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

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。

ＣＣＤの電荷転送（模式図） ＣＣＤの画素 転送方向 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 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

トラップがある時の電荷転送 トラップ

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 ０ ２５０ ５００ 転送回数 エネルギー（ｋｅＶ） ５ ６ ７ ＣＴＩ＝１.１×１０－４ 照射後 照射前 ０ ２５０ ５００ 転送回数 ５ ６ エネルギー（ｋｅＶ） ＭｎＫα（５.９ｋｅＶ） ＭｎＫβ（６.４ｋｅＶ） ７ ＣＴＩ＝１.７×１０－６ エネルギー（ｋｅＶ） ５ ７ ６ 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

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。

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。

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 ７ ５ ３ エネルギー（ｋｅＶ） ΔＥ＝１４６ｅＶ エネルギー（ｋｅＶ） ７ ５ ３ 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 ０ ２５０ ５００ ０ ２５０ ５００ 転送回数 転送回数 ５ ３ エネルギー（ｋｅＶ） ７ ΔＥ＝７７８ｅＶ エネルギー（ｋｅＶ） ７ ５ ３ 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 ０ ２５０ ５００ ０ ２５０ ５００ 転送回数 転送回数

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

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　

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

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。

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

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 ３ ５ ７ エネルギー（ｋｅＶ） 照射後 ３ ５ ７ エネルギー（ｋｅＶ） 電荷注入あり ７ ５ エネルギー（ｋｅＶ） ３ 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 ΔＥ（@５.９ｋｅＶ) 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

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。

トラップを埋めた時の電荷転送 注入電荷 信号電荷