ASTRO-E 衛星搭載 X 線 CCD(XIS) の低エネルギー側での性能評価

ASTRO-E 衛星搭載 X 線 CCD(XIS) の
低エネルギー側での性能評価
大阪大学大学院理学研究科宇宙地球科学専攻常深研究室
幸村孝由
概要
2000 年２月の打ち上げ予定の日本で５番目の X 線天文衛星 ASTRO-E には、 5 台の X 線望
遠鏡が搭載される。焦点面検出器は、 X 線マイクロカロリメータ (X-Ray Spectorometer) と、 4
台の X 線 CCD カメラ (X-ray Imaging Spectorometer:XIS) である。また X 線望遠鏡を用いない
硬 X 線検出器 (Hard X-ray Detector) も搭載される。
XIS は我々大阪大学と、宇宙科学研究所、京都大学、マサチューセッツ工科大学が共同で開発
製作を行ない、その地上での較正実験は、大阪大学が 0.2{2.2keV の低エネルギー側、京都大学が
2.2{12keV の高エネルギー側を担当している。
大阪大学での較正実験は、 XIS の応答を連続的に調べるために X 線発生装置からの軟 X 線を
グレーティング (回折格子) で分光する装置 (X 線スペクトロメーター) を用いて行なっている。
これらの実験装置を使って XIS の応答関数を構築するために必要となる、入射 X 線のエネルギー
と波高値の関係、エネルギー分解能を求めエネルギー分解能は 0.7keV で 60eV 程度であることが
わかった。また、比例係数管を用いて XIS の検出効率測定実験も行ない、検出効率が酸素の K 輝
線 (0.53keV) 付近で 14%、シリコンの K 輝線 (1.74keV) 付近 72% であることがわかった。
また、 CCD 素子は、赤外線、可視光などにも感度があるために、 XIS カメラのボンネット
にはこれらを遮断し X 線を透過させる可視光遮断フィルター（Optical Blocking Filter:OBF）
が装備されている。 XIS の観測可能なエネルギー範囲の内、特に、低エネルギー側の X 線はこの
OBF と、 CCD 素子の表面の電極やチャネルストップによる吸収の影響を強く受ける。そのため、
低エネルギー側の X 線に対する応答を正確に求めるために、それらの厚みを正確に求めることは
非常に重要である。さらに、 OBF は Al の酸化により、その可視光の透過率が高くなることも知
られており、その可視光の透過率を実測することも非常に重要である。
この論文では、軟 X 線分光装置を使って、低エネルギー側での XIS の応答を調べた結果のう
ち、 XIS の検出効率について報告する。さらに OBF の可視光透過率と X 線透過率を測定した結
果についても報告する。
目次
1
序
3
2
ASTRO-E 衛星
4
3
実験システム
3.1 XIS の較正実験システム : : : : : :
3.1.1 X 線発生装置 : : : : : : :
3.1.2 スリット : : : : : : : : : :
3.1.3 フィルター : : : : : : : : :
3.1.4 スペクトロメータ : : : : :
3.1.5 CCD チェンバー : : : : : :
3.2 スペクトロメータで得られた X 線
4
可視光遮断フィルターの性能評価
4.1 測定する OBF のサンプル : : : : : : : : :
4.2 可視光遮断フィルターの X 線透過率測定 :
4.2.1 測定方法 : : : : : : : : : : : : : :
4.2.2 データ : : : : : : : : : : : : : : :
4.2.3 データ処理 : : : : : : : : : : : : :
4.2.4 測定結果 : : : : : : : : : : : : : :
4.2.5 モデルフィッティング : : : : : : :
4.3 可視光遮断フィルターの可視光透過率測定
4.3.1 実験システム : : : : : : : : : : :
4.3.2 OBF の可視光透過率の測定結果 :
4.4 振動試験の結果 : : : : : : : : : : : : : :
4.4.1 振動試験 : : : : : : : : : : : : : :
1.1 はじめに : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.1 ASTRO-E 衛星 : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.2 XIS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.2.1 BDY(センサー部) : : : : : : : : : : : : :
2.2.2 AE/TCE(アナログ信号処理部) : : : : : :
2.2.3 DE(デジタル信号処理部) : : : : : : : : :
2.2.4 XIS のデータ生成プロセス : : : : : : : :
2.2.5 ASCA 衛星搭載 X 線 CCD(SIS) との比較
2.3 その他の Astro-E 搭載 X 線検出器 : : : : : : : :
2.3.1 XRS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.3.2 HXD : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.4 まとめ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
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5
5
9
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15
17
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21
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22
23
23
23
23
25
26
30
31
32
32
33
33
34
35
39
39
44
46
46
4.4.2 音響試験 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.5 OBF の性能評価の考察 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.5.1 Type2 OBF(R/N 7016-4、 R/N 7242-1) の可視光透過率測定の結果
4.5.2 X 線透過率の Al2 O3 の層を加えたモデルフィッティング : : : : : :
4.5.3 Type1 OBF の R/N6712-1 の可視光透過率の再測定 : : : : : : : : :
4.6 OBF のフライトモデルの決定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.6.1 OBF のプラスチックの決定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.6.2 フライトモデルの OBF の厚みの決定 : : : : : : : : : : : : : : : : :
5
検出効率測定
5.1 比例計数管の検出効率 : : : : : : : : : : : : : :
5.1.1 比例計数管の窓の X 線透過率 : : : : : :
5.2 比例計数管の検出効率測定 : : : : : : : : : : :
5.3 XIS の検出効率測定 : : : : : : : : : : : : : : :
5.3.1 測定方法 : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.3.2 データ : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.3.3 データ処理 : : : : : : : : : : : : : : : :
5.3.4 測定結果 : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.3.5 検出効率のモデルフィッティング : : : :
5.3.6 Structure Model によるフィッティング
6
まとめ
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47
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52
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55
56
60
62
62
65
71
72
73
75
83
6.1 OBF の性能評価 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 83
6.2 XIS の検出効率 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 83
A OBF の可視光透過率のシミュレーション
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5
薄膜における電磁波の反射と透過 : : : : : : : : : :
薄膜系 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
薄膜系の反射率、透過率 : : : : : : : : : : : : : : :
