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全天X線監視装置(MAXI)搭載 X線CCDカメラの開発の現状２
上山大介A，Norbelt NemesA，宮田恵美A 常深博A，松岡勝B，冨田洋B，片山晴善B，宮口和久C 阪大理A，NASDAB，HPKC
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MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image)
国際宇宙ステーションの日本実験棟（JEM）曝露部に 搭載する全天X線観測装置（2007年度打ち上げ予定） Grapple fixture for a robot arm Radiator for X-ray CCDs Solid-state Slit Cameras (SSC) Gas Slit Cameras (GSC) Electronics 185cm 80cm 77cm Total weight: 500 kg Optical Star Sensor MAXI 搭載部 宇宙開発事業団提供
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MAXI搭載用素子の選定 MAXIには16枚のCCDで構成するX線CCDカメラを2台搭載。
性能測定は55FeのX線を照射して行う。 EMカメラをX線入射方向から見た図 CCD素子 選定素子数 48素子 32素子 ⇒ フライトカメラ 16素子 ⇒ スペアカメラ 30cm CCD
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MAXI用CCD素子 MAXIには浜松ホトニクス社製CCDを用いる。
画素数 : 1024×1024 画素サイズ : 24mm×24mm フルフレーム転送型 1段式ペルチェクーラー内蔵 可視光遮断装置内蔵 三面バッタブル 25mm
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測定項目 測定項目 合格基準値 読み出し雑音 <10[e-] (システムノイズ 6e-) エネルギー分解能
(シングルイベント、FWHM、5.9keV) < 160 [eV] 検出効率 (5.9keV) > 80 [%] 空乏層厚 > 45 [mm] 縦転送電荷転送非効率（縦転送CTI) < 1×10-5 横転送電荷転送非効率（横転送CTI) < 1×10-6 電荷注入量の最適化 暗電流の温度依存性 <1 [e-/pixel/s](-50℃) ゲインの温度依存性 読み出し雑音の温度依存性
![測定項目 測定項目 合格基準値 読み出し雑音 <10[e-] (システムノイズ 6e-) エネルギー分解能](http://slidesplayer.net/slide/17053355/98/images/5/%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E9%A0%85%E7%9B%AE+%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E9%A0%85%E7%9B%AE+%E5%90%88%E6%A0%BC%E5%9F%BA%E6%BA%96%E5%80%A4+%E8%AA%AD%E3%81%BF%E5%87%BA%E3%81%97%E9%9B%91%E9%9F%B3+%3C10%5Be-%5D+%28%E3%82%B7%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%A0%E3%83%8E%E3%82%A4%E3%82%BA+6e-%29+%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC%E5%88%86%E8%A7%A3%E8%83%BD.jpg "(シングルイベント、FWHM、5.9keV) < 160 [eV] 検出効率 (5.9keV) > 80 [%] 空乏層厚. > 45 [mm] 縦転送電荷転送非効率（縦転送CTI) < 1×10-5. 横転送電荷転送非効率（横転送CTI) < 1×10-6. 電荷注入量の最適化. 暗電流の温度依存性. <1 [e-/pixel/s](-50℃) ゲインの温度依存性. 読み出し雑音の温度依存性.")
