Astro-E2(すざく)衛星の現状 X線CCD検出器(XIS)

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1 Astro-E2(すざく)衛星の現状 X線CCD検出器(XIS)
松本浩典（京都大学) XIS team: 鶴剛、小山勝二、中嶋大、山口弘悦（京大） 林田清、鳥居研一、宮田恵美、常深博（大阪大学） 堂谷忠靖、尾崎正伸、村上弘志（ISAS/JAXA）、 粟木久光（愛媛大学）、北本俊二（立教大学）、 幸村孝由（工学院大学）、馬場彩、千田篤（理研） その他院生の皆様

2 内容 打ち上げ前の地上実験の成果をまとめます。 XIS概観 打ち上げ前地上実験 実験方法 Trail correction法
可変split threshold法 電荷注入機能 まとめ 打ち上げ後の性能は、ポストデッドラインペーパー 林田（阪大）「すざくファーストライト：X線CCDカメラXIS」

3 XIS 概観 XIS システム： CCDカメラ ４台（FI3台,BI1台) ＋AE/TCE ２台 ＋DE(PPU 2台+MPU1台)
すざく検出器の中で、撮像と分光の両方が出来る唯一の検出器。

4 性能表 フレーム転送型CCD Front-side illuminated (FI) 3台
X-ray 電極層 空乏層 ＦＩ フレーム転送型CCD Front-side illuminated (FI) 3台 Back-side illuminated (BI) 1台 視野：　１８ｘ１８分角 エネルギー範囲：　0.2—12 keV ピクセル数: 1024x1024 pixels エネルギー分解能: ~130 keV 読み出しノイズ： ~3electrons 時間分解能：通常8s (timing mode で 7.8ms) ＢＩ X-ray 空乏層FI60BI40

5 XIS BI Chandra XMM pn SNR E0102 simulation 500 1000 eV BI FI
500 1000 eV BI FI Chemisorption Processにより電荷収集効率が高まり、エネルギー分解能がFI CCD並。XMM,　Chandraより上。 打ち上げ後の性能は、ポストデッドラインペーパー 林田（阪大）「すざくファーストライト：X線CCDカメラXIS」

6 地上試験体制 X線発生装置 回折格子 X 線発生装置 XIS XIS 特性X線 京大：1keV<E<12keV
Al,Fe,Cu など各種金属 Windowless SSD 比例計数管 （リファレンス） （リファレンス） 京大：1keV<E<12keV 阪大 0.3keV<E<2keV JAXA/ISAS: 熱真空試験、振動試験など各種総合試験

7 阪大システム projection XAFSも測定 ＣＣＤの優れた空間分解能を エネルギー情報に利用 X-ray energy
X-ray image X-ray energy FWHM～5eV O-Kα（0.53keV） こちらがCCDで得られたX線画像です。分散X線が上下方向に当たっています。低エネルギーほど下に分散されていまして、CCDのこの方向の位置とエネルギーは１対１に対応しています。このような明るい筋は、特性X線に対応しています。これを分散方向にプロジェクションしたのがこちらの図です。このようにして得たエネルギースペクトルは、CCDで得られるイベントのエネルギー情報よりもはるかに優れたエネルギー分解能のスペクトルが得られます。このスペクトルを我々は分散スペクトルと呼びます。以降、この分散スペクトルをもとに解析を行いました。 C-Kα (0.28keV) Dispersion direction Number of events/columns

8 イベント判定 最大出力ピクセル Event Threshold を超えたピクセル。PH計算に加算。
あまり広がっていないもの(Grade=0,2,3,4,6)をイベントと認定 Grade0 Grade1 Grade2 Grade3 Grade4 Grade5 Grade6 Grade7 split over 2x2 region 最大出力ピクセル Event Threshold を超えたピクセル。PH計算に加算。 Ev. Th,を超えたがPH計算に加算しない。

9 転送するとイベントが減る Grade02346の分布 電荷漏れ補正前 縦転送回数 カウント数 not uniform! ３５０ １５０ ０
５００ １０００ 縦転送回数