複素屈折率 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
シミュレーションの例とフライトモデルのデザイン
B SES の X 線強度と電流の関係
B.1
B.2
B.3
B.4
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87
89
90
91
91
97
CCD のカウント数と emission current : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 97
時間のずれ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 97
相関 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 99
結論 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 102
2
第 1 章
序
1.1
はじめに
1993 年に打ち上げられた日本の X 線天文衛星「あすか」に、世界で初めて X 線用 CCD(Charge
Coupled Device) が搭載されて以来、 X 線 CCD は X 線天文衛星に搭載する X 線検出器としては
今や標準的な検出器となっている。言うまでもなく、 2000 年打ち上げ予定の日本の 5 番目の X
線天文衛星 ASTRO-E にも XIS(X-ray Imaging Spectrometer) と名付けた CCD カメラが搭載さ
れる。また、 1999 年打ち上げ予定のアメリカの X 線天文衛星 Chandra、 2000 年打ち上げ予定の
ヨーロッパの X 線天文衛星 XMM も X 線 CCD を搭載している。
X 線 CCD は優れた位置分解能とエネルギー分解能を持つ検出器であるが、その優れた性能を
衛星軌道上で引き出すためにも、打ち上げまでの地上での較正実験を十分行ない、高い精度の応
答関数を構築しなければならない。さらに「あすか」衛星搭載 X 線 CCD カメラ SIS では、宇宙
空間で放射線劣化等により、応答関数が変化していくことが明らかになった。そのため ASTROE 衛星打ち上げ後の XIS でも軌道での較正が必要となる。この軌道上での較正を行なうにあたっ
てベースになるのは、やはり地上での較正結果であることを考えると、いかに地上で X 線 CCD
の応答を十分調べることが重要であるかがわかる。
XIS の開発は、大阪大学、京都大学、宇宙科学研究所、 MIT が共同で行なっている。大阪大
学では、軟 X 線スペクトロメーターを使って XIS の較正実験を行なっている。
X 線 CCD の応答関数を構築する際に必要となる較正項目は、エネルギー分解能、入射 X 線
に対する CCD の出力信号の線形性、検出効率、スペクトルの低エネルギー側への裾の引き方等
が挙げられる。そのうち、特に低エネルギー側での検出効率は、 CCD の表面の電極の複雑な構
造の違いのため、単純には求まらない。望遠鏡の有効面積の増加に伴い、より精度の高い測定が
必要になっている。
さらに、 X 線 CCD は X 線以外の可視光や紫外線にも感度があるために、 XIS はそれらを遮
断するフィルター (Optical Blocking Filter) を装備している。特に低エネルギー側の X 線は電極
部分だけでなく、この OBF によっても吸収される。そのため低エネルギー側での応答関数を構
築するためには、 OBF による吸収を測定から求めることは非常に重要である。
本論文では、まず XIS に装備される OBF の性能評価を行なった結果についてまとめ、続いて
応答関数を構築するために必要な XIS の検出効率の測定結果から、電極の構造の違いを考慮した
CCD の表面構造のモデルをもとに求めた電極の厚み、不感層の厚みについてまとめる。
3
第 2 章
ASTRO-E 衛星
この章では XIS を中心に、 ASTRO-E 衛星搭載 X 線検出器についてまとめる。
2.1
ASTRO-E 衛星
「はくちょう」 (1979 年打ち上げ)・「てんま」 (1983 年打ち上げ)・「ぎんが」 (1987 年打ち
上げ)・「あすか」 (1993 年打ち上げ) に続いて、 2000 年 2 月に日本で 5 番目の X 線天文衛星
ASTRO-E の打ち上げが予定されている。宇宙科学研究所鹿児島スペースセンター (KSC) から MV-4 号機 (3 段式) を使って打ち上げられ、近日点高度 200km、遠日点高度 500km の楕円軌道に
投入された後、衛星 2 次推進系によって、高度約 550km の略円軌道に修正される。
ASTRO-E 衛星には、 5 台の X 線反射望遠鏡 (X-Ray Telescope;XRT) が搭載される。そのう
ち 4 台の焦点面には、 X 線 CCD(X-ray Imaging Spectrometer;XIS) が、 1 台の焦点面には X 線
マイクロカロリーメーター (X-Ray Spectrometer;XRS) が設置される。さらに硬 X 線観測を行う
硬 X 線検出器 (Hard X-ray Detector;HXD) も加え、 ASTRO-E 衛星は計 3 種類の X 線検出器を
使って、 0.4{700keV という広いエネルギー領域の観測能力を持つ。
これら ASTRO-E 衛星搭載の X 線観測装置の開発は宇宙科学研究所を中心として、大阪大学・
東京大学・東京都立大学・理化学研究所・名古屋大学・京都大学等の国内の研究機関・大学及び
NASA ゴダードスペースフライトセンター・マサチューセッツ工科大学・ウイスコンシン大学等
のアメリカの研究機関・大学と協力して行われている。
4
2.2
XIS
XIS(X-ray Imaging Spectrometer) は、 XIS-S0、 XIS-S1、 XIS-S2、 XIS-S3 の呼ばれる 4 台
の CCD カメラの総称で、それぞれＸ線望遠鏡 XRT-I0、 XRT-I1、 XRT-I2、 XRT-I3 の焦点面
に設置される。 XIS は宇宙科学研究所、京都大学、大阪大学、マサチューセッツ工科大学が中心
となって共同で開発製作されている。
各カメラは 25mm 四角、 1024 1026pixel からなる前面照射型 CCD チップを 1 個持ち、天体
の X 線画像をそれぞれ独立に直接撮像、分光する機能を持つ。通常の観測モード (Normal Mode；
観測モードについては後述する) では 8 秒毎に 180 四方の天空を撮像する機能を持つが、時間分解
能は P-sum Mode を用いることにより、最高 8 ミリ秒まで可能である。 XIS は放射冷却とペル
チェクーラーを併用して - 90 C まで冷却する。
XIS はセンサー部分 (BDY)、アナログ信号処理部分 (Analog Electronics/Thermal controller
Electronics;AE/TCE)、デジタル信号処理部分 (Degital Electronics;DE) から構成さる。
2
2.2.1
BDY(センサー部)
図 2.1、図 2.2にそれぞれ XIS センサーの外観とその断面図を示した。 1 台のセンサーはボン
ネットとベースからなり、ヒートパイプとのインターフェースである衛星のコールドプレート上
に配置されている。またヒートパイプは衛星外部のラジエータにつながっており熱を排気してい
る。ベース内部に 4 つのセグメントからなる CCD チップが 1 個組込まれている。
XISセンサーの外観
フード
電磁バルブ
ボンネット
ベース
図
2.1: XIS のセンサーボディー
5
ボンネット
ボンネットの上部はフードと呼ばれ、その内部には CCD 素子への迷光を低減するためのバッ
フルが取り付けられている。また CCD は可視光や赤外線にも感度があるため、それを遮断する
目的の可視光遮断フィルター (Optical Blocking Filter;OBF) が CCD の前面を覆う位置に取り付
けられている。
CCD 素子の劣化防止、打ち上げ時の荷重等による OBF(詳しい説明は 4 章で行なう) の破損
を避けるために、ボンネットには軌道上で展開されるドアが取り付けられている。 XIS 内部は、
CCD チップが設置してあるベース内部と OBF が取り付けられている部分が共に真空になるよう
な気密構造になっている。そのドア開けはパラフィンアクチュエータによって制御される。打ち
上げ時には、このドアは閉じられており (図 2.2ではドアは閉じられた状態を表している)、その
内部は 50Torr 以下の真空状態に維持されている。内部の真空度は、ボンネットに取り付けられて
いる圧力センサーによってモニターされている。また XIS の地上における各種性能試験や、打ち
上げ初期各時での排吸気を行うための電磁バルブも取り付けられている。衛星が軌道に載ると放
射冷却板を通して CCD チップが急激に冷却される。その時 CCD チップ表面に水蒸気等の不純
物が吸着することを避けるために、打ち上げ後 CCD が冷える前に、電磁バルブを開けて XIS 内
部を真空引きする。観測体制に入るためのドア開け後は可視光の侵入を防ぐために電磁バルブは
閉じられる。
X-ray
ボンネットの断面図
電磁バルブ
11
00
00
11
00
11
00
11
00
11
11
00
00
11
00
11
00
11
00
11
11
00
00
11
00
11
11
00
00
11
00
11
ドア
11111
00000
00000
11111
00000
11111
00000
11111
00000
11111
00000
11111
00000
