Astro-E2衛星搭載 XISの データ処理方法の最適化

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1 Astro-E2衛星搭載 XISの データ処理方法の最適化
大阪大学　大学院理学研究科 宇宙地球科学専攻　常深研究室 東海林　雅幸

2 内容 XIS データ処理方法の最適化 　（電荷漏れ補正） 　（スプリット閾値の最適化） 軟X線に対する応答関数 まとめ

3 XIS X線天文衛星の検出器として、事実上の標準 X線CCDの特徴
XISとは、２００５年打ち上げ予定のAstro-E2衛星に搭載されるX線天体観測用のCCDカメラのことである。天体の撮像とスペクトルの取得を目的とする。 ノイズを抑えるために、軌道上では －９０ [℃] で運用 0.2～12 [keV] のX線に有効な感度を持つ X線CCDの特徴 30cm 優れたエネルギー分解能 優れた位置分解能 X線入射位置とエネルギーを同時に知ることが可能 X線天文衛星の検出器として、事実上の標準 XISの概観

4 ＸＩＳのデータ処理の流れ 応答関数 イベント抽出 データ処理 イベント選択 ＰＨ合成 ＸＩＳハードウェア フレームデータ 天体のスペクトル
Ｘ線強度 フレームデータ Ｘ線エネルギー 応答関数 イベント抽出 イベント選択 ＰＨ合成 データ処理 XISで観測したスペクトル カウント数 ＰＨ

5 XISのX線検出原理 素材である Si中でX線が光電吸収されると、電子正孔対が発生する。できた電子の数を信号に変換することで、入射X線エネルギーを測定 できる。 XISから出力されたフレームデータ CCD受光面 縦転送 ＿ CCD蓄積面 読み出し口 横転送

6 イベント抽出・選択、ＰＨ合成 ＋ ＰＨ＝ イベント抽出 イベント選択 ＰＨ合成 フレームデータから、ある閾値以上のピクセルと
その周囲３×３のピクセルの信号波高値を抽出する イベント選択 イベント抽出されたイベントのパターンを調べて、 Ｘ線によりできたイベントを選びだす シングルイベント 上スプリットイベント 下スプリットイベント ３連続イベント X線イベント X線イベントではない と判定される CCDの１ピクセルは、２４μmなのに対し、 10keV以下のX線で発生する電荷は、 数μmしか広がらない スプリット閾値を超えたピクセル （他にもイベントパターンあり） ＰＨ合成 スプリット閾値を超えたピクセルの信号波高値を 中心ピクセルに足し合わせる ＰＨ＝ ＋

7 その他（横スプリットイベントなどを含む）
イベントパターン分岐比 ＸＩＳ全面に単色エネルギーのＸ線 (5.9keV) を照射する 実験を行い、イベント分岐比を調べた。（CCD温度:－９０℃） 問題点 上スプリットイベントと下スプリットイベントの割合は、 等しいはず。 ３連続イベントの割合が非常に多い。 ４% ２２% １１% １０% ５３% シングルイベント 上スプリットイベント 下スプリットイベント ３連続イベント その他（横スプリットイベントなどを含む）

8 その他（横スプリットイベントなどを含む）
イベントパターンの解析 上ピクセル （追跡ピクセル） 縦転送方向 下ピクセル （先行ピクセル） それぞれのピクセルについて信号波高値の 波高分布を調べた。 ４% ２２% １１% １０% ５３% シングルイベント 上スプリットイベント 下スプリットイベント ３連続イベント その他（横スプリットイベントなどを含む）

9 d c b a 上ピクセルと下ピクセルの波高分布 縦転送方向 転送回数に差をつけたときの波高分布 の違いを調べることができる a b c d
カウント数 信号波高値 [ADU] 上ピクセル （追跡ピクセル） 下ピクセル （先行ピクセル） CCD受光面を４分割し、領域ごとに上ピクセル（追跡ピク セル）と下ピクセル（先行ピクセル）の波高分布を調べた。 ＣＣＤ受光面 a b c d 読み出し口から遠い 転送回数が多い 縦転送方向 転送回数に差をつけたときの波高分布 の違いを調べることができる 上ピクセル 下ピクセル 上ピクセル 下ピクセル 上ピクセル(追跡ピクセル）の信号波高値が高い側にシフトしている。 転送回数が多くなるほど、シフト量が大きくなる。 読み出し口から近い 上スプリットイベントが多い原因。 転送中に中心ピクセルの電荷が上ピクセルに、漏れ出している。 転送回数が少ない

