Ｘ線ＣＣＤ検出器 ーＣＣＤ‐ＣＲＥＳＴ（deep2）ー の性能評価と性能向上 （京阪修論発表会）

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1 Ｘ線ＣＣＤ検出器 ーＣＣＤ‐ＣＲＥＳＴ（deep2）ー の性能評価と性能向上 （京阪修論発表会）
京都大学宇宙線 辻本匡弘

2 内容 実験のセットアップ チップの性能評価 チップの性能向上①～④ ＣＣＤ-ＣＲＥＳＴによる偏光Ｘ線の測定 課題（まとめ）

3 セットアップ① ＣＣＤ-ＣＲＥＳＴ(deep2)
戦略基礎研究 「画素の小さいＸ線検出用ＣＣＤの開発研究」 開発目標 　１）　スペクトロメータとして性能の高いＣＣＤ 　 →　ＣＣＤの性能評価と性能向上 　２）　ポラリメータとして実用的なＣＣＤ 　　　　→　偏光測定システム、偏光Ｘ線イベント解析法確立 CCD-CREST 特徴 転送方式 : Full Frame Transfer 駆動方式 : 縦横２相クロック フォーマット : １０２４×１０２４pixels 有効受光領域 : ２５ｍｍ×２５ｍｍ

4 クロックジェネレータ ＡＤＣ セットアップ② 実験システム 真空チェンバ

5 性能評価 暗電流 CCDチップの性能 CTI 暗電流 CTI 縦転送 2.5×10-6 [/転送] 横転送 1.1×10-6[/転送]
動作温度‐８０℃ 以下でOK 読み出しノイズより 十分小さい

6 性能向上① 最適駆動電圧の決定 縦転送、横転送、リセット の電圧（高・低レベル）を独立に変えて 最適値を求めた
＊但し、H/Lの差は１０[V]に固定 撮像領域 縦転送 リセット エネルギー分解能で１２％ 空乏層厚で４５％ の性能向上 ｼﾘｱﾙﾚｼﾞｽﾀ 横転送 読み出し口 リセット電圧＞横転送電圧＞縦転送電圧の時、最高性能

7 性能向上② 蓄積、転送電圧の分離 転送中 蓄積中 Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｈ 電極 絶縁層 空乏層 電子の ポテンシャル 電子 電子
検出効率を上げるため 高くしたい ノイズを抑えるため 低くしたい Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｈ 電極 絶縁層 空乏層 電子の ポテンシャル 電子 電子 蓄積中 転送中

8 性能向上② 蓄積、転送電圧の分離 転送中の 電極電圧 １０[Ｖ] 蓄積中の 電極電圧 ０、６、１２[Ｖ] クロック ＣＣＤの電極へ
アナログ スイッチ ＣＣＤの電極へ ５５Ｆｅのスペクトル スイッチング回路の模式図

9 性能向上② 蓄積、転送電圧の分離 空乏層厚を１３％増加 * grade02346 の値（括弧内はgrade0の値）。
* 分解能が悪いのは回路の問題。今回は関係ないので無視

10 性能向上③ Ｘ線源の斜め入射 電極（金属） 絶縁層（ＳｉＯ２） 空乏層（Ｓｉ） 斜めからX線を入射することで
実効的に空乏層を厚くすることができる 電極（金属） 絶縁層（ＳｉＯ２） 空乏層（Ｓｉ）

11 性能向上③ Ｘ線源の斜め入射 入射角６０°の時に実効的な空乏層厚が６２．３μｍ 入射角が大きいと、電子雲の広がりは小さくエネルギー分解能向上

12 性能向上④ 多重相関サンプリング サンプリング回数を増やすことで、高周波ノイズを 落とすことができる（相関数＝４，８，１６で実験）
フロートレベル シグナルレベル リセット信号 → 例；４重相関 　　　サンプリング

13 性能向上④ 多重相関サンプリング 読み出しノイズを１５％低減 エネルギー分解能＠５．９keVを10%向上

14 ＣＣＤによるＸ線偏光測定 （１）セットアップ
X線発生装置 CCD-CREST(deep2) X線 吸収体 　X線発生装置からのX線を直接CCDに入射 　X線管内の加速方向に直線偏光 　発生装置を回転させる ＣＣＤの水平面 偏光面

15 ＣＣＤによるＸ線偏光測定 （２）X線発生装置からの偏光
散乱体（ポリエチレン） SSD検出器 X線発生装置 回転台 回転台を回転させて 散乱X線の強度を測定 管電圧に相当するエネルギーの偏光度が約４０％

16 ＣＣＤによるＸ線偏光測定 （３）結果 ４５－５０keVの X線で傾向が 見えた

17 ＣＣＤの構造解析法 ①β線照射による空乏層厚測定
表面図 絶縁層 空乏領域 中性領域 β線 入射角５°の時の β線イベントの例 断面図 空乏層厚１６μm →　量子効率より求めた もの（２０μｍ）にほぼ一致

18 課題（まとめ） （１） 高性能スペクトロメータの開発 （２） 実用的ポラリメータの開発 空乏層を厚くして検出効率を高めた
（１）　高性能スペクトロメータの開発 空乏層を厚くして検出効率を高めた 　（現在　検出効率約６０％＠５．９ｋｅＶ） 空乏層の厚いチップ作成、測定 （現在ＣＣＤ‐ＣＲＥＳＴ（ｄｅｅｐ３）が使用可能） 電圧、読み出し法の最適化でエネルギー分解能を上げた 　（現在 約１５０ｅＶ＠５．９ｋｅＶ） 測定システムからのノイズを落とす （２）　実用的ポラリメータの開発 偏光Ｘ線測定システムを立ち上げた 偏光Ｘ線イベント解析方法を確立した ピクセルサイズの小さいＣＣＤの製作、測定 （現在８μｍ×８μｍのチップの作成）