11111
00000
11111
00000
11111
00000
11111
11111
00000
OBF
111111111
000000000
000000000
111111111
000000000
111111111
000000000
111111111
0000000000
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000000000
111111111
00000000
11111111
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00000000
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00000000000
11111111111
00000000
11111111
0000000000
1111111111
00000000000
11111111111
00000000
11111111
Cal Source( 55Fe )
バッフル
ベース
ベース
CCD チップは、ベース底面から 50mm の位置に設置され、 3 台のペルチェクーラー (Thermal
Electric Cooler,TEC) と補強用のサポートによって支持されている。 CCD チップ面上には、 CCD
チップの蓄積領域を覆い、また、放射線シールドも兼ねたカバーシールドが取り付けられている。
ペルチェクーラーは冷却だけでなく、 CCD チップに付着した不純物を取り除く目的で逆電流を
流し、 CCD チップを温めるヒーターとしても使用可能になっている。
X-ray
カバーシールド
フレームフィルター
CCD
TEC
ヒートシンク
XISのベースの断面図
点にとり、 SegmentD の読み出し口から一番遠いピクセルの座標を (1023、 1023) とした。
1024 pixel
2 pixel
Imaging
領域
1024
pixel
電荷転送方向
Framestore
領域
nodeA
nodeB nodeC
nodeD
Split readout registers
2.2.2
AE/TCE(アナログ信号処理部)
AE/TCE は CCD チップを動作させ、 CCD チップの各画素からのアナログ信号を取得し、取
得したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ電気回路系 (AE) と、 CCD チップを冷
却するための温度制御回路系 (TCE) の総称である。 AE/TCE は、独立した 4 系統の AE/TCE0、
AE/TCE1、 AE/TCE2、 AE/TCE3 から構成され、それぞれ XIS-S0、 XIS-S1、 XIS-S2、 XISS3 と接続されている。但し AE/TCE0 と AE/TCE1、 AE/TCE2 と AE/TCE3 はそれぞれ 1 つ
の回路ボックスに格納されており、それぞれを AE/TCE01、 AE/TCE23 と呼んでいる。図 2.5に
AE/TCE の概念図を示した。
AE/TCE
DE
Controller Card
Driver Card
Video Card
TCE Card
CCD
TEC
Backplane
図
2.5: AE/TCE の概念図
AE/TCE は Controller Card、 Driver Card、 Video Card、 TCE Card の 4 枚の回路基板か
らなり、これらは共通のバックプレーンに接続されている。以下それぞれの Card の役割につい
て簡単にまとめた。
Controller Card
AE/TCE の制御を行い、 DE とのインターフェースの役目も行う。具体的には DE から送
られてくる AE/TCE コマンドを受取り、さらにバックプレーンを通して他のカードの制御
を行ったり、 Video Card から送られてくる Pixel データと、 HK データを DE へ渡すこと
も行う。 HK データの AD 変換は Controller Card で行われる。また、 Controller 上に設
置した Sequencer から CCD のクロックパターン信号を生成したりする。また生成したクロッ
クパターン信号によって Driver Card や Video Card が制御される。
Driver Card
Controller Card から送られるクロックパターン信号によって CCD を動作させるためのド
ライブ信号を生成する。電荷転送に必要なクロックは、 Imaging 領域の横転送、蓄積領域
の横転送、シリアルレジスターでの横転送の 3 種類に加えて、アウトプットのリセットを
行う Reset Gate Clock があり、 Driver Card の DAC(デジタル・アナログ・変換器) に設
定された値でそれぞれのクロックの電圧が決定されている。
Video Card
CCD チップから送られてくるアナログの Pixel データと HK データは、このカードを経由
する。 Pixel データはこのカードで AD 変換され、 Controller Card に流される。
9
TCE Card
CCD の温度を制御するために、 TEC に流す電流を制御する Card である。 TCE Card は
TEC の CCD 側温度とヒートシンク側の温度をモニターしており、それとコマンドで設定
した目標温度と比較して TEC の電流を制御している。
2.2.3
DE(デジタル信号処理部)
DE は、 AE、 PSU(Power Suply Unit; センサーの電源を供給する)、 DP(Data Processor) と
のインターフェースを持ち、 PPU、 MPU の 2 種類のデータ処理装置から構成されている (PPU、
MPU については後述する)。 DE は AE に必要なパルス制御プログラムの保存、 AE への転送を
行う。また 4 台の CCD カメラで取得され、 AE で A/D 変換された X 線イベントに関するデジ
タル信号を解読し、必要な位置、エネルギー情報に変換する。 DE はまた XIS 関係のコマンド、
HK の解読、処理を行う。さらに、その X 線イベントデータをテレメトリーフォーマットに編集
して DP へ送り出す。図 2.6に DE の概念図を示した。
X線イベントの抽出と
テレメトリーフォーマット
への変換
DP
MPU
DE
A/D 変換
X線撮像
PPU0
AE0
XIS0
PPU1
AE1
XIS1
PPU2
AE2
XIS2
PPU3
AE3
XIS3
X-ray Event data in the
CCD Packet Format
Frame data
(digital)
X-ray
Frame data
(analog)
2.2.4
XIS のデータ生成プロセス
AE の Clocking Mode(後述する) によって AE から出力される Pixel data に対して、 DE は
それぞれの Segment に関して独立した処理を行なう。 DE の PPU は、 AE から出力される Pixel
data の内、 Active Pixel 及び H-Overclocked Pixel を AE から読み出される順番に従って PPU
内の Pixel RAM に取り込む。その際、 Segment 境界に位置するピクセルを中心とするイベント
も検出可能にするために。 Active Pixel のそれぞれのラインについて隣り合った Segment の隣接
するピクセル 2 ピクセル分 (Copied Pixel) を、ラインの先頭及び末尾へ追加して Pixel Ram へ展
開する。また CCD 素子の両端の SegmentA、 SegmentD では、他の Segment には隣接しない部
分があるが、その部分には Dummy Pixel(パルスハイトはゼロ) が入れられる。
DE でのデータ処理は以上のように Pixel Ram へ展開したデータの処理を行なう。
データの定義
Pixel Ram へ展開したデータに対して、 DE でダークレベルや光洩れの差し引きを行う。この
節では、 DE で用いるデータについてまとめる。
1. PH データ
PH データは、 AE から読み出された生データ、つまり Pixel data 信号線で伝送されるデー
タそのもののことを指し、 PH データは、 0{4095 の範囲の 12 ビットの正数である。
2. ダークレベル
PH データの実際のゼロレベルを示す値。 DE では、 1 フレーム中の各ピクセル毎に 1 つの
ダークレベルを保持しており、運用時には、通常の観測体勢に入る前に必ずダークレベル
の初期値を決め、それを元にしてピクセルのレベル補正を行なう。ダークレベルの初期値
を決定する際には、 4、 8、 16、 32 フレームのいずれかの枚数のフレームを指定すること
が出来る。
3. 光洩れ量
光洩れは、観測対象以外からの可視光などの漏洩に起因する PH データの一様な変動のこ
とを指し、衛星が日陰から日照、日照から日陰へ移動した際に顕著に現れる。
光洩れ量を観測対象から省くために、 DE では 1 フレーム撮像する毎に計算、更新され、
その値は次のフレームの撮像時に補正値として扱われる。
また、光洩れ量の補正は、 AE の Clocking Mode は Normal または Burst Mode の時のみ
使用でき、 P-sum Mode では使用しない。
4. ピクセルレベル (Pixel Level)
AE からの生データである PH データに対して、ピクセルレベルはダークレベルや光洩れ量
などの補正を行なったデータのことである。
ピクセルレベル =
P H データ 0 ダークレベル 0 光洩れ量
11
(2:1)
