いカロリーメータなども実用化されている。従っ
て今後は、ＣＣＤ検出器に特化した情報（位置分解能や偏光など）を
精度よく測定できる検出器が望まれるであろう。本研究ではこれを踏ま
えて「ピクセルサイズの小さい」ＣＣＤ検出器の実用化を目指している。
２．Ｘ線ＣＣＤ検出器の開発体制
• 戦略基礎研究「画素の小さいＸ線検出用ＣＣＤの開発研
究」に基づいて開発が行われている。
• 大阪大学、京都大学、浜松ホトニクス社（ＨＰＫ）の共同
開発（ＨＰＫ側がチップの製作、大学側がチップの性能評
価を担当）
• 現在はテストチップを用いた性能評価の段階
• 最終目標は
（１）読み出しノイズ… ５ [electrons]
（２）空乏層厚… ５０[μｍ] （努力目標１００[μｍ]）
（３）エネルギー分解能… １３０［ｅＶ］@５．９[ｋｅＶ]
の性能を持つ衛星搭載可能なチップを完成すること。
３．測定システム紹介
我々のグループでは
• CCD実験を実験室レベルで容
易にできるようにする（→できる
だけ市販の製品を組み合わせ
て、システムを構成し、 手作り
の部分をなくす）。
• いろんな CCD を、いろんな動
作モードで動作させることがで
きる（→任意のクロックパターン
とクロック電圧がだせるように
する）。
ことを念頭に測定システムを構築
している。右図は我々の測定シス
テムの写真である。構成などは予
稿集を参照していただきたい。
４．ＣＣＤ検出器の紹介
今回我々が測定に用いた
ＣＣＤチップ、ＨＰＫ社製ＣＣ
Ｄ－ＣＲＥＳＴは以下のよう
な特徴を持つ。
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
有効受光領域
２５ｍｍ×２５ｍｍ
また、このＣＣＤチップはＸ線用なので、表面にアルミコーティングをして可
視光を反射している。
５．実験の概要
今回我々は、ＣＣＤ検出器の性能を高める３種類の実験を行った。
CCD検出器の性能を表す指標はいくつか考えられるが、今回はそのう
ち、エネルギー分解能を高める及び空乏層を厚くする＝検出効率を高
めることを目標に実験を行った。
• 実験Ａ … ななめ入射実験（入射Ｘ線をＣＣＤ面に対して斜めに入
射する）。
→ ねらい ： 空乏層を厚くする。
• 実験Ｂ … 多重相関サンプリング読み出し実験（サンプリングの回
数を増やして読み出しノイズを抑える）。
→ ねらい ： エネルギー分解能を高める。
• 実験Ｃ … 蓄積・転送電圧実験（電荷蓄積中の電圧を転送中の電
圧より高く設定する。）
→ ねらい ： 空乏層を厚くする。
６．実験Ａ：セッティング
ＭＯＳ型ＣＣＤ検出器の断面構造は、下図のように上から電極、絶縁層、
空乏層よりなる。ＣＣＤ表面からＸ線が入射すると、空乏層領域で光電吸
収され、その時に生じた電荷を集めてＸ線を検出する（①のケース）。
しかし、空乏層内で吸収されなかった場合は、折角Ｘ線が入射してもイベ
ントとして検出されない（②のケース）。したがって、検出効率を上げるため
には空乏層を厚くする必要がある。
③
電極（金属）
絶縁層（ＳｉＯ２）
空乏層（Ｓｉ）
①
②
そこで、この実験では、入射Ｘ線をＣＣＤ表面に対して斜めに入射する
（③のケース）ことで、空乏層が実効的に厚くすることを試みた。
ＣＣＤの法線方向から角度Θの向きからＸ線を入射すると、見込み角
がｃｏｓΘ倍になるが、空乏層が実効的に１/ｃｏｓΘ倍になるので、検出
されるＸ線のイベント数は入射角度Θによらずほぼ一定であることが
期待できる。
Ｘ線源（５５Ｆｅ）
Θ
ＣＣＤ
７．実験Ａ：実験結果
入射角
ｶｳﾝﾄﾚｰﾄ
実効空乏
ｴﾈﾙｷﾞｰ
Θ [d e g ]
[c n ts /s ]
層 厚 [μ m ]
分 解 能 [e V ]
0
4 4 .0
1 5 .7
186
15
4 2 .9
1 6 .0
188
30
4 3 .3
1 8 .8
183
45
4 3 .1
2 5 .2
184
60
4 2 .4
4 7 .7
182
→ 斜めからＸ線を入射すると、空乏層が実効的に厚くなった。
