次世代X線天文衛星(NeXT)搭載用 X線CCD素子の開発

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1 次世代X線天文衛星(NeXT)搭載用 X線CCD素子の開発
中本　 創

2 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

3 次世代X線天文衛星(NeXT) ２種類のX線望遠鏡 ４種類の検出器を搭載予定。 NeXT衛星は 2005年に打ち上げた「すざく」
SXS : マイクロカロリメーター HXI : CdTeピクセル型検出器 SGD :　軟ガンマ線検出器 SXI : X線CCD NeXT衛星イメージ Takahashi et al. at SPIE (2006) SXT : 軟X線望遠鏡 (0.3 – 12 keV) HXT : 硬X線望遠鏡 (0.2 – 80 keV) まず、NeXT衛星の簡単な紹介をさせていただきます。 NeXT衛星は２００５年に打ち上げられましたX線天文衛星「すざく」に次ぐ 日本第６号目の衛星として計画されています。 衛星には２種類のX線望遠鏡が搭載されます。１つはSXT軟X線望遠鏡で0.2 – 10 keVのX線を集光し、もう１つはHXT硬X線望遠鏡で0.2 – 80 keVまで集光でき、初めて10 keV以上の撮像が可能になります。 検出器は４種類で、SXTの焦点面検出器にマイクロカロリメータ、X線CCD、HXTの焦点面検出器にCdTeピクセル型検出器、そして軟ガンマ線検出器です。 下の図は各検出器のエネルギーレンジを示したもので、NeXTは0.3 – 600 keVの広帯域をカバーしています。 これらの中で我々はSXIに向けてX線CCDの開発を行っています。 各検出器のエネルギーレンジ ©ISAS/JAXA Takahashi et al. at SPIE (2006) (SXS)

4 SXI : Soft X-ray Imager (X線CCD)
フレキシブル ケーブル ペルチェ素子 プリアンプ 読み出し 熱浴 SXIのハウジング SXIはSoft Xray Imagerの略で、X線CCDカメラシステムです。 こちらの図はSXIのハウジングです。 CXB、宇宙線によるバックグラウンドを抑えるためにCCD素子全体をシールドします。 CCD周りの拡大図はこちらです。 SXIに用いるCCD素子の仕様は、 画素、、、 です。 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 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

5 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 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 電荷の転送方向

6 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。

7 表面照射型CCDと裏面照射型CCD 表面照射型 : 高エネルギーで低Back Ground 裏面照射型 : 低エネルギーで高検出効率
表面照射型CCD(FI;左)と裏面照射型CCD(BI;右) 表面照射型 : 高エネルギーで低Back Ground 裏面照射型 : 低エネルギーで高検出効率

8 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

9 CCDの読み出し波形 正常なCCDからの波形 Reset 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)
一周期 積分 Reset Floating-level Signal-level 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) 積分した領域の差を読み出し、信号の電荷を決定する。

10 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…？

11 性能を上げるには？ 性能を上げる ≒ エネルギー分解能を改善する と考えてよい 1.ノイズを落とす HOC領域 読み出し(横転送)ノイズ
性能を上げる ≒ エネルギー分解能を改善する 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　と考えてよい 1.ノイズを落とす 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

12 性能を上げるには？2 読み出しノイズ 縦転送ノイズ 暗電流 これのばらつきを ダークノイズとよく言う 僕だけ？

13 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 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

14 性能を上げるには？4 2.CTIの改善 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
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

15 CTIの温度依存性 温度によってCTIは大きく異なる 転送の周波数は71.4 kHz (1.155±0.010)x10-4 -70℃ CTI
RAWX ADC ch (1.155±0.010)x10-4 　　　CTI -70℃ (1.36±0.09)x10-5 ADC ch NeXT SXI の駆動温度 転送の周波数は71.4 kHz -140℃ 温度によってCTIは大きく異なる RAWX

16 エネルギー分解能の CTI依存性 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
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 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

17 空乏層の厚さを測定 109CdからのX線 Ag-Ka : 22.16 keV Ag-Kb : 24.94 keV
←NeXT2に取り付けた109Cd 109Cdを照射したCCD Pch の画像↓ 検出効率を求めることで、空乏層の厚さが分かる 平均自由行程 Ag-Ka : mm2 Ag-Kb : mm2