5. バイアスレベル (Bias Level)
バイアスレベルとは、 H-Over Clocked region の PH データの平均値のことである。この値
は AE 内の回路部分のゼロレベルの変移量に対応している。ただし、このような変移量は
ダークレベルに既に含まれているので、 DE ではピクセルレベルの算出にバイアスレベル
を考慮しない。ただし AE 内の回路の状態のモニターとして使用出来るので常時テレメト
リに出力される。
イベントの定義
CCD フレーム上で、以下に示すイベント閾値に対する 3 つの条件を満たすピクセルのことを
イベントと定義する。イベントの条件は、 AE の Clocking Mode(後述する) によって異なる。
ここでは、各 Clocking Mode 毎にイベントの定義を示す。ただし 1 が読み出し口に近いピクセル
を表す。
1. Normal/Burst Mode
x
0
2
図 2.7に示したように、 3 3pixels の領域に
ついて、以下の条件が満たされている場合、
これをイベントとして定義する。
EventTh Lower Pixel Level(E)
Pixel Level(E) > Pixel Level(1{4)
Pixel Level(E) Pixel Level(5{8)
1
2
3
4
E
5
6
7
8
y
EventTh Upper
図 2.7:Normal/Burst Mode
のイベントの定義
こで、 Pixel Level(X) は、ピクセル X(E、 1{8) のピクセルレベルであり、 EventTh Lower(イ
ベント閾値2 の下限)、 EventTh Upper(イベント閾値の上限) は地上からのテレコマンドで
与えるパラメータである。
2. Parallel Sum Mode
図 2.8に示したように、 CCD フレーム上の
123pixels の領域について、以下のイベント
1
閾値の条件が満たされている場合、これを
イベントとして定義する。
EventTh Lower Pixel Level(E)
Pixel Level(1) < Pixel Level(E)
Pixel Level(2) Pixel Level(E)
EventTh Upper
2 イベントスレショルドとも言う参考文献 [7] 等参照されたし
12
E
2
図 2.8:Parallel Sum モード
のイベントの定義
Grade の定義
本論文では、 SIS の Grade の定義を採用しデータ解析を行なった。図 2.9に参考までに SIS の
Grade3 のテーブルを示す。
観測モードの定義
XIS では、データを生成するモードは 2 通りに分けられ、それぞれ Clocking mode と Edit mode
と呼ぶ。以下それぞれのモードに関して説明する。
Clocking mode
Clocking mode とは、 CCD の駆動に関するモードのことを指し、それによって露光時間、時
間分解能が決定される。 Clocking mode は以下のように大きく分けて 3 通りある。
Normal mode
CCD チップの水平方向の 2 ライン分を除いた全ピクセルを読み出すモードで、 Window オ
プション (後述する) がない場合は、 1 フレームの撮像に 8 秒要する。
Burst mode
CCD チップの水平方向の 2 ライン分を除いた全ピクセルを読み出すことからいうと Normal mode と同じであるが、このモードでは、任意に露光時間を短くすることが出来る。明
るいソースのような pile up を避けたい観測に適している。
Parallel-sum mode(P-sum mode)
P-sum mode は、 CCD の各ピクセルの電荷量を縦方向に指定された数 (64、 128、 256 ラ
インの 3 通り) だけチップ上で加算して読み出すモードである。 P-sum mode では位置分解
能は犠牲にはなるが、読み出し時間を短縮できる。
以上 3 通りの Clocking mode の内、 Normal mode Burst mode に対しては、 Window オプショ
ンが付けることが可能である。 Window オプションとは、 CCD 上で指定した領域だけを繰り返
し読む機能で、 CCD の縦方向のみその領域を指定できる。また指定可能な領域の面積は、 CCD
の縦のサイズの 1/4、 1/16、 1/256 の 3 通りである。
Edit mode
DE では、 AE から送られてくる X 線イベントデータを、予め規定されたフォーマットによっ
て抽出・処理する。その抽出・処理方法に関するモードのことを Edit mode と呼ぶ。また Edit
mode は地上からのテレコマンドで決定され、 DE 内の 4 つの PPU をそれぞれ異なった Edit mode
で動作させることも可能である。
525 mode
25 個のピクセル中にある全ピクセルのパルスハイトをテレ
イベントを中心とした、縦横 5
メトリ出力する。
323 mode
2
イベントを中心とした、縦横 3 3 個のピクセル中にある全ピクセルのパルスハイトと、そ
の外周の 16 ピクセル分のうちある閾値 (スプリット閾値) を越えたピクセルの位置とそのパ
ルスハイトをテレメトリ出力する。
3 参考文献 [7] 等参照されたし
13
(grade0)
S=完全なｼﾝｸﾞﾙ
(grade1)
S+ = S + 離れたｺｰﾅｰ
(grade2)
V=垂直ｼﾝｸﾞﾙｻｲﾃﾞｨﾄﾞｽﾌﾟﾘｯﾄ
(+ 離れたｺｰﾅｰ)
(grade3)
L=左ｼﾝｸﾞﾙｻｲﾃﾞｨﾄﾞｽﾌﾟﾘｯﾄ
(+ 離れたｺｰﾅｰ)
(grade4)
R=右ｼﾝｸﾞﾙｻｲﾃﾞｨﾄﾞｽﾌﾟﾘｯﾄ
(+ 離れたｺｰﾅｰ)
(grade5)
P+=ｼﾝｸﾞﾙｻｲﾃﾞｨﾄﾞｽﾌﾟﾘｯﾄで
隣接したｺｰﾅｰ有り
(grade6)
L+Q=ｽｸｳｪｱ型とL型
(+ 離れたｺｰﾅｰ)
Event threshold以上で最大のPixel levelのﾋﾟｸｾﾙ
Split threshold以上でEventのﾊﾟﾙｽ高に含めるﾋﾟｸｾﾙ
Split threshold以上でEventのﾊﾟﾙｽ高に含めないﾋﾟｸｾﾙ
ｼﾝｸﾞﾙ（S）
ｼﾝｸﾞﾙｻｲﾃﾞｨﾄﾞｽﾌﾟﾘｯﾄ
L型（L）
ｽｸｳｪｱ型（Q）
図
2.9: あすか衛星搭載 SIS の Grade の定義
14
Top4 mode
2
イベントを中心とする 3 3 ピクセルのうち、中心ピクセルと上下と左右のピクセルに関し
てパルスハイトの高い順に 3 つ選んでその位置とパルスハイトを出力する。
Timing mode
P-sum mode と共に使用し、 123 ピクセルの内スプリット閾値を越えたピクセルのパルス
ハイトの合計とグレード、時間情報等を出力する。
Dark Initialize mode 、 Dark Update mode 4
処理中に検出したホットピクセルの位置とそのパルスハイトを出力する。
Frame mode
AE から読み出された 1 フレーム分の全ての情報をテレメトリに出力する。撮像時間は 8、
32、 128 秒の 3 通り可能である。
Darkframe mode
DE が記憶しているダークフレームの情報をテレメトリに出力する。
2.2.5
ASCA 衛星搭載 X 線 CCD(SIS) との比較
この節では、 SIS との比較を通して、 XIS の性能についてまとめる。
SIS は動作温度が -65 C で設計されたが、 SIS でわかった放射線損傷による性能の劣化を少
しでも緩和するために、 XIS の動作温度はさらに低い -90 C まで冷却できるよう設計され
ている。
SIS の OBF は Lexan がベースであったのに対して、 XIS ではより強度の強い Polyimide の
OBF を採用し、 X 線透過率の測定からその厚みを求めるだけでなく、 SIS では行なわなかっ
た可視光透過率も実測し、その可視光を十分遮断することも確認している。
XIS は、キャリブレーション線源 55Fe を装備している。そのため SIS では困難であったエ
ネルギーの絶対測定が常時可能になる。
SIS は 1 台のカメラに 4 個の CCD 素子を凋密並べることで、全体として 25mm 四角の有効
面積を保持している。しかし素子の隙間はいくら凋密に配置しても埋めようがなかった。 1
素子で 25mm 四角をカバー出来るので、素子のギャップはない。
バックグランドレベルを決定する面において、 SIS はメモリーの制限のためにダークフレー
ムメモリーを各フレーム毎に持てず、またダークレベルのアップデートも予想外の光洩れ
に対して十分ではなかった。しかし XIS では光洩れ補正も十分行なっている (2.2.4 参照)。
表 1 に SIS と XIS の性能についてまとめる。
4 詳細は科学衛星 ASTRO-E 中間報告書参照されたし
15
表 1.
CCD type
No. of Cameras
No. of CCDs per Camera
No. of Pixels/CCD
Pixel Size
Eective Depletion Depth
Dark Current(e0 /s/pixel)
@Operation Temp
Readout Noise
CCD Operation Temperature
Annealing Mode
Calibration Source
Clocking Mode
Window (Partial) Readout
Exposure Time
Dark Levels in the DE
Event Data Mode for Obs.
Telemetry Capacity(events/s)
@bit rate H
(XRT Eective Area cm2 )
(XRT F.L.)
F.O.V.
