信号電荷の広がりとデータ処理パラメータの最適化

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1 信号電荷の広がりとデータ処理パラメータの最適化
Astro-E2 XIS 裏面照射型 CCD における 　　　　　　信号電荷の広がりとデータ処理パラメータの最適化 宮内智文、林田清、鳥居研一、並木雅章、勝田哲、東海林雅幸、松浦大介、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 　2005年2月に打ち上げ予定のAstro-E2 に搭載されるX線CCDカメラ（XIS）は、表面照射型（FI）と裏面照射型（BI）の２種類がある。BI は低エネルギー側の検出効率が格段に高いことが特徴である。また、これまでの BI はエネルギー分解能が悪いという問題があったが、XIS BI では FI と大差ないエネルギー分解能を実現している。しかしながら、FI と BI は、信号電荷の広がりについて大きく異なる。X線が CCD 中で光電吸収された後に生じる信号電荷は、電極に収集されるが、この過程で拡散により広がってしまう。FI に低エネルギーX線が入射した場合、電極のすぐ奥の空乏層で光電吸収される割合が高いため、ほとんどの場合シングルピクセルイベントになる。しかし、BI では、電極からもっとも離れた入射面（裏面）で光電吸収されるため収集距離が長く、拡散による影響を大きく受ける。その結果、多くのイベントが複数のピクセルにまたがったものとなってしまう。これらの複数のピクセルにまたがるイベントの場合、漏れ出した周りの電荷の分を足し合わせる必要がある。その際、ある閾値を越えたもののみを足し合わせるグレード判定法を用いる。Astro-E2 XIS でもこのグレード判定法を用いるが、現在はシングルピクセルが多数を占める FI について最適化されている。本発表では、このデータ処理パラメータを BI について検討していく。 1.X線CCDカメラ（XIS） 3.電子雲の半径 FMBI1 について電子雲の大きさを考える。 表面照射型 （ Front-illuminated devices : FI ） 　 ・入射面に電極がある。 　 ・低エネルギーX線は電極すぐ奥の空乏層 　　で吸収される。 裏面照射型 （ Back-illuminated devices : BI ） 　 ・入射面が裏面。 　 ・低エネルギーX線は電極から離れた場所 　　で吸収される。 grade0/ 電子雲の半径 [mm] grade0/ energy [keV] 拡散により広がった電子雲を一定の大きさの円と仮定する。 入射X線 電極 電子雲 空乏層 中性領域 グレード分岐比から、電子雲の大きさを見積もることができる。 実験で得られた grade0 の割合。 電子雲の半径と grade0 になる割合。（幾何学的な計算値） 低エネルギーの方が拡散が大きく、電子雲の半径が大きくなるという予想に反する。 電子雲の半径 [mm] energy [keV] ここでは、 C-K 0.27keV O-K 0.52keV Al-K 1.48keV Mn-K 5.89keV のエネルギーのX線に 対して調べた。 ＠Split threshold 7 ※ 表面照射型 FI と 裏面照射型 BI では,その構造の違いから性質が異なる。 照射面に電極構造がない BI は 、FI とは違い、低エネルギー側で高い検出効率をもつ。 Split threshold を一定にしたグレード判定法では、電子雲の大きさを正しく見積もることができないのではないか？ X線望遠鏡、可視光遮断フィルタと XIS CCD を組み合わせたシステムの有効面積。 ← 4.データ処理パラメータの検討 今回は、グレードを決める閾値である Split threshold を FMBI1について検討していく。 実験により得られたデータについて、Split threshold を変えて検出イベント数（grade02346）の比 とエネルギー分解能の変化を見ることにより、最適な Split threshold を検討する。 2.グレード判定法 検出イベント数の比は大きいほど統計がよく、エネルギー分解能が小さいほど精度のよい測定が　 　 できる。 検出イベント数（grade02346）の比は、Split threshold 7 を 1 とした比で表している。 ※ 入射したX線は、CCD中で光電吸収した後に、電子雲を形成する。電子雲は電極で収集される までに拡散する。 検出イベント数 エネルギー分解能 検出イベント数の比 Split threshold [ADU] エネルギー分解能 [eV] Split threshold [ADU] ある閾値（Event threshold）を越え　たものをイベントとみなす。 複数のピクセルにまたがる場合、イ　ベントの周りの電荷は、閾値（Split 　threshold） 　を越えるもののみを足し合わせる。 X線 入射 電子雲の形成 電極で収集 24mm C-K　0.27keV ※1ADU ～ eV 入射X線のエネルギーを見誤らないためにグレード判別を行う。 O-K　0.52keV 大きくイベントが広がる grade7 は、 エネルギー分解能を悪くするため データ処理には用いず、 grade02346 のみを使用する。 ※ grade0 grade1 grade2 grade3 grade4 grade5 grade6 grade7 Event threshold 以上で最大の ピクセルレベルのピクセル Split threshold 以上でイベント に含むピクセル に含まないピクセル Al-K　1.48keV 5.89keV X線入射に対するグレード分岐比 FI-CCD（FMFI0）のグレード分岐比 BI-CCD（FMBI1）のグレード分岐比 Mn-K 5.89keV 5.89keVのX線に対して、Split threshold は10 が適当であるが、低エネルギーのX線に対しては、 Split threshold 5 が適当だと考えられる。イベント中心の値をもとに Split threshold を可変にするような解析方法の構築が必要ではないだろうか。 ・データ処理パラメータ Split threshold は 7 。 ・シングルイベントが大部分を占める FI とは異なり、BI は grade7 などの広がったイベントが多い。 5.まとめ グレード分岐比を調べた結果、BIについて、データ処理パラメータの再検討が必要であること　 　 が分かった。 5.89keVのX線に対して、データ処理パラメータ Split threshold は10が妥当であるが、低エネ 　 　 ルギーX線に対しては、Split threshold は 5 が妥当であることが分かった。 イベント中心の値をもとに Split threshold を可変にするような解析方法の構築が必要ではない　　 かと考えられる。　 FI について最適化されているデータ処理パラメータを再検討する必要がある。 参考文献　　・片山晴善　修士論文　・・・　大阪大学　2000 　　　　　　　　・荘保信　修士論文　・・・　大阪大学　2000