10 Charge Trailing 縦転送回数 転送するときに、電荷の一部を後ろへ落とすことを発見。 Grade0 Grade2 Grade0
イベント数 縦転送回数 ０ １０００ ５００ ２００ Vertical 転送するときに、電荷の一部を後ろへ落とすことを発見。 transfer Trailing charge Grade0 Grade2 PH

11 Charge Trail Correction
Grade02346の分布 ３００　　　　　　　　　　　　０ ３００　　　　　　　　　　　　０ カウント数 カウント数 not uniform! 電荷漏れ補正後 電荷漏れ補正前 ０ ５００ １０００ ０ ５００ １０００ 縦転送回数 縦転送回数 次第に広がってgrade7になって捨てられてしまうイベントを救う。 電荷漏れ補正により検出効率にして10—20%もアップ。

12 BI:小さい電荷雲がより広がる 光電吸収 電荷量小 電荷量大 ＦＩ　ＣＣＤ ＢＩ　ＣＣＤ 軟Ｘ線 硬Ｘ線 ＦＩとは事情が反対。

13 Ｓｐｌｉｔ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ピクセルレベル Split threshold イベント中心 数えない 数える
Ｓｐｌｉｔ　Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ 数えない イベント中心 数える ピクセルレベル Split threshold ＢＩ：可変split threshold法 入射Ｘ線エネルギー(～中心ピクセル出力)に応じてthresholdを変化させる。 ＦＩ： threshold 固定 従来のＸ線天文ＣＣＤは全てこちら

14 単色Ｘ線に対する応答 0.5keVの単色Ｘ線の場合 テール成分は 極めて小さい 0.5 エネルギー(keV) 0.2 ＦＩ 旧バージョン
ＦＩ 旧バージョン ＦＩ 新バージョン BI 旧バージョン ＢＩ 新バージョン テール成分は 極めて小さい 0.2 0.5 エネルギー(keV)

15 検出効率(有効面積;XRT込) 詳しくは ポスターW33 勝田(大阪大) FI: XAFSを取込んだ (酸素、珪素のK吸収端)
XIS0 旧 XIS0 新 XIS1 旧 XIS1 新 FI: XAFSを取込んだ　(酸素、珪素のK吸収端) FI and BI: 地上の較正実験の解析結果をより精密に再現させた 詳しくは ポスターW33 勝田(大阪大)

16 エネルギー vs PH (ゲイン) FI (XIS2) BI(XIS1) 線形性からのずれは 5% 以内

17 エネルギー分解能(FWHM) ＦＩとＢＩに、大きな差がない！ BI(XIS1) FI(XIS2)

18 電荷注入機能 4.5keVのX線に相当する電荷量を注入した場合 PH Ｘ線に比べてFWHM～70% →安定した電荷注入を実現
任意のパターンで任意の電荷量をＣＣＤ上部から注入できる。 機上キャリブレーションでの応用に期待 （詳しくはポスターW32:山口(京大))

19 まとめ 従来のX線天文衛星ＣＣＤ(あすか、Chandra, XMM)では考慮されなかったtrail correction法、可変split threshold法を開発。CCDの持つ性能を十分に引き出している。 電荷注入法が機上キャリブレーションに使用可能。 （放射線損傷による性能劣化対策にも使用可能) 打ち上げ後の性能については、以下のポスター 林田（大阪大）「すざくファーストライト：Ｘ線ＣＣＤカメラＸＩＳ」 ChandraやXMMに比べると、 有効面積、エネルギー分解能で勝る。

20 FI CCD と BI CCD 空乏層 Front-side Illuminated 電極 Back-side Illuminated
一般に BI:　低エネルギー側で感度が優れている。 　　　エネルギー分解能に劣る。 FI: 高エネルギー側で感度が優れている。

21 電荷を落とす割合 Mn-Kα(5.9keV)の場合、一回の転送で4.5e-6の割合の電荷を後ろにこぼす。
Q’ (ADU) N (Number of transfer) V Trailing Charge ≡ Q’[ADU] Mn-Kα(5.9keV)の場合、一回の転送で4.5e-6の割合の電荷を後ろにこぼす。 この割合には、エネルギー依存性あり (E–0.5に比例する)。