ASCA 衛星搭載 X 線 CCD(SIS) との比較
ASCA SIS
Astro-E XIS
CCID7(FT/3phase) FI
CCID17(FT/3phase) FI
2
4
4
1
420(H) 2 422(V)
1024(H) 2 1026(V)
27m 2 27m
24m 2 24m
30m
50-75m
0.2@launch 2@1000d
<0.1
3-4e0 rms
060C
Available(0 + +20 C )
No
Normal/P-Sum
No
4s(1CCD mode)-16s(4CCD mode)
one value for 16 2 16pixels
Faint/Bright/Fast
128/2SIS@Faint Mode
3-4e0 rms
090 C
Available(+20 C)
55
Fe (Always on)
Normal/P-Sum/Burst
Available
8s(Normal) / <8s(Burst)
one value for each pixel
525/323/Top4/Timing
1500/4XIS@323 Mode
650 cm2 @1.5keV, 300 cm2 @7keV
3.5m
21.60 2 21.60
2200 cm2 @1.5keV, 1400cm2 @7keV
4.75m
17.40 217.40
16
2.3
2.3.1
その他の Astro-E 搭載 X 線検出器
XRS
衛星搭載機器としては世界で初めて X 線マイクロカロリーメータを使った検出器が XRS であ
る。マイクロカロリーメーターは入射 X 線光子 1 個 1 個のエネルギーを素子の微弱な温度上昇と
して測定する。エネルギー分解能は素子のフォノン数の統計的揺らぎ等で決まり、その優れた X
線分光能力を発揮するためには絶対温度 65mK の極低温に冷却しなければならない。 65mK にお
ける XRS のエネルギー分解能は 10eV で、 SIS のそれに比べて 10 倍以上優れている。
65mK の極低温に冷却するため XRS は、断熱消磁型冷凍機・液体ヘリウム容器 (1.2K)・固体ネ
オン容器 (17K) の 3 段階の冷却装置の中に保持されており、全体として大型デュワーに格納され
ている。 XRS の life time は、その冷媒の消費量で決まり約 2 年である。
太陽パネル
デュワー
図
2.10: ASTRO-E 衛星に組込まれた XRS
図 2.10にあるように、太陽の直射を避けるために、大型デュワーは太陽電池パネルと反対側
に露出され、放射冷却で -230 C 程度に冷却される。このデュワーだけで「あすか」衛星全体に匹
敵する 400kg の重量である。
17
図 2.11に、 ASTRO-E 衛星の BASE に取り付けられた XRS のデュワーと XRS のブロック図
を示す。
図 2.11中のブロック図を使って、 XRS の構造を説明する。 X 線光子が X 線吸収体で吸収される
と、吸収体の温度が数 mK だけ上昇する。その温度上昇を温度計 (サーミスタ) で測定する。
X 線吸収体
XRS の X 線吸収体には、 X 線吸収率が高く、熱容量が小さく、入射 X 線光子のエネルギー
を素早く完全に熱エネルギーに変換する物質として HgTe(水銀テルル) を使用している。
温度計
温度計には、小さい温度変化に高い感度を持ち、固有の熱揺らぎとノイズの小さいものと
して、 ion-implanted silicon thermister を使用している。
XRS デュワー
X-ray
11
00
00
11
00
11
00
11
00
11
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111111
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000
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000000
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000
111
液体ヘリウム
000000
111111
000
111
000000
111111
000
111
000000
111111
000
000000111
111111
000
000000111
111111
000
111
X-ray filters
X線吸収体
温度計
( サーミスタ )
固体ネオン
ASTRO-E BASE
図
XRSデュワー断面図
2.11: XRS デュワー断面図
XRS は素子の応答速度が 100ms 程度と遅いので、明るい天体の観測の際にはフィルターを使
用する。素子数は 1622=32、面積は約 5.3422.48mm2 であり、 XIS 程高いイメージング能力は
持たない。以下に、 XRS の要求性能を示す。
18
表1
.XRS の要求性能
Energy Resolution
20eV
Energy range
0.5{10keV
Absolute Energy Determination 2eV
Mission Lifetime
2years
Eciency
10% over
Throughput Knowledge
5% absolute
表2
.XRS の有効面積
Area
5.34mm22.48mm
Field of view
4.10 2 1.90
Pixel Size(1 pixel)
1.231 mm 2 318 mm
Absorber(Hg Te) thickness 8m
2.3.2
HXD
HXD(Hard X-ray Detector) は、 X 線反射望遠鏡を持たない非イメージング観測器で、 GSO
井戸型フォスウィッチ検出器 (50{700keV) と PIN 型フォトダイオード (10{50keV) を組み合わせ
て、 10{700keV の硬 X 線領域の観測を担う。総重量は約 200kg である。 HXD を構成する 16 ユ
ニットの Well 検出器の外観図を図 2.12に示す。
図 2.13に示したように、井戸型フォスウィッチ検出器は、 4 個 (24mm224mm25mm) の GSO
結晶 (Gd2 SiO5 :Ce 0.5% mol) シンチレーターと 4 つの井戸を持つ BGO(Bi4 Ge3 O12 ) 結晶によっ
て構成されている。 BGO 結晶はアクティブコリメーターも兼ねた井戸部と、 PMT(フォトチュー
ブ) を装着したボトム部からなる。さらに GSO 結晶の上部には PIN 型フォトダイオードを用い
た半導体検出器が設置されている。
4 組の PIN 型フォトダイオードからの信号は、 4 系統の低雑音チャージアンプにより受けら
れ、また BGO と GSO の発光は共に 1 本の PMT で検出され、それぞれ HXD-AE に送られる。
バックグランドや、視野の外からの X 線は BGO のアクティブシールドによって除去され、 PIN
フォトダイオードと GSO のバックグランドを低く押えることが出来る。
表3
.HXD の基本性能
Energy Resolution
9%@662keV 3%@10keV
Energy range
10{700keV
2
Eective Area
230cm ( 40keV),330cm2 (40keV)
Feild of View
0 .56 2 0 .56(100keV) ,4 .6 2 4 .6( 200keV)
time resolution
normaly 61sec
19
340mm
340mm
380mm
図
60
Well Unit
4
2.12: HXD の外観
Passive Fine Collimator
Side Anti Unit
25.525.5
60
40
8
Corner
Anti Unit
10
57
BGO
320
60 57
Diode
380mm
340mm
GSO
40
340mm
340mm
図
2.13: HXD 断面図
20
2.4
まとめ
この章でこれまで紹介してきた ASTRO-E 搭載 X 線検出器の性能を表 2.1にまとめる。
Instrument
XIS
XRS
Energy range
0.4{10 keV
0.4{10keV
Number of sensors 4(one CCD chip/sensor)
1
Number of pixels
102421026
32(1622)
for each CCD
(no pixels at the corners)
Pixel size
24micron224micron
1.231mm 2 0.318 mm
2
Eective Area
450 cm @1keV
450 cm2 @1keV
2
250 cm @6keV
250 cm2 @6keV
Energy Resolution
130eV @6keV
12eV
Feild of View
19'219'
4.1'21.9'
Imaging capability
Spatial Resolution
1.5 arcmin
Full
Limited (626 pixels)
Limited by the pixel size
表
2.1: ASTRO-E 搭載 X 線検出器の性能
21
HXD
10{700keV
1(16 identical units)
{
{
{
2
230cm @10keV
330cm2 @100keV
3 % @10keV
9% @662keV
0.8 (FWHM@60keV)
2.8 (FWHM@500keV)
{
{