18 実際の素子の開発

19 CCD NeXT2 Active area 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 表面照射型 シリアルNo B0KH-7,8 浜松ホトニクス社製 24 mm 24 mm Active area プリアンプ基盤

20 55Feエネルギー分解能 測定結果 駆動電圧（単位：V） PV 1/-8　　PH 10/-5 RG 1/-7　 SG 12/-12 OG 4　　　RD 15 OD 22 1ch　読み出し Binning 1x1 総露光時間 : 602[sec] 撮像枚数 : 36[frame] 積分時間(signalのみ) : 10.7[ms] split threshold : 3σ 55Feのスペクトル(G0のみ) 駆動時の温度 : -140℃ 縦転送速度 : 2.5kHz 読み出し周波数 : 37.9kHz keV :　132±3eV 読み出しノイズ :　　　　　6.04±0.03e- ノイズから予想されるエネルギー分解能 ： 130eV

21 P-ch CCDの開発

22 PチャンネルCCDの開発 PチャンネルCCDは 高エネルギーX線に対して高感度
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 新たに開発したX線CCD NチャンネルCCD　:　電子を転送 PチャンネルCCD　:　ホールを転送 ウエハ : P型シリコン メジャーキャリア : ホール 比抵抗 : 5 kΩ以上が 　　　　 入手困難 空乏層厚 : 70～100 mm SXIは0.3-25keVまでの撮像を行うため、10keV以上のX線に対しても高感度が要求されます。 そのため、空乏層を厚くとることで、高エネルギーX線に対しての感度を上げることができます。 これまでのあすかやすざくに搭載されたCCDは全てP型シリコンをベースとしたNchCCDでしたが、 我々はSXIに向けて厚い空乏層のCCDを作るために、新たにN型シリコンをベースとしたPchCCDの開発を進めています。 CCDの空乏層はシリコンウエハの比抵抗とメジャーキャリアの移動度、電極に印加する電圧のルートに比例します。 CCDをNchからPchにすることで 比抵抗が約２倍(Nchは5kΩ以上のものは入手困難、Pchは10kΩ以上のウエハが入手可能)、 メジャーキャリアがホールから電子になることで易動度が約３倍になります。 また、PchCCDでは電極の反対側よりバックバイアス電圧を掛ける構造をしており、 厚い空乏層に必要な高電圧を無理なくかけることができます。 そのため、PchCCDはNchCCDよりも空乏層を厚くとることが可能になります。 ウエハ : N型シリコン メジャーキャリア : 電子 　　　　　　　　　　　　(ホールに対し易動度３倍) 比抵抗 : 10 kΩ以上が 入手可能 空乏層厚 : 200 mm PチャンネルCCDは 高エネルギーX線に対して高感度 d :　空乏層厚 ρ:　比抵抗 μ:　易動度 V :　印加電圧

23 SXI : Soft X-ray Imager (X線CCD)
フレキシブル ケーブル ペルチェ素子 プリアンプ 読み出し 熱浴 SXIのハウジング SXIはSoft Xray Imagerの略で、X線CCDカメラシステムです。 こちらの図はSXIのハウジングです。 CXB、宇宙線によるバックグラウンドを抑えるためにCCD素子全体をシールドします。 CCD周りの拡大図はこちらです。 SXIに用いるCCD素子の仕様は、 画素、、、 です。 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 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

24 これまでのPチャンネルCCDの開発実績 12mm 4.8 mm 画素サイズ 24 x 24 mm2 画素数 512 x 512 画素
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 これまで、われわれは表面照射型のPch CCDを開発してきました。 まずはじめにこの12ミクロン四方のチップでは、…の性能、 特にこの空乏層厚が300ミクロンにまで広がることを確認しました。(NeXT用CCD素子の開発2) 次に、厚さ200ミクロンの完全空乏化した素子の開発に成功し、 従来のNch CCDとほぼ同じエネルギー分解能の実現に成功しました。(NeXT用CCD素子の開発3) 画素サイズ 24 x 24 mm2 画素数 x 512 画素 ウエハ厚 600 mm 空乏層厚 290 mm X線照射方式 表面照射型 読み出し雑音 14 e- エネルギー分解能 180 eV 画素サイズ x 15 mm2 画素数 x 320画素 ウエハ厚 200 mm 空乏層厚 200 mm X線照射方式 表面照射型 読み出し雑音 7 e- エネルギー分解能 143 eV

