次世代X線天文衛星(NeXT)搭載用
X線CCD素子の開発
中本 創
目次

NeXT衛星について
 X線CCDの基礎
 NチャンネルCCD素子(CCD NeXT2)
 PチャンネルCCDの開発
 PチャンネルCCD素子(BI1-21-4K-2)
の性能評価
 まとめ
次世代X線天文衛星(NeXT)
NeXT衛星は
2005年に打ち上げた「すざく」
に次ぐ日本6号目のX線天文衛星
NeXT衛星イメージ HXI : CdTeピクセル型検出器
SXS : マイクロカロリメーター
2種類のX線望遠鏡
4種類の検出器を搭載予定。
Takahashi et al. at SPIE (2006)
SXT : 軟X線望遠鏡
(0.3 – 12 keV)
SXI : X線CCD
HXT : 硬X線望遠鏡
(0.2 – 80 keV)
SGD : 軟ガンマ線検出器
各検出器のエネルギーレンジ
(SXS)
©ISAS/JAXA
Takahashi et al. at SPIE (2006)
SXI : Soft X-ray Imager (X線CCD)
SXIのハウジング
フレキシブル
ケーブル
熱浴
ペルチェ素子
プリアンプ
CCD
読み出し
X線CCD素子の仕様 (ベースライン案)
画素サイズ
24 x 24 mm2
CCDタイプ
Nch
撮像領域
5 x 5 cm2
読み出し雑音
<5 eエネルギー分解能 <135 eV(@5.9 keV)
空乏層
77 mm
X線入射方式
表面照射型
エネルギー範囲
0.3 – 12 keV
X線CCDの原理
CCD内部のポテンシャル
電極の手前で電子を止める
(電極によるlossをなくすため)
=GND
電荷の転送方向
CCDの電荷転送の様子
左が3相クロック、右が2相クロック
電荷の転送
各ピクセルの電荷の流れ
1.縦方向に転送され、一行下の段に電荷が送られる。
2.最下段の横転送ラインにきた電荷が読み出し口から各pixelごとに読み出される
3.HOC領域まで一列全てが読み出されると、再び縦転送を行う。
4.この一連の流れをVOC領域まで全て読み出すまで行う。
表面照射型CCDと裏面照射型CCD
表面照射型CCD(FI;左)と
裏面照射型CCD(BI;右)
表面照射型
裏面照射型
:
:
高エネルギーで低Back Ground
低エネルギーで高検出効率
CCDの性能評価

目標とする温度、読み出しの速度でいかに高性
能を出せるか(55Feを用いて測定)
→いかにノイズを落とすことができるか、など

その付近での最適な温度、周波数はいくらか
→いかに効率よく電荷を転送できるか、など

素子の空乏層の厚さ、検出効率はどれほどか
(109Cdを用いて測定)
→いかに効率よくX線を検出できるか
CCDの読み出し波形
正常なCCDからの波形
一周期
Reset
Floating-level
積分
Signal-level
積分した領域の差を読み出し、信号の
電荷を決定する。
実際にオシロスコープで読み
出したCCDのoutput波形(青)
と積分波形(赤)
Gradeとは?
CCDに発生した荷電粒子が
X線起源のものであるかどうか
を選定するもの
矢印のものがX線である
↑じゃあこれは…?
性能を上げるには?
性能を上げる
≒
1.ノイズを落とす
エネルギー分解能を改善する
と考えてよい
各ノイズはそれぞれの領域を用いて決定
HOC領域
読み出し(横転送)ノイズ
VOC領域
縦転送ノイズ
Active領域
(実際に素子のPixelがあるエリア)
暗電流
性能を上げるには?2
読み出しノイズ
gain[eV / ch]
( HOCの標準偏差) 
Si電子の平均解離Energy(3.65eV )
縦転送ノイズ
(VOCの CenterChannel HOCの CenterChannel)
gain[eV / ch]

