較正用軟Ｘ線発生装置のＸ線強度変化とスペクトル変化

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1 較正用軟Ｘ線発生装置のＸ線強度変化とスペクトル変化
松浦大介、林田清、鳥居研一、並木雅章、東海林雅幸、勝田哲、宮内智文、常深博　(阪大理) 幸村孝由（工学院大）、片山晴善（JAXA）他Astro-E2 XISチーム 概要 　我々大阪大学は日本５機目のX線天文衛星Astro-E2 に搭載されるCCDカメラXISの軟X線領域(0.2～2.2keV)での較正実験を行ってきた。実験では軟X線発生装置からの連続Ｘ線をグレーティング分光器を通して分散し、CCD素子に照射する。　軟X線発生装置はフィラメントより発生する熱電子を加速しターゲット（銀）にあて、制動放射光を利用する一般的な形式である。加速電圧は5kVあるいは1kVで使用し、ビーム電流は0.7mAあるいは0.3mAに１％以下の精度でコントロールした。ところが、発生するX線強度、スペクトルは長期的な時間スケールで変動していることがわかった。同じ検出器XIS-EU(XIS CCDのEngieering Unit)による測定を繰り返した結果、これらのX線強度、スペクトルの変化は長期的単調なもので、実用的には繰り返し測定の結果を使い補償できることがわかった。強度変化、スペクトル変化の原因は、長時間の装置の使用によりフィラメントのタングステンが蒸発しターゲットに付着したことで、制動放射の強度が時間による変動を示すのではないかと考えている。本発表では、この点に関して測定結果をまとめて紹介する。 ３．Ｘ線強度・スペクトル変化とターゲットの変質 １．スペクトロメーターと軟X線発生装置 Ｘ線発生装置の稼働時間に伴うスペクトル変化 縦軸１ｆｒａｍｅ（８秒）当りのカウント数、横軸エネルギー Special Optics Service社製 Si-K edge Spectrometer FFS-Ⅱ型（以下SES） ジェネレータからのX線を集光鏡で収束させ、反射型平面回折格子に入射させ分光を行う。 W Mα Si Kα Al Kα W Mβ スペクトロメーター概念図 ～3m ＸＩＳ-EUにより同条件で取得されたスペクトルであるがジェネレータの稼動時間が増加すると、スペクトル全体の強度が変化する。 タングステン(W)のＭラインが時間が経過するに従い顕著になるのがわかる。 稼働時間 黒：5.2時間 赤：87.7時間 緑：250.9時間 CCDチェンバー内 軟Ｘ線発生装置：Ultrasoft X-ray source（以下ジェネレータ） ジェネレータ内のターゲットの汚れ具合（約２６０時間使用後） 長時間の使用によりターゲットは左写真のように表面が汚れる 汚れの主な原因はフィラメントからの蒸着と思われる。 X-ray XIS 上下可動 連続Ｘ線をグレーティング分光器を用いて分散しＣＣＤ素子に照射。 XISを上下させることで入射X線のエネルギーを変化。 →連続的なエネルギーに対するレスポンスが取得可能。 ４．輝線、連続成分の強度変化(XISによる測定） ジェネレータ付近の概念図 大阪大学でのXIS較正実験のうち、2004/6/21から9/16までの期間の実験データを用い、Ｘ線スペクトルの輝線（C-K, 0.3keV付近の未同定線, N-K, O-K, Fe-L, Al-K, Si-K, W-M, Ag-L)と連続成分( keV, keV, keV, keV, keV)の強度をＸ線発生装置の稼動時間の関数として表示した。 2004/6/21はターゲットを新品に交換したタイミングである。測定はEUとBＩ０,BI1の3台のＸＩＳを用いたが、各エネルギーでの検出効率(QE)で割り算することでXISに入射するＸ線強度を算出している。 フィラメント フィラメント ターゲット 交換作業 ターゲット X線発生装置 陰極のフィラメントを高温に加熱し熱電子を放出させ、陽極のターゲットとの間に高電圧（１or５kV）をかけて加速しターゲットに衝突させてＸ線を発生させる。 