第 3 章
実験システム
3.1
XIS の較正実験システム
この章では、 XIS の低エネルギー側の較正実験に使用した実験システムについて説明する。
この実験システムは、軟 X 線分光用のスペクトロメーターを中心とした実験システムで、 2.5keV
以下の軟 X 線を利用し CCD の較正実験を行なうために大阪大学で構築されたものである (橋本
谷修論,1996 年)。システムの概観を図 3.1に示した。
グレーティング(回折格子)
エレベーター
スリット
分光X線の分散方向
フィルター(Al)
CCDチェンバー
X線発生装置
(ターゲット : Ag)
反射鏡(凹面鏡)
図
ゲートバルブ
3.1: XIS の較正実験システム
このシステムは大きく分けて、 X 線発生装置 (図 3.1のスリットより左)、スペクトロメーター (図
3.1内のスリットからゲートバルブまで) と、 CCD チェンバーとからなる。全体は光学面保護の
22
ためクリーンルーム内に設置され、光学系は 1007 torr 程度の高真空に保たれている。
X 線発生装置から発生した X 線は、まずスリットを通過する。次にフィルターを通過し、凹
面鏡で集光され、グレーティングに入射する。そしてグレーティングよって分光された X 線が焦
点面上 (チェンバー内の CCD 上) に焦点を結ぶ仕組みになっている。以下それぞれの装置につい
て説明する。
3.1.1
X 線発生装置
J.E.Manson 社製の model 2 Ultrasoft X-ray source である。タングステン製のフィラメント
を加熱することで熱電子を発生させる。熱電子はターゲットとなる陽極の間の高電圧により加速
され、ターゲットに衝突することで X 線を発生させる仕組みになっている。このシステムでは、
凹面鏡や回折格子を金でコーティングしており、金の吸収端である 2.26keV まで強い X 線を取り
出すことができる。
XIS の較正実験では、銀のターゲットを使用した。
3.1.2
スリット
スリットの幅は、 5、 10、 20、 50、 100、 200m の中から選択できる。 X 線の強度とスペ
クトロメーターの分解能はこのスリットの幅で決まり、幅を細くすると分解能は上がるが強度は
落ちる。較正実験では、パイルアップを防ぐため、スリットの幅は 5m とした。
3.1.3
フィルター
X 線発生装置から出る X 線以外の可視光や赤外線等を遮蔽し、 X 線のみを透過させるための
フィルターである。 XIS の較正実験では厚さ 0.3m のアルミニウムを使用した。
3.1.4
スペクトロメータ
Hettrick Scientic 社製の Si-K edge Spectrometer FFS-II 型 (以下、 SES と呼ぶ) を設置して
いる。この Si-K edge スペクトロメーターは反射型の平面回折格子に、全反射の円筒状反射鏡を
組み合わせて結像する仕組みになっている。
反射鏡
フィルターを透過した X 線を全反射させ、かつ収束光にするために全反射型の凹面鏡が設置
されている。凹面鏡によって、フィルターを透過した X 線は収束光になり、図 3.2に示したよう
A 程度までの
に、回折格子に入射角 88.8 で入射する。反射面は金でコーティングされており、 5
波長域の X 線に対して高い反射率を持つ。
焦点は、回折格子の中心から 775mm の位置にあり、 0 次光は回折格子面で鏡面反射されて、
図 3.2の 0 次光の位置で結像する。回折光は格子面から見て鏡面反射よりも外側を使用する場合、
一般的に次数にマイナスをつけて -m 次光と呼ぶが、本論文では以後、 1 次光、 2 次光という呼
び方をする。
回折格子
今回使用した回折格子は、 O-K edge 用 (SA, 格子定数 1/480mm) を使用しており、全反射の
円筒状反射鏡を組み合わせて、酸素の K 吸収端のエネルギー (0.53keV) の 1 次光が水平方向に回
折されるように設計されている。この回折格子の特徴は、格子定数を光軸に沿って連続的に変化
させ、同次の回折光が焦点面に置かれた X 線検出器上に焦点を結ぶように設計されていることで
ある。
23
以下、図 3.2を使い、 X 線発生装置から発生した X 線が焦点を結ぶまでの経路についてまと
める。
L0
0次光
y1(λ)
β0
入射X線
1次光
β1(λ)
ym(λ)
α
βm(λ)
反射鏡
m次光
α= 88.8°；入射角 (設計値)
β0 = 88.8°；0次光の出射角(設計値)
β1 :1次光の出射角
βm :m次光の出射角
焦点面
L 0 = 775mm(設計値) ；焦点距離
図
3.2: Si-K edge スペクトロメーター FFS-II の回折格子
反射鏡で収束した X 線の、回折格子に対しての入射角を、出射角をとした時、 0 次光 (反
射光) は = となる角度に出射する。それに対して、 m 次光は回折格子の式より、
=
d
jmj (sin 0 sin )
(3:1)
で決まる角へ回折される。ここでは入射 X 線の波長、 d は回折格子の中心での格子定数であ
る。
そのため格子上の任意の位置 x での、ある波長の入射光に対する回折光は、全て検出器を置
く平面上に像を結ぶようになっている。すなわち、格子面上の位置 x での格子間隔を d(x)、入射
角及び回折角をそれぞれ (x)、 (x) とすると、式 3.1より
d(x) =
m0
sin (x) 0 sin(x)
(3:2)
であるから、格子面上の任意の x での、ある波長 0 の回折光が、同一平面上に焦点を結ぶよう
に、上式の格子間隔 d(x) を調節してある。格子全体では、距離 L0 だけ離れた焦点面に置かれた
検出器面上での m 次回折光の入射位置 y は、回折角を m として
ym = L0tanm
で決まる。
24
(3:3)
なお、分光されない０次光については鏡面反射であるから (x) = (x) であり、格子面の中
心では 0 = 0 = 88:8 (設計値) である。実際の測定では０次光の位置 y0 を基準にし、そこか
らの距離を ym () 、 m 次回折光の波長を、とすると、
m = d(sinm 0 sin88:8 )
y
m = 88:8 0 Arctan m
L
また、０次光と１次光の焦点面上での距離を
(3:4)
(3:5)
y1 とおくと、
y1 = L0tan(0 0 1)
(3:6)
式 3.4と式 3.6から分光 X 線の焦点面の入射位置と０次光の距離を ym とおくと、分光 X 線の
０次光からの距離は、
ym = y1 + L0tan(1 0 m )
(3:7)
と表すことができる。
3.1.5
CCD チェンバー
CCD チェンバー内部の概略を図 3.3に示した。 XIS は、 CCD チェンバー内のコールドプレー
トに取り付けられ、回折格子による分散方向 (図 3.2では縦方向) に沿ってモーターで上下に移動
することが出来る。 CCD の位置 (この論文では、 CCD Position と呼ぶ) は、 -4mm から 77mm
まで動かすことが出来る。また XIS は、 ACTX の方向と分光 X 線の分散方向が平行になるよう
に取り付ける。このように XIS を取り付けると、一度に全 Segment に同じエネルギー範囲の X
線をあてることは出来ないが、モータを使って分光 X 線の分散方向に移動させることによって、
どの Segment でも、 0.2{2.2keV までの分光 X 線を照射することが可能になる。
また、 CCD チェンバー内には XIS を取り付けたモーター以外に、 2 つモーターが取り付けら
れており、実験目的に応じて比例計数管、比例計数管の窓、可視光遮断フィルター (OBF)、 slit
等を取り付けることが出来る。
CCD チェンバー内の真空度はロータリーポンプと、ターボポンプで 1006 Torr 程度に保たれ
ている。
25
モーター
コールドプレート
SegmentA
1111
0000
0000
1111
0000
1111
0000
1111
0000
1111
分光X線
液体窒素デュワー
SegmentD
XIS
図
3.2
ネットワイヤー
3.3: CCD チェンバー
スペクトロメータで得られた X 線
この節では、 SegmentA で得られたシングルイベントのデータを使って、入射 X 線光子の XIS
の SegmentA の ACTX 座標 (分光 X 線の分散位置に対応し、 SegmentA の読み出し口を原点 (0、
0) とし、縦転送方向を Y 軸 (ACTY)、横転送方向を X 軸 (ACTX) にとる座標系で SegmentA の
ACTX は 0{255,ACTY は 0{1023 に対応する) から, その入射 X 線のエネルギーの求め方につい
て説明する。このデータは Normal mode で 1 フレームあたり 8 秒露光したデータで 200Frames
分のデータを重ね合わせたもである。
横軸に SegmentA の ACTX 座標、縦軸に ACTX 座標で検出されたイベントの波高値の分布
(pulse height distribution; 以後この論文では phdist と呼ぶ) を図 3.4に示す。黒点 1 点 1 点が入
射 X 線光子によるイベントに対応している。横軸は XIS の SegmentA の ACT 座標 (分光 X 線光
子の入射位置) で、縦軸がイベントの波高値である。前節で述べたように、 ACTX は分散方向と
平行であり、分散位置すなわち ACTX の座標が大きいほど、入射 X 線のエネルギーは低い。