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実験概要 ① ② ③ 温度 [℃] 時間 ① -60℃でX線を照射しデータ取得。エネルギー分解能、読み出し雑音、検出効率、空乏層厚、縦転送CTI、横転送CTI、最適電荷注入量を測定する。 ② -100℃にて再びエネルギー分解能、読み出し雑音、検出効率、CTIを測定する。 ③ -100℃から-20℃まで暖めながら暗電流、ゲイン、読み出し雑音の温度依存性を測定する。
![実験概要 ①. ②. ③. 温度 [℃] 時間. ① -60℃でX線を照射しデータ取得。エネルギー分解能、読み出し雑音、検出効率、空乏層厚、縦転送CTI、横転送CTI、最適電荷注入量を測定する。](http://slidesplayer.net/slide/17053355/98/images/6/%E5%AE%9F%E9%A8%93%E6%A6%82%E8%A6%81+%E2%91%A0.+%E2%91%A1.+%E2%91%A2.+%E6%B8%A9%E5%BA%A6+%5B%E2%84%83%5D+%E6%99%82%E9%96%93.+%E2%91%A0+-60%E2%84%83%E3%81%A7X%E7%B7%9A%E3%82%92%E7%85%A7%E5%B0%84%E3%81%97%E3%83%87%E3%83%BC%E3%82%BF%E5%8F%96%E5%BE%97%E3%80%82%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC%E5%88%86%E8%A7%A3%E8%83%BD%E3%80%81%E8%AA%AD%E3%81%BF%E5%87%BA%E3%81%97%E9%9B%91%E9%9F%B3%E3%80%81%E6%A4%9C%E5%87%BA%E5%8A%B9%E7%8E%87%E3%80%81%E7%A9%BA%E4%B9%8F%E5%B1%A4%E5%8E%9A%E3%80%81%E7%B8%A6%E8%BB%A2%E9%80%81CTI%E3%80%81%E6%A8%AA%E8%BB%A2%E9%80%81CTI%E3%80%81%E6%9C%80%E9%81%A9%E9%9B%BB%E8%8D%B7%E6%B3%A8%E5%85%A5%E9%87%8F%E3%82%92%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E3%81%99%E3%82%8B%E3%80%82.jpg "② -100℃にて再びエネルギー分解能、読み出し雑音、検出効率、CTIを測定する。 ③ -100℃から-20℃まで暖めながら暗電流、ゲイン、読み出し雑音の温度依存性を測定する。")
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測定結果 現在40素子の性能を測定。 5素子：転送等に問題あり ・特定の領域(x:50~300)で縦流れを生じる。 (3素子) ・正常に電荷注入できない。(2素子)
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縦流れ素子 縦転送方向 横転送方向 正常なCCDのイメージ 縦流れCCD 中央部イメージ 中央より上側で縦流れ
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電荷注入異常素子 電荷注入法 ： 特定の画素に人工的に電荷を注入することにより、 悪化したCTIを回復させる方法 正常な電荷注入時のイメージ
横1ラインにのみ電荷が注入 電荷注入異常素子のイメージ 電荷が上側にあふれ出る
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測定結果 現在40素子の性能を測定。 5素子：転送等に問題あり ・特定の領域(x:50~300)で縦流れを生じる。 (3素子) ・正常に電荷注入できない。(2素子) 29素子：すばらしい性能 ⇒ フライトカメラ 6素子 :ＣＴＩが他素子に比べ２～３倍大きい ⇒ スペアカメラ
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測定結果例(1) ヒストグラム (シングルイベント、-60℃) 暗電流の温度依存性 カウント数 暗電流 [e-/pixel/s]
ヒストグラム (シングルイベント、-60℃) 暗電流の温度依存性 エネルギー分解能 136±3[eV] 読み出し雑音 7.5 ±0.1[e-] 検出効率 93 ±3[%] Mn-ka(5.9keV) 1200 1000 カウント数 800 暗電流 [e-/pixel/s] 600 400 Mn-kb(6.4keV) 200 5.5 6.0 6.5 エネルギー [keV] 温度 [℃] 横線：-50℃での合格基準値
![測定結果例(1) ヒストグラム (シングルイベント、-60℃) 暗電流の温度依存性 カウント数 暗電流 [e-/pixel/s]](http://slidesplayer.net/slide/17053355/98/images/11/%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E7%B5%90%E6%9E%9C%E4%BE%8B%281%29+%E3%83%92%E3%82%B9%E3%83%88%E3%82%B0%E3%83%A9%E3%83%A0+%28%E3%82%B7%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%83%AB%E3%82%A4%E3%83%99%E3%83%B3%E3%83%88%E3%80%81-60%E2%84%83%29+%E6%9A%97%E9%9B%BB%E6%B5%81%E3%81%AE%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E4%BE%9D%E5%AD%98%E6%80%A7+%E3%82%AB%E3%82%A6%E3%83%B3%E3%83%88%E6%95%B0+%E6%9A%97%E9%9B%BB%E6%B5%81+%5Be-%2Fpixel%2Fs%5D.jpg "ヒストグラム (シングルイベント、-60℃) 暗電流の温度依存性. エネルギー分解能 136±3[eV] 読み出し雑音 7.5 ±0.1[e-] 検出効率 93 ±3[%] Mn-ka(5.9keV) カウント数 暗電流 [e-/pixel/s] Mn-kb(6.4keV) エネルギー [keV] 温度 [℃] 横線：-50℃での合格基準値."){kind=tracking}