また、強度を変化させるスリット幅やX線がまっすぐスリットに入射するようにターゲットの位置調整をハンドルにより行える。 ここで一ヶ月実験休止 （真空保持したまま） 　　稼動時間 2.　X線発生装置の運用とＸＩＳ較正 SAグレーティング O Kα ビーム強度調整のパラメータ ・熱電子の加速電圧 ・ビームカレント：フィラメンとターゲット間に流れる電流 ・ジェネレーター出力付近のスリット幅 N Kα C Kα X線強度、スペクトルを変化させるその他の要素 ・グレーティング 大阪大学の実験では２種類の回折格子（グレーティング）を 用いている。 a.SAグレーティング：O-K吸収端に焦点を合わせてある b.SXグレーティング：Si-K吸収端に焦点を合わせてある 右図：XIS-EUで取得されたSA,SXグレーティングによるスペクトル それぞれX線ジェネレータを長期使用した後のスペクトル を同時プロットしてある。 ・稼働時間 ジェネレータの稼働時間によりX線強度が変化することが わかっている。 ※稼動時間：阪大実験ではX線ジェネレータ内の フィラメントとターゲットを数ヶ月で交換している。 交換後からのX線ジェネレータの総運転時間を示して いる。 O K-edge 赤：稼働時間約１5０時間後 SXグレーティング Ｘ線強度・スペクトル変化の特徴 5kV / SXグレーティングのデータをみると、270時間の総稼動時間の間に連続成分、輝線成分の強度ともおよそ３割ほど増加している。W-Mの輝線の強度は例外的に１桁以上増加しており、ターゲットにフィラメントのタングステンが蒸着していったことがわかる。タングステンの原子番号は74で、ターゲットの素材である銀のそれ(47)よりも大きく、連続Ｘ線の強度もそれに伴って増加したことが示唆される。 1kV / SAグレーティングのデータでも連続成分の増加は観測されているが、輝線成分の強度変化は複雑である。O-Kは連続成分と同様に増加しているものの、N-K, C-Kの輝線強度はむしろ減少している。C-Kの輝線強度の減少は大きく１日の中で1/2に減少したこともある。しかし運転の停止あるいはグレーティングの交換（交換の際、真空は解除される）に起因してC-K輝線の強度は一時的に増加する。0.3keV付近にみられる未同定の輝線はC-Kと逆相関している。他の運転期間のデータではC-K輝線の強度があまり変化していない例もあり、今後の調査が必要である。 Al Kα Si Kα Al K-edge Si K-edge 赤：稼働時間約２５０時間後 大阪大学における検出効率を求める手順 絶対検出効率が求められている比例計数管からXIS-EUの絶対検出効率を求める。そして、フライトカメラ（XIS-FM）はXIS-EUとの相対比を取ることにより検出効率を求める。 XIS-EUとXIS-FMは同時にチェンバーにセットできないためXIS-FM実験の前後でXIS-EU実験を行う。 データを取得するのに１センサー当たり数日かかる。その間に発生X線の強度は変化するためにより正確な検出効率を求めるためにはX線の強度変化の補正を行う必要がある。 検出効率についての詳細はW06b（勝田他）を参照。 X線強度補正 まとめと今後の課題 大阪大学で使用しているX線の強度はジェネレータの稼働時間に伴い変動している。→検出効率を精度よく求めるために強度を補正する必要がある。 稼働時間に伴ってスペクトル中のタングステンのラインが著しく成長しており、強度増加の原因としてはフィラメント成分がターゲットに蒸着したためと考えられる。 連続成分とO-K以上のエネルギーの輝線はほぼ一様に増加しているのに対し、C-K輝線の強度は減少している。 連続成分に関してはXIS-FM実験前後のXIS-EUの測定結果をリファレンスにする方法（現在の方法）で十分な精度が望めるが、輝線成分(特にC-K）の測定に関してはより正確、確実な補正方法が必要である。0.3keVの未同定線ともにC-Kの輝線に関してより詳しい解析が必要である。 比例計数管 （PC） XISーEU XIS－FM 絶対検出効率 相対検出効率