１０．実験Ｂセッティング
半導体を構成する媒質の平均電離エネルギーエネルギーを w [eV] と
すると、E[ev] のエネルギーを持つＸ線が入射した時に E/w 個の電
子が発生する。Ｘ線ＣＣＤ検出器では、このようにして発生する電子
の数を測定して、Ｘ線のエネルギーを測定する。
この際、エネルギー分解能ΔＥは
E 
N
2
 F(
E
)
w
ここで、N は読み出しにともなうノイズ、FはFano factor で、電子発
生がポアソン過程からどれだけずれているかを表す。
５５Ｆｅ のＫα線（5.9 [keV]）を Si の半導体検出器に入射する時は
w=3.65[ev]、F-0.12を代入して、原理的には130[eV]のエネルギー
分解能を達成できる。高いエネルギー分解能を達成するには、読
み出しノイズを抑えなければいけない。
そこでこの実験では、多重相関サンプリングと呼ばれる技法を用いて、
読み出しノイズの抑制を図った。
下にＣＣＤからの１ピクセル分の電気信号を示す。フロートレベル（０レ
ベル）とシグナルレベルの電圧をそれぞれ測定し、その差からＣＣＤ
の各ピクセルにある電子の数を計算する。多重（Ｎ重）相関サンプリ
ングとはフロート、シグナル両レベルの電圧をそれぞれＮ/２回測定し、
その平均で各レベルの電圧を決定する方法である。これにより、ピク
セル読み出し周波数よりも高い周波数のノイズの効果を抑えること
ができる。
今回ははＮ＝４（フロートレベルを２回、シグナルレベルを２回測定する、
以下同様），８、１６の測定を行った。
矢印は電圧を読み出す
タイミングを表す。図は
４重相関サンプリングに
相当
→
リセット信号
フロートレベル
シグナルレベル
９．実験Ｂ：実験結果
ｶｳ ﾝﾄﾚｰ ﾄ
空乏層厚
ｴ ﾈ ﾙ ｷ ﾞｰ
[c n ts / s ]
[μ m ]
分 解 能 [e V ]
４
9 .5 2
1 3 .1
199
８
9 .6 7
1 3 .4
192
１６
9 .6 0
1 3 .3
179
相関数
→ 読み出し回数を増やすとエネルギー分解能が向上した。
８．実験Ｃ：セッティング
ＣＣＤ検出器では、Ｘ線が当ったピクセルにそのＸ線のエネルギーに比例
した個数の電子が生成される。最終的に、１ピクセル毎の電荷量を読み
出すため、生成された電子を次々と隣のピクセルへ移動する。
読
み
出
し
口
受光領域
まず受光領域の最下段をシリアルレジ
スタに転送（縦転送）し、次にシリアルレ
ジスタ内の電荷を順に読み出し口に転
送（横転送）する。これを繰り返して各ピ
クセルの電荷量を読む（この転送方式を
フレームトランスファ方式と呼ぶ）。
シリアルレジスタ
Ｘ線が当たっていないピクセル
Ｘ線が当たって電子が生成されたピクセル
２相クロック方式の場合、各ピクセルに電極が２つついている。Ｘ線を照射
している時（蓄積中）には両電極ともＨｉｇｈレベルに設定（左下図）し、電荷
を転送する時（転送中）には隣り合う電極を交互にＨｉｇｈ→Ｌｏｗ→Ｈｉｇｈ→
Ｌｏｗレベルと変化（右下図）させて電子を移動させる。
この時、蓄積中の電極のＨレベルは空乏層を厚くするために高い方が、
また転送中の電極のＨレベルはノイズを減らすために低い方が望ましい。
実験に用いたチップでは、蓄積中と転送中のＨレベルを独立に変えること
ができなかったが、この実験では途中にスイッチング回路を導入すること
で、これを可能にした。
転送中の電圧 Ｈ/Ｌ＝０/－１０[Ｖ] に対し、蓄積中の電圧Ｈを０[Ｖ]、
６[Ｖ]、１２[Ｖ]に変えて実験を行った。
Ｈ
Ｈ
Ｈ
Ｈ
Ｌ
Ｈ
Ｌ
Ｈ
電極
絶縁層
空乏層
電位
電子
電子
蓄積中の電極電圧
転送中の電極電圧
１１．実験Ｃ：実験結果
蓄積時電圧
ｶ ｳﾝﾄﾚ ｰﾄ
空乏層厚
ｴ ﾈﾙｷﾞ ｰ
[V ]
[cn ts/s]
[μ m ]
分 解 能 [eV ]
0
1 3 .3
1 9 .8
521
6
1 4 .6
2 2 .8
523
12
1 6 .3
2 7 .1
526
→ 蓄積時の電圧を上げると空乏層は厚くなった。