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X線CCD素子のプロトン照射実験 X線CCDの放射線損傷 プロトン照射実験 照射後CCDの回復法 損傷のプロトンエネルギー依存性

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1 X線CCD素子のプロトン照射実験 X線CCDの放射線損傷 プロトン照射実験 照射後CCDの回復法 損傷のプロトンエネルギー依存性
鎌塚 友幸 2002 年 2月7日 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

2 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。
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 画素数:1024×1024 画素サイズ:24μm 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。

3 CCDの電荷転送(模式図) CCDの画素 転送方向 X線光子

4 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 電荷転送効率の劣化 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

5 トラップがある時の電荷転送 トラップ

6 放射線照射後は、転送回数が増えるに伴い信号波高値が低くなっている
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 250 500 転送回数 エネルギー(keV) CTI=1.1×10-4 照射後 照射前 250 500 転送回数 エネルギー(keV) MnKα(5.9keV) MnKβ(6.4keV) CTI=1.7×10-6 エネルギー(keV) 照射前 次に放射線照射前後のCCDの性能について述べます。まず、転送効率を示す値としてCTI電荷転送非効率という値が広く 用いられています。その意味は、 放射線照射後は、転送回数が増えるに伴い信号波高値が低くなっている CCDの性能評価には55FeからのX線(5.9keV,6.4keV)を使用

7 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
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 性能の変化を調べました。 測定項目は、まず、どのエネルギーのプロトンが転送効率劣化に大きく寄与しているか調べるため、171けぶから3.9めぶ まで6種のプロトンを照射し、性能を比較しました。その次に放射線耐性を高めたCCDの評価を行いました。 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。

8 300~400keVのプロトンが 転送効率を最も劣化させる。
転送効率劣化のプロトンエネルギー依存性 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 CTI まず、転送効率劣化のぷろとんエネルギー依存を測定した結果から話していきます。この図は171けぶ~522けぶまでのプロトンを照射した時のCTIの変化を表したもので、横軸が。。171けぶのCTI  292けぶにエネルギーがあがると 300~400keVのプロトンが      転送効率を最も劣化させる。

9 照射量が増すに伴い エネルギー分解能が 劣化する
照射量によるCCD性能の変化 エネルギー(keV) ΔE=146eV エネルギー(keV) ΔE=294eV 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 1.0×107 p/cm2 250 500 250 500 転送回数 転送回数 エネルギー(keV) ΔE=778eV エネルギー(keV) ΔE=1480eV 照射量が増すに伴い  エネルギー分解能が  劣化する ここでは、最もCTIの増加が激しかった292けぶのプロトン照射にたいするCCDの性能の変化について話します。 4つの図はすべて横軸CTI縦軸波高値をあらわしています。見ると照射量が増し、CTIが増加するにつれて、 信号波高値の傾きは大きくなっています。これを縦軸に投影してスペクトルに変換するとCTIの増加に伴いエネルギー分解能が 劣化しているのがわかります。 3.3×107 p/cm2 1.1×108 p/cm2 250 500 250 500 転送回数 転送回数

10 プロトンのエネルギー損失の シミュレーション
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 次に各エネルギーのプロトンがCCD内部のどの位置で大きなエネルギー損失があるか調べるため、シミュレーションを しました。図(上)はプロトンのSi中でのブラッグ曲線で、横軸がCCDの深さ方向、縦軸が、、、、となっています。 図(中)はCCDの断面図で、図(下)はCCD中でのポテンシャルをあらわします。前の実験から、300から400けぶ のプロトンが転送効率劣化に大きく寄与していることが判りました。ブラッグ曲線 電荷転送経路での損傷が転送効率劣化に最も寄与

11 放射線耐性を高めたCCD ノッチありCCD 電荷転送効率の劣化を抑える効果が期待できる トラップ ノッチ無し ノッチあり
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 1画素 次に放射線耐性を高めたCCDを評価した結果についてはなします。 電荷転送効率の劣化を抑える効果が期待できる トラップ 信号電荷 

12 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
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 ノッチありCCDの効果を調べるため、ノッチの有無による性能の比較を行いました。 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

13 性能回復法 アニーリング 電荷注入 縦転送 横転送 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。
100ライン 縦転送 横転送 電荷注入時のCCDのイメージ 注入電荷でトラップを埋める。 最後にCCDの性能回復法について述べます。代表的なものとしてアニ‐リング、電荷注入があります。。。電荷注入 は、画素に電荷を注入することにより、トラップを電子でうめ、信号電荷がトラップに捕獲されるのを防ぐ方法です。今回の実験では電荷注入について試しました。 電荷転送効率の回復が期待できる。

14 電荷注入有無の比較 391keVプロトンを照射 黒:電荷注入なし 赤:電荷注入あり 結果を示します。 電荷注入によりCTIが半減する

15 電荷注入の効果 CTI ΔE(@5.9keV) 照射前 1.7×10-6 149keV 照射後 5.7×10-4 1461keV 電荷注入
エネルギー(keV) 照射後 エネルギー(keV) 電荷注入あり エネルギー(keV) また電荷、注入頻度を多くすることにより、さらなる回復が見られました。図は、左からプロトン照射前、照射後 照射後CCDに電荷注入をした時のスペクトルです。電荷注入をするとCTIを約一桁程度回復させることが出来ました。それに伴いエネルギー分解能も大幅に回復しています。電荷注入法は効果的な回復方法だと言えます。 CTI 照射前 1.7×10-6 149keV 照射後 5.7×10-4 1461keV 電荷注入 6.7×10-5 364keV

16 まとめ 各種プロトン照射に対するCCDの評価 放射線耐性を高めたCCDの評価 性能回復方法の確立
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。

17 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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