Si電子の平均解離Energy(3.65eV )
暗電流
( Activeの Center Channel VOCの Center Channel)
露光時間
gain[eV / ch]

Si電子の平均解離Energy(3.65eV )
これのばらつきを
ダークノイズとよく言う
僕だ
け?
性能を上げるには?3
エネルギー分解能に影響するもの
・X線の発生による電子などの統計的なゆらぎ(統計誤差)
・読み出しノイズ、暗電流など(系統誤差)
エネルギー分解能
FWHM  2.35
入射Energy(eV )
 FanoFactor  2
Si電子の平均解離Energy(3.65eV )
Fano Factorによってエネルギー分解能の限界が決まる
Siの場合F(Fano Factor)=0.12
2
2
2
   read




 out  noise
dark
縦転送など
性能を上げるには?4
2.CTIの改善
CTI
:
Charge Transfer Inefficiency
電荷転送非効率
電荷がトラップされてしまい、本来の電荷
の量よりも少ない電荷が読み出される
電荷転送
ただし、いつまでもトラップされたままではな
く、時間が経つと電荷は開放される
格子欠陥に電荷がない場合、また電荷
がトラップされる
CTIが最も悪化…転送の時間と電荷が
開放されるまでの時間が重なったとき
(1.155±0.010)x10-4
CTIの温度依存性
-70℃
RAWX
CTI
(1.36±0.09)x10-5
NeXT SXI の駆動温度
-140℃
転送の周波数は71.4 kHz
温度によってCTIは大きく異なる
RAWX
エネルギー分解能の
CTI依存性
CTI
CCD NeXT2でのCTIの温度依存
この依存性は素子によって大きく異なる
エネルギー分解能には
CTIが寄与している
このCTIの値を小さくすることで
エネルギー分解能が改善される
エネルギー分解能
空乏層の厚さを測定
コリメータについた109Cdを用いて測定
109CdからのX線
Ag-Ka
Ag-Kb
:
:
22.16 keV
24.94 keV
←NeXT2に取り付けた109Cd
109Cdを照射したCCD
検出効率を求めることで、空乏層の厚さが分かる
検出効率  1  exp(
平均自由行程
Ag-Ka
Ag-Kb
:
:
d空乏層厚
d平均自由行程
1444.9 mm2
1966.2 mm2
)
Pch15-6-26の画像↓
実際の素子の開発
CCD NeXT2
CCDの仕様
独立した素子が2個付いたもの
1画素
24μm×24μm
撮像領域
24mm×24mm
読み出し口の数 各2
N-ch CCD
24 mm
表面照射型
シリアルNo.
21-10B0KH-7,8
浜松ホトニクス社製
24 mm
Active area
プリアンプ基盤
55Feエネルギー分解能
測定結果
1ch 読み出し
Binning 1x1
総露光時間
撮像枚数
積分時間(signalのみ)
split threshold
:
:
:
:
:
-140℃
縦転送速度
:
2.5kHz
読み出し周波数
:
37.9kHz
: 132±3eV
6.04±0.03e-
ノイズから予想されるエネルギー分解能
PV 1/-8
PH 10/-5
RG 1/-7
SG 12/-12
OG 4
RD 15
602[sec]
OD 22
36[frame]
10.7[ms]
55Feのスペクトル(G0の
3σ
み)
駆動時の温度
[email protected] keV
読み出しノイズ
:
駆動電圧(単位:V)
: 130eV
P-ch CCDの開発
PチャンネルCCDの開発
動機 : 10 keV以上のエネルギーを持つX線に対する感度を上げたい
→ 空乏層を厚くとる必要あり
これまでに用いられていたNチャンネルCCDではなく、PチャンネルCCDを開発している。
(国立天文台(可視光)と京大、阪大(X線)、浜松ホトニクスで共同開発)