25 新たに開発した素子の仕様 画素サイズ 15 x 15 mm2 画素数 2048 x 4176 画素 読み出し口 4 個
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 15 x 15 mm2 画素数 2048 x 4176 画素 読み出し口 4 個 ウエハ厚 200 mm 空乏層厚 200 mm X線入射方式 裏面照射型 ※青い部分はARコーティング バックバイアス 印加可能 3.1 cm 撮像領域 蓄積領域 今回、これまでの基礎開発を基に大面積のP channel CCDを開発しました。 こちらが写真です、青い部分が撮像領域ですが半分は信号読み出しのための蓄積領域として使用します。 CCDのスペックは画素サイズが、、 です。 (AR:Anti Reflective) 下図のように真空槽内部に取り付け、測定を行いました。 CCDの撮像領域 プリアンプ基板 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

26 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%
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% まず、55Feを照射して この素子の4つの各読み出し口から読み出しを行い、 すべて正常に読み出しが可能であることが分かりました。そのときのイメージが左のものです。 今回我々は、それらのうちホットコラムの存在していないものを選定し、 測定に用いることとしました。 測定に用いたのはこのイメージがとれた読み出し口です。 右の図は得られたイメージの拡大図です。白い部分はX線を検出した画素です。 空乏層が厚い場合、電極に達するまでに電子雲が広がってしまいます。 そこでCCD上で複数の画素を１画素にまとめて読み出しています。 これがbinningです。 今回の素子では、binningをしなかった場合、単独画素におさまるイベントが 全体の0.09%でした。 一方、縦、横ともに4画素ずつまとめると シングルイベントが全体の約20%となりました。 本測定では4x4画素を1画素にまとめて読み出しました。 Binning 4x4 1有効画素　:　19.9% 2x2画素以内のX線イベント　:　77.4% その他　:　2.7% Binning 複数の画素を一つに まとめて読み出す動作 Binning4x4で測定を行った

27 バックバイアス 空乏層 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
絶縁層 電極 電圧 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 次に、バックバイアスの電圧を変化させました。 バックバイアスは、CCDの電極と反対方向から印加する電圧で、 電子雲が空乏層をドリフトする時間を短縮し、電子の拡散効果を抑える効果があります。 変化させた領域は、CCDが正常に動作する15～35[V]の領域です。 グラフはそれぞれシングルイベント 、2x2画素に広がったイベントのものです。 このように、高電圧のバックバイアスをかけると広がったイベントが減少していくのがわかります。 そこで、単一画素にX線イベントが収まっているものが最も多い バックバイアス電圧が35[V]で測定を行いました。 バックバイアスの値を15～35[V](CCDの正常動作範囲)で変化 Ratio 単画素イベント (Grade 0) Back Bias (V) Ratio 2x2画素に広がったイベント (Grade 6) Back Bias (V)

28 P-ch 2K4K CCDの性能評価結果 動作温度 : -70 ℃ 読み出し速度 : 30 kHz バックバイアス : 35 V
X線スペクトル（１有効画素イベントのみ使用） 動作温度　:　-70 ℃ 読み出し速度　:　30 kHz バックバイアス　:　35 V 55Fe スペクトル Energy (keV) Ｃounts Mn Ka Mn Kb 1ch　読み出し Binning 4x4 総露光時間　　: sec 撮像枚数　:　367 frame 最適化を行った後、 以上の条件で測定を行いました。 駆動時の温度は… です。 こちらは１つの読み出し口より得られたスペクトルです。 読み出し雑音は5.38電子、エネルギー分解能は55Feで139eVです。 これらの結果より、 現段階では、十分な基本性能を持つことを確認しました。 読み出し雑音から予想されるエネルギー分解能は 129eV。 読み出し雑音 　:　5.38±0.13e- エネルギー分解能 (5.9 keV) 　:　139±2 eV