すざく衛星搭載X線CCD(XIS)の現状報告

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1 すざく衛星搭載X線CCD(XIS)の現状報告
松本浩典、内山秀樹、小澤碧、山口弘悦、中嶋大、森英之、鶴剛、小山勝二(京大)、田和憲明、勝田哲、穴吹直久、林田清、常深博(阪大)、村上弘志、尾崎正伸、堂谷忠靖(ISAS/JAXA)、馬場彩(理研)、E.D.Miller, B.LaMarr, S.Kissel, M.Bautz (MIT)、前野将太、森浩二(宮崎大)、北本俊二(立教), 他XIS team Abstract: X線天文衛星「すざく」には4台のX線CCDカメラ(XIS0,1,2,3)が搭載されており、X-ray Imaging Spectrometer (XIS) と呼ばれている。2005年7月の打ち上げ以降、順調に観測を行ってきたが、放射線損傷により徐々にゲインが低下し分解能が劣化してきた。対策としてSpaced-row Charge Injection (SCI)を世界で初めて機上で行い、性能回復に成功した。また、2006年11月9日に突如XIS2が不具合を起こし、現在観測を停止している。現在はその原因究明の途中であり、対策を検討中である。本ポスターでは、上記を含めたXISの現状報告を行う。 1. X-ray Imaging Spectrometer (XIS) 3. XIS2の不具合 Imaging Area Frame Store region 4台のX線CCDカメラ 表面照射型(FI) 3台 (XIS0,2,3) 裏面照射型(BI) 1台 (XIS1) 2006年11月9日 01:03(UT)に、XIS2の各セグメントのイベント数が突如激しく変化。しかし、電圧などのHK値には変化は見当たらない (図6)。 異常発生 諸性能 ダイナミックレンジ 0.2—12keV 視野 18’x18’ 有効面積 @1.5keV 330cm2(FI), 370cm2(BI) @8keV 160cm2(FI), 110cm2(BI) 図7に異常発生前後のXIS2のイメージを示す。異常発生前はX線星(X1916)の像が見えているが、異常発生後はSCIの電荷パターンがおかしくなっているのが見える。X線星も映っていない。 図6: 2006年11月9日のXIS2のライトカーブ。 2006/11/9 00:57 2006/11/9 01:04 図1: X-ray Imaging Spectrometer (XIS) 異常発生後、XIS2は観測を停止。時折診断モードでデータをとり、原因を追求中。 2. Spaced-row Charge Injection (SCI) 図7: 異常発生前(左)と異常発生後(右)のXIS2のイメージ。 現在判明していること XISのゲイン・エネルギー分解能は徐々に低下している(図2)。これは、宇宙線による放射線損傷のためである。放射線損傷を受けると、Si結晶中には格子欠陥が生じ、それが電荷トラップとして働く。そのため、電荷転送効率が減少し、ゲインが低下する。トラップに電荷が捕らえられる過程は確率過程なので、そのゆらぎでエネルギー分解能も悪化する。 2005/9 2006/5 2006/12 電荷を逆転送しながらイベントを読み出すと正常な振る舞いが見られるので、読み出し口の故障などではない。 セグメントAなどからイベントが出なくなったのは、大量の電荷でアナログ回路がサチッているから。 電荷漏れ量は、イメージエリアの電圧と相関がある。従ってイメージエリアのどこかで電荷漏れが発生しているらしい。 図7でSCIの異常なパターンが見えているのは、どこかで発生した漏れ電荷が、電荷注入用のレジスターに流れ込み、それが注入されたためであろう。電荷注入機構の故障ではないと思われる。 図2: キャリブレーションソース(55Fe)で測定したゲインと分解能の低下。XIS0の場合。 そこでXISの特徴の一つである電荷注入機能を用いて、2006年10月より、CCDに定期的に電荷を注入する Spaced-row Charge Injection (SCI) を行っている。これは、注入電荷によりトラップを埋め、X線イベントによる電荷を守ろうとするものである (図3)。 4. 低エネルギー側検出効率の変化 図8に示すように、XISは全センサーで低エネルギー側の検出効率に低下が見られる。これはCCDとX線望遠鏡の間にある可視光遮断幕に、何らかの物質が付着したせいであると思われる。 白:2005年8月 赤:2006年8月 図3: Spaced-row Charge Injection (SCI) の原理(左)と、その様子(右)。 実際にSCIを行った場合の55Feのスペクトルを図4に示す。ゲインが上がっていることがわかる。またエネルギー分解能も210eVから140eVにまで回復した。これはほぼ打ち上げ直後の値である。 Pulse Height (ch) 分解能(FWHM) SCI OFF: 210eV SCI ON : 140eV 付着物の化学組成は調査中であるが、炭素が主体の物質だと思われる。候補の一つがフタル酸ジエチルヘキシル DEHP(C24H38O4)であり、ジャイロのアウトガスに含まれ得る。低エネルギーバンドの吸収から、C/O=6/1を仮定して導出した付着物質の炭素柱密度の時間変化を図9に示す。 図8:超新星残骸E のXIS1(BI)でとったスペクトル。 図5はゲインと分解能の時間発展を示しており、黄色で囲った部分がSCI ONを表す。性能がほぼ打ち上げ直後にまで回復していることがわかる。また劣化の速度も遅くなっていることがわかる。 図4: 2006年10月時点の55Feのスペクトル。 現在のところ、付着物の増加は激しくなく、やや微増傾向にある。しかし、XIS3のデータは減少が始まったことを示唆するのかも知れない。今後も引き続き調査を継続する予定である。 図9: 付着物質の炭素柱密度。組成比としてC/O=6/1を仮定。 詳しくはW14a内山秀樹講演(3/29 10:00)をお聞きください。 図5: SCIを行った場合のゲインと分解能。