『あすか』、『すざく』などのX線CCD
NチャンネルCCD : 電子を転送
新たに開発したX線CCD
PチャンネルCCD : ホールを転送
ウエハ
:
P型シリコン
ウエハ
:
N型シリコン
メジャーキャリア
:
ホール
メジャーキャリア
:
電子
(ホールに対し易動度3倍)
比抵抗
:
5 kΩ以上が
入手困難
比抵抗
:
10 kΩ以上が
入手可能
空乏層厚
:
70~100 mm
空乏層厚
:
200 mm
d:
ρ:
μ:
V:
空乏層厚
比抵抗
易動度
印加電圧
PチャンネルCCDは
高エネルギーX線に対して高感度
SXI : Soft X-ray Imager (X線CCD)
SXIのハウジング
フレキシブル
ケーブル
熱浴
ペルチェ素子
プリアンプ
CCD
読み出し
X線CCD素子の仕様 (ゴール案)
画素サイズ
24 x 24 mm2
CCDタイプ
Pch
撮像領域
5 x 5 cm2
読み出し雑音
<5 eエネルギー分解能 <135 eV(@5.9 keV)
空乏層
290 mm
X線入射方式
裏面照射型
エネルギー範囲
0.3 – 30 keV
これまでのPチャンネルCCDの開発実績
PチャンネルCCDで深さ290 mmの空乏層厚
を確認。
ウエハを削り込むことにより、Pチャンネル
CCDの完全空乏化に成功。また、Pチャンネ
ルCCDで従来のNチャンネルCCDとほぼ同じ
エネルギー分解能を達成。
12mm
4.8 mm
画素サイズ
画素数
ウエハ厚
空乏層厚
X線照射方式
読み出し雑音
エネルギー分解能
24 x 24 mm2
512 x 512 画素
600 mm
290 mm
表面照射型
14 e180 eV
画素サイズ
画素数
ウエハ厚
空乏層厚
X線照射方式
読み出し雑音
エネルギー分解能
14.5 x 15 mm2
328 x 320画素
200 mm
200 mm
表面照射型
7 e143 eV
新たに開発した素子の仕様
これまでの基礎開発を基に大面積のPチャンネルCCDを開発。
画素サイズ
画素数
読み出し口
ウエハ厚
空乏層厚
3.1 cm
撮像領域
蓄積領域
X線入射方式
15 x 15 mm2
2048 x 4176 画素
4個
200 mm
200 mm
裏面照射型
※青い部分はARコーティング
バックバイアス
フレキシブル
ケーブル
右図のように
真空槽内部にCCDを取り付けて測定
プリアンプ基板
印加可能
CCDの撮像領域
イベントの広がりとその対策
Binning なし
1有効画素 :
0.09%
2x2画素以内のX線
イベント : 5.4%
その他 : 94.5%
Binning 4x4
1有効画素 :
19.9%
Binning
複数の画素を一つに
まとめて読み出す動作
2x2画素以内のX線
イベント : 77.4%
その他 : 2.7%Binning4x4で測定を行った
バックバイアス
逆極性の電圧(バックバイアス)
バックバイアス
電極の逆方向から印加する電圧
・電子雲が空乏層を移動する時間を短縮
・電子雲の拡散を抑制
バックバイアスの電圧値を上げると
広がったイベントが減少
空乏層
絶縁層
電極
電圧
Ratio
Ratio
バックバイアスの値を15~35[V](CCDの正常動作範囲)で変化
2x2画素に広がった
イベント
(Grade 6)
単画素イベント
(Grade 0)
Back Bias (V)
Back Bias (V)
P-ch 2K4K CCDの性能評価結果
動作温度 : -70 ℃
X線スペクトル(1有効画素イベントのみ使用)
読み出し速度 : 30 kHz
Mn Ka
55Fe
スペクトル
Mn Kb
バックバイアス : 35 V
Counts
1ch 読み出し
Binning 4x4
総露光時間
:
893 sec
撮像枚数 : 367 frame
Energy (keV)
読み出し雑音
: 5.38±0.13eエネルギー分解能 (5.9 keV) : 139±2 eV
ダウンロード

中本 創