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測定結果例(2) ゲインの温度依存性 読み出し雑音の温度依存性 読み出し雑音 [e-] 温度 [℃]
-70℃~-50℃間の変化：0.5% -100℃~-20℃間の変化:1.3% -70℃~-50℃間の変化：5% -100℃~-20℃間の変化:13% ゲイン[eV/ch] 読み出し雑音 [e-] 温度 [℃] 温度 [℃]
![測定結果例(2) ゲインの温度依存性 読み出し雑音の温度依存性 読み出し雑音 [e-] 温度 [℃]](http://slidesplayer.net/slide/17053355/98/images/12/%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E7%B5%90%E6%9E%9C%E4%BE%8B%282%29+%E3%82%B2%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%81%AE%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E4%BE%9D%E5%AD%98%E6%80%A7+%E8%AA%AD%E3%81%BF%E5%87%BA%E3%81%97%E9%9B%91%E9%9F%B3%E3%81%AE%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E4%BE%9D%E5%AD%98%E6%80%A7+%E8%AA%AD%E3%81%BF%E5%87%BA%E3%81%97%E9%9B%91%E9%9F%B3+%5Be-%5D+%E6%B8%A9%E5%BA%A6+%5B%E2%84%83%5D.jpg "-70℃~-50℃間の変化：0.5% -100℃~-20℃間の変化:1.3% -70℃~-50℃間の変化：5% -100℃~-20℃間の変化:13% ゲイン[eV/ch] 読み出し雑音 [e-] 温度 [℃] 温度 [℃]")
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測定結果まとめ(1) 素子数 赤線：-100℃でのホットピクセル数 転送不良コラム数 ホットピクセル数
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測定結果まとめ(2) 素子数 読み出し雑音 [e-] エネルギー分解能 [eV] (FWHM、5.9keV)
左図赤線：システムノイズを6e-としたときのCCD固有の雑音 右図赤線：システムノイズを除いたときのエネルギー分解能 素子数 読み出し雑音 [e-] エネルギー分解能 [eV] (FWHM、5.9keV)
![測定結果まとめ(2) 素子数 読み出し雑音 [e-] エネルギー分解能 [eV] (FWHM、5.9keV)](http://slidesplayer.net/slide/17053355/98/images/14/%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E7%B5%90%E6%9E%9C%E3%81%BE%E3%81%A8%E3%82%81%282%29+%E7%B4%A0%E5%AD%90%E6%95%B0+%E8%AA%AD%E3%81%BF%E5%87%BA%E3%81%97%E9%9B%91%E9%9F%B3+%5Be-%5D+%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC%E5%88%86%E8%A7%A3%E8%83%BD+%5BeV%5D+%28FWHM%E3%80%815.9keV%29.jpg "左図赤線：システムノイズを6e-としたときのCCD固有の雑音. 右図赤線：システムノイズを除いたときのエネルギー分解能. 素子数. 読み出し雑音 [e-] エネルギー分解能 [eV] (FWHM、5.9keV)")
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測定結果まとめ(3) 素子数 暗電流(-50℃) [e-/pixel/s] 検出効率(5.9keV) [%] 55 60 65 70 80
空乏層厚 [mm] 暗電流(-50℃) [e-/pixel/s] 検出効率(5.9keV) [%]
![測定結果まとめ(3) 素子数 暗電流(-50℃) [e-/pixel/s] 検出効率(5.9keV) [%]](http://slidesplayer.net/slide/17053355/98/images/15/%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E7%B5%90%E6%9E%9C%E3%81%BE%E3%81%A8%E3%82%81%283%29+%E7%B4%A0%E5%AD%90%E6%95%B0+%E6%9A%97%E9%9B%BB%E6%B5%81%28-50%E2%84%83%29+%5Be-%2Fpixel%2Fs%5D+%E6%A4%9C%E5%87%BA%E5%8A%B9%E7%8E%87%285.9keV%29+%5B%25%5D.jpg "空乏層厚 [mm] 暗電流(-50℃) [e-/pixel/s] 検出効率(5.9keV) [%]"){kind=tracking}
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測定結果まとめ(4) 素子数 ×10-6 ×10-7 縦転送CTI 横転送CTI
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まとめと今後について MAXI搭載候補用素子40個の性能を測定した。
素晴らしい性能を持つ素子を29個、CTIに問題を持つ素子を6個、転送等に問題を持つ素子を5個ある事を確かめた。 搭載候補用素子が同じ電圧下で、一定範囲内の素晴らしい性能を持つことを確かめた。 今後について ・48素子選び出すまで、さらに選定作業を続ける。 ・フライトカメラ、スペアカメラに搭載する素子を決定する。(性能順、電荷注入のパラメータ)
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