10 電荷転送回数と漏れ込み量の関係 d c b a CTI = (4.5±0.3)×10 [ /Transfer ] 電荷転送非効率 (CTI)
電荷を１画素転送したときに失われる電荷の割合。 d c 上ピクセルの中心信号波高値 [ADU] b 傾きからCTI は a CTI = (4.5±0.3)×10 [ /Transfer ] -6 転送回数

11 ＣＴＩのエネルギー、温度依存性 CCD温度:－９０ [℃] Ｘ線エネルギー:5.9[keV] CTI= (1.72・10 )×E
－0.5 －4 CTI [ /Transfer] CTI [ /Transfer] Ｘ線入射位置とエネルギーの情報から、転送回数とＣＴＩが分かるので、 上ピクセル（追跡ピクセル）への電荷漏れ込み量を知ることができる。 ⇒ 漏れ込んだ電荷を中心ピクセルに戻す補正が可能。 入射X線エネルギー [ADU] CCD温度 [℃]

12 電荷漏れ補正後の採択イベント数 Ｘ線イベントと見なされる 割合の増加 5.9keV 8.6keV 採択イベント数 （３連続イベントは除く）
補正前 273272 62403 補正後 302360 72057 増加率 11% 15% 5.9keVで11%、8.6keVで15%、採択イベント数の増加に成功 理由 補正前 ３連続イベント 補正後 下スプリットイベント Ｘ線イベントと見なされる 割合の増加

13 電荷漏れ出しの原因＝電荷トラップ ∝ E 温度が低いとき （－９０℃） トラップ 縦転送方向 温度が高いとき （－８０℃） トラップ
ＣＴＩがＥ に比例するので、 トラップに捕らえられる電荷の数 ∝ 電荷パケットが占める体積 －0.5 ∝ E 0.5

14 ＸＩＳのデータ処理の流れ 応答関数 応答関数 電荷漏れ補正 電荷漏れ補正 スプリット閾値 最適化 新たなデータ処理 ＸＩＳハードウェア
天体のスペクトル ＸＩＳハードウェア Ｘ線強度 フレームデータ エネルギー 応答関数 応答関数 電荷漏れ補正 スプリット閾値 最適化 電荷漏れ補正 データ処理 イベント抽出 イベント選択 ＰＨ合成 XISで観測したスペクトル カウント数 新たなデータ処理 ＰＨ

15 単色Ｘ線入射に対するスペクトル ＝応答関数
FWHM (半値幅) 中心ＰＨ:入射Ｘ線エネルギーを反映 カウント数 中心PH ＦＷＨＭ:エネルギー決定精度の目安 PH [ADU] 入射Ｘ線エネルギー＝０．５３keVの場合

16 入射Ｘ線エネルギーと中心PH、FWHM関係
[eV] -20 20 40 -40 中心PH [ch] 直線モデルで、約８eVの再現性がある 検出効率のデータと合わせることで、すべてのエネルギーに対する応答関数が得られる。

17 まとめ データ処理方法と応答関数の結果は、ＸＩＳで 観測を行うすべての研究者に利用される。 データ処理方法
上ピクセル（追跡ピクセル）に電荷が漏れ出している ことを見つけた。 上ピクセルへの電荷漏れ出し量と入射X線エネルギーの関係を求め、電荷漏れ出しの補正法を確立した。 電荷漏れ出し補正により、検出イベント数を最大１５％増加できることを示した。 低エネルギーＸ線に対する応答関数を求めた。 データ処理方法と応答関数の結果は、ＸＩＳで 観測を行うすべての研究者に利用される。