図 3.4には右下から左上にかけて、 4 本の帯状の色の濃くなっている部分があり、波高値の低
い順からそれぞれ、 1 次光、 2 次光、 3 次光、 4 次光に相当するイベントの分布を表している。
横軸は X 線の分散方向であり、入射 X 線のエネルギーに相当し、その広がりはスペクトロメータ
のエネルギー分解能で決まる。また、縦軸の広がりは XIS のエネルギー分解能で決まる。
実際に 1 次光だけを使いこの phdist から切り出した分散スペクトルを求めるには、式 3.7を用
いる。式 3.7から、まず切り出す次数の分散光の分散位置 (XIS の ACTX 座標) を縦軸に、その分
散位置でのエネルギーを横軸にとった曲線を求め、実験データと対応させればよい。分散位置は
3.7で示したように、 0 次光からの距離より求めることが出来るので、この曲線を求めるために必
要な情報は、分散位置でのある 1 点での m 次光のエネルギー、 XIS のピクセルサイズ ( 24m )
が分れば、どの分散位置にどのようなエネルギーの X 線が分光されるかがわかる。式 3.7から入
射した X 線のエネルギーを求めることが出来る。これで ACTX 方向がエネルギーに変換できる。
また XIS の Gain を知ることによって任意の分散位置での波高値が求まり、曲線が書ける。
先に述べたように、 phdist での縦軸 (波光値) 方向の広がりは、 XIS のエネルギー分解能で決
まる。実際 1.5keV 付近で XIS のエネルギー分解能は 2% 程度即ち 10ch 程度である。その 4 に
相当する 40ch の幅で曲線に沿って切り出した phdist を図 3.5に示す。
26
Pulse Height Distribution
Pulse Height(ADU)
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
50
100
150
200
250
Position(Pixels)
Segment A Grade0 CCD position=2mm
図
3.4: CCD position 2 mm における SegmentA のシングルイベントの phdist
Pulse Height Distribution
Pulse Height(ADU)
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
50
100
150
200
250
Position(Pixels)
Segment A Grade0 CCD position=2mm
図 3.5:
CCD position 2 mm における SegmentA のシングルイベントの 1 次光を切り出した phdist
27
O-K α (0.525keV)
F-K α(0.677keV)
O-K abs.edge (0.54keV)
図 3.5に切り出した 1 次光のイベントの分散方向 (ACTX) に対する分布を示す。図 3.6では横
軸 (分散方向) をエネルギーに換算してあり、縦軸は各ラインごと、すなわち各エネルギーごとの
カウント数である。これから分るように、 CCD Position を 2mm でデータを取得すると SegmentA
には、 1 次光のエネルギーが約 0.5{0.8keV までの分光 X 線が照射されることが分る。 CCD のエ
ネルギー分解能で得られるスペクトルをエネルギースペクトル、あるいは単にスペクトルと言う
のに対して、このようにして得られたスペクトルを分散スペクトルと呼ぶことにする。
図
3.6: CCD position 4mm における SegmentA のシングルイベントの分散スペクトル
これまで説明に用いたデータは、 CCD Position = 2mm の際に取得した SegmentA のデータ
であった。 0.2{2.2keV までの分光 X 線が照射するように X 線 CCD Position を -4{26mm まで
移動させ同様のデータ処理を行なうことによって、 SegmentA について図 3.7の結果を得る。
図 3.7に示した分散スペクトルから、 0.53keV と 1.84keV にそれぞれ CCD の表面の電極の構
造や OBF に起因すると考えられる、 O と Si の K 吸収端がみられる。また 1.57keV に SES の Al
のフィルターと OBF に起因すると思われる Al の K 吸収端がみられる。
28
図 3.7: CCD position
トルの重ね合わせ
29
-4 から 14mm までの SegmentA のシングルイベントのエネルギースペク
N-K (0.392keV)
O-K (0.525keV)
O-K abs.edge(0.543 keV)
F-K (0.677keV)
Mg-K (1.254keV)
Al-K (1.487keV)
Al-Kabs.edge(1.567keV)
Si-K (1.740keV)
Si-K abs.edge(1.846keV)
第 4 章
可視光遮断フィルターの性能評価
X 線天文衛星搭載用 X 線 CCD は、 X 線以外の可視光や紫外線にも感度があるために、 X 線 CCD
の前面には X 線を透過させ、かつ可視光や紫外線は遮断する薄膜の可視光遮断フィルター (Optical Blocking Filter;OBF) が装備されている。また OBF は厚さが 0.2m 程度と、非常に薄い
膜であるため OBF は可視光を遮断し、かつ X 線を透過させる性能を要求されるだけではなく、
衛星打ち上げ時の振動や音響に対する耐久性も要求される。そのため OBF は、可視光を遮断す
る Al の層と強度を保つためのプラスチックの層の 2 種類の物質から構成される。
ASCA 衛星搭載 X 線 CCD(Solidstate Imaging Spectrometer;SIS) では Lexan （Polycarbonate）を Al で挟み込んだ構造の OBF を装備しており (Burke et al.1991)、アメリカの X 線天文
衛星 AXAF(Advanced X-ray Astronomy Facility) 搭載 X 線 CCD ACIS(AXAF CCD Imaging
Spectrometer) とヨーロッパの X 線天文衛星 JET-X(Joint European X-ray Telescope) 搭載 CCD
では、 Polyimide を Al で挟み込む構造をした OBF を (Townsley et al. 1998;Castelli et al. 1997)
装備する予定である。さらにヨーロッパの X 線天文衛星 XMM(X-ray Multi Mirror Telescope)
搭載 X 線 CCD、 EPIC(European Photon Imaging Camera) には、 3 種類の OBF(2 種類は厚み
が異なる Polyimide を Al で挟み込む構造をしており、もう 1 種類は Polypropylene を Al と Sn で
挟み込む構造をしている) を装備する予定である (Villa et al. 1998)。 XIS は、 Polyimide を Al
で挟み込む構造をした OBF を装備する予定である。
CCD の検出効率は、高エネルギー側では空乏層の厚みで決まるのに対して、低エネルギー側
では CCD の電極構造と OBF の X 線透過率で決まると言える。それゆえ OBF の X 線透過率を
高い精度で求めることは非常に重要である。我々の較正システムでは、特性 X 線だけでなく、連
続 X 線も XIS の較正実験に使っているので、連続的なエネルギーで X 線透過率を求めることが
出来る。
Castelli et al.(1997) は、 Lexan の OBF の厚みの設計値から見積もった可視光の透過率に対
して、実際測定した可視光の透過率の値が 2 桁以上が高くなることを報告している。それゆえ、
OBF の可視光の透過率を実測することは非常に重要である。
この章では、 XIS の X 線並びに可視光透過率の測定結果、ならびに振動試験の結果について
X 線天文衛星に装備された OBF のデザイン
Name
Al (
A) Lexan or Polyimide or Polypropelen (
A)
ASCA
Al/Lexan/Al
400640
10256100
AXAF
Al/Polyimide/Al 355636
10656100
Al/Polypropelen/Sn 355636
10656100
JET-X Al/Polyimide/Al 385638
9056100
XMM
Al/Polyimide/Al 355636
10656100
30
Al (
A)
438643
423642
423642
430643
423642
述べる。
4.1
測定する OBF のサンプル
表 4.1に性能評価した OBF についてまとめる。
測定した OBF
(構造)
厚み
R/N 6712-1
(Al/Lexan/Al)
R/N 7242-1
(Al/Polyimide/Al)
R/N 7016-4
(Al/Polyimide/Al)
R/N 7436-3
(Al/Polyimide/Al)
R/N 7436-4
(Al/Polyimide/Al)
R/N 7413-3
(Al/Polyimide/Al)
R/N 7436-2
(Al/Polyimide/Al)
R/N 7446-2
(Al/Polyimide/Al)
R/N 7446-3
(Al/Polyimide/Al)
(設計値； LUXEL Co の報告による値)
400640 10256100 438640
X 線透過率可視光透過率振動試験
音響試験
355636 10656100 423642
4
445644 10006100 435644
4
200625 9656100 1063650
4
203625 10506100 1000650
4
206625 10606100 1000650
2
4
203625 9206100 1063650
2
4
203625 10206100 1000650
2
4
200625 9656100 1063650
2
4
表
4.1: 性能評価した OBF のサンプル
材質 (Lexan ベース (Type1 OBF) か Polyimide ベース (Type2 OBF、 Type3 OBF)) による違
いと、また厚みの設計値の違い
(Al/Polyimide/Al= 400
A/ 1000
A/ 400
A か Al/Polyimide/Al= 200
A/ 1200
A/ 1000
A) で
3 つのタイプに分類する。以後便宜上、次のように呼ぶことにする。
Type1 OBF =
Al/Lexan/Al
=
Type2 OBF = Al/Polyimide/Al =
Type3 OBF = Al/Polyimide/Al =
4
400A/1000A/400A の OBF
400A/1000A/400A の OBF
200A/1200A/1000A の OBF
また、表 4.1 中の記号では振動試験は行なったが、音響試験は行なっていないことを、
は X 線透過率がまだ測定されていないことを意味する。
31
2
4.2
可視光遮断フィルターの X 線透過率測定
この節では、可視光遮断フィルターの X 線透過率測定についてまとめる。 OBF の X 線透過
率の測定の目的は、 XIS の検出効率のモデル (後述する) を確立するため、つまり応答関数を構築
するために必要なパラメータの一つである OBF の厚みを X 線透過率の測定結果から求めること
である。 OBF の X 線透過率測定の実験は、大阪大学のクリーンルーム内に設置されたスペクト
ロメーターを用いて行なった。測定した時期によって測定に使用した XIS のセンサー (XIS-EM
は XIS の Engineering Model の略で XIS-S3 は XIS の Flight Model のことである) は異なる。表
4.2に測定に使用したセンサーと測定した OBF についてまとめる。実験の概略図を図 4.1に示す。
センサー名
測定時期
XIS{EM
XIS{EM
XIS{EM
XIS{S3
XIS{S3
1997 May.
1998 Feb.
1998 May.
1998 Oct.
1998 Oct.
表
4.2.1
測定した OBF
R/N 6712-1
R/N 7016-4
R/N 7242-1
R/N 7436-3
R/N 7436-4
Type
Type1 OBF
Type2 OBF
Type2 OBF
Type3 OBF
Type3 OBF
4.2: X 線透過率を測定した OBF と測定にしようした XIS
測定方法
モーター
Cold Plate
スリット
分光X線
XIS
111
000
111
000
111
000
液体窒素デュワー
OBF
ネットワイヤー
ターボポンプ
図
4.1: OBF の X 線透過率測定装置
図 4.1に示したように、 CCD チェンバー内の可動テーブルに、測定する可視光遮断フィルター
と XIS を取り付けた。測定方法は、スペクトロメーターからの分光 X 線を、 OBF を通した場合
(透過 X 線) と、通さない場合 (入射 X 線) で測定した。 1 次光だけで 0.25{2.2keV の分光 X 線が
XIS に照射するように CCD Position を -4mm 、 14mm の 2 箇所でデータを取得した。
32
CCD Clocking mode
露光時間 /1Frame
真空度
CCD の温度
CCD Position
表
Normal Mode
8 sec
0
7
10 Torr 以下
090C
-4mm、 14mm
4.3: OBF の X 線透過率の測定条件
バックグランドデータは、ゲートバルブを閉じた状態で -4mm 、 14mm の 2 箇所とも取得
した。また XIS の Clocking mode は Normal Mode で、 1Frame あたり 8 秒露光した。各 CCD
Position でデータは 400Frames ずつ、バックグランドデータは 20Frames ずつ取得した。表 4.3に
実験条件をまとめる。
4.2.2
データ
OBF の X 線透過率は式 4.1に示したように、入射 X 線の強度と透過 X 線の強度の比から求め
ることが出来る。
T ransmissionOBF (E ) =
T ransmissionOBF (E )
CountswithOBF (E )
CountswithoutOBF (E )
TwithOBF
TwithoutOBF
4.2.3
:
:
:
:
:
CountswithOBF (E )=TwithOBF
CountswithoutOBF (E )=TwithoutOBF
(4:1)
OBF の X 線透過率
OBF を通して XIS で検出したイベント数
OBF を通さないで XIS で検出したイベント数
OBF を通して測定した時の露光時間
OBF を通さないで測定した時の露光時間
データ処理
入射 X 線の強度と透過 X 線の強度を求めるために、 phdist から 5 次光までの入射 X 線と透
過 X 線の分散スペクトルを求めた。
図 4.2と図 4.3に、測定した 1 次光の分散スペクトルを示す (Type2 OBF R/N7242-1 の例)。
但し、図 4.2と図 4.3の分散スペクトルは CCD Position -4mm と 14mm で Segment 毎に得られ
た分散スペクトルを重ね合わせたものである。
33
図 4.2: CCD Position -4mm、 1 次光の Grade0 の分散スペクトル (左が入射 X 線の、右が透過 X
線の分散スペクトル)
4.3: CCD Position 14mm、 1 次光の Grade0 の分散スペクトル (左が入射 X 線の、右が透過
X 線の分散スペクトル)
図
4.2.4
測定結果
1 次光 {5 次光までの分散スペクトルを使って求めた Type2 OBF R/N7242-1 の X 線透過率の
結果を図 4.6に示す。この際 W の M 輝線1 (M :1.776keV、 M :1.835keV) はパイルアップ2 のた
めにデータからは削除した。そのために 1.7{2.0keV 付近でデータが欠落している。
1 X 線発生装置のフィラメントは W からなり、長時間使用することによりこの W がターゲットに蒸着することで、
W
の輝線があらわれる。ただし、図 4:8、図 4:9 の場合、 Ag のターゲットを新たに交換して実験を行なったため、
まだ W の M 輝線によるパイルアップの影響がないために 1.7{2.0keV 付近のデータも使用した。
2 イベントに隣接するピクセルにも X 線光子が入射する程強度が強く、シングルピクセルイベントとして選ばれる
イベントがなくなっている。
34
図
4.2.5
4.4: OBF の X 線透過率 (R/N7242-1)
モデルフィッティング
X 線透過率測定に用いた OBF の構造は、 Polyimide または Lexan を Al で挟み込む構造になっ
ている。図 4.4で得られた OBF の X 線透過率のデータを、フィッティングする際には Polyimide
または Lexan による吸収と、 Al による吸収を考える。但し、 Al を 2 枚の層に分けるのではなく、
1 枚の層にまとめたモデルにし、式 4.2でフィッティングを行なった 3 。
TOBF (E ) = exp(0Polyimide(Lexan) (E ) 1 dP olyimide(Lexan) ) 2 exp(0Al (E ) 1 dAl )
TOBF (E )
P olyimide(Lexan)(E )
Al (E )
dPolyimide(Lexan)
dAl
E
:
:
:
:
:
:
(4:2)
エネルギー E の X 線に対する OBF の X 線透過率
エネルギー E の X 線に対する Polyimide(Lexan) の吸収係数
エネルギー E の X 線に対する Al の吸収係数
Polyimide(Lexan) の厚み
Al の厚さ
X 線のエネルギー
式 4.2を使ってフィッティングを行ない、求めたそれぞれの厚みを表 4.4にまとめる。また、
図 4.5{ 図 4.9に、フィッティングによって得られた X 線透過率のモデルのベストフィットの曲線
とデータを示す。
3 各層の吸収係数を求める際には、各層の密度を、 Al=2.70g=cm3 、 Polyimide=1.43g=cm3 とした
35
厚み (
A)
測定した OBF
(構造)
Type1 OBF R/N 6712-1
(Al/Lexan/Al)
Type2 OBF R/N 7242-1
(Al/Polyimide/Al)
Type2 OBF R/N 7016-4
(Al/Polyimide/Al)
Type3 OBF R/N 7436-3
(Al/Polyimide/Al)
Type3 OBF R/N 7436-4
(Al/Polyimide/Al)
表
(設計値； LUXEL Co. の報告値)
Al 400640
Lexan 10256100
Al 438640
Al 355636
Polyimide 10656100
Al 423642
Al 445644
Polyimide 10006100
Al 435644
Al 200625
Polyimide 9656100
Al 1063650
Al 203625
Polyimide 10506100
Al 1000650
厚み (
A)
フィッティングから求めた値
Al807630
Lexan1370644
1.68
Al 612635
Polyimide1240635
1.74
Al 656666
Polyimide 1500676
1.70
Al 870633
Polyimide 1629640
1.78
Al 850632
Polyimide 1435639
1.92
4.4: 式 4.2を使った X 線透過率のフィッティング結果
図
4.5: OBF の X 線透過率 (Type1 OBF R/N6712-1)
36
2
図
4.6: OBF の X 線透過率 (Type2 OBF R/N7242-1)
図
4.7: OBF の X 線透過率 (Type2 OBF R/N7016-4)
37
図
4.8: OBF の X 線透過率 (Type3 OBF R/N7436-3)
図
4.9: OBF の X 線透過率 (Type3 OBF R/N7436-4)
38
4.3
可視光遮断フィルターの可視光透過率測定
この節では、可視光遮断フィルターの可視光透過率測定についてまとめる。 OBF の可視光透
過率の測定の目的は、 OBF の可視光の透過率の目標値である 1004 以下の透過率の条件を満たし
ていることを実際に実験を行なって確かめることにある。
4.3.1
実験システム
この節では可視光透過率測定の際に使用した実験システム、データ取得方法について述べる。
測定装置の概念図を図 4.10、図 4.11に示す。
CCDカメラヘッド
OBFスライドBOX
バッフル
PC98
(データセーブ用)
分光器
カメラコントロールユニット
/ リードアウトシステム
CCD冷却水用ポンプ
可視光源
真空ポンプ
2
子は有効画素数 1000(H) 1018(V) ピクセル、ピクセルサイズは 12m 四角でいわゆる 1/2
インチサイズである。この CCD 素子をフルフレームトランスファーで使用した。カメラヘッ
ド内部は真空引きし、冷却はペルチェ素子を使用している。ペルチェ素子は電流を流すこ
とで片面が冷却され他面が加熱される。この装置では冷却側に CCD を、加熱側を循環水を
使って冷却する。図 4.12に示したように、受光部の半分に Al が蒸着した素子である (図中
では下半分)。
OBF and OBF BOX
Out
Slide
11
00
00
11
00
11
00
11
Entrance Slit
SIide In
11
00
00
11
00
11
00
11
00
11
SIide Out
In 11
00
00
11
11
00
00
11
00
11
00
11
00
11
00
11
Optical light
CCD Camera
Grating
OBF
図
Halogen Lamp
4.11: OBF の可視光透過率測定装置
測定方法
可視光の透過率を求めるためには、入射光に対する透過光の強度比を求めなければならない。
そこで図 4.11にあるように、回折格子で分光した可視光を CCD に照射させる際に、 OBF スラ
イド装置を使って、 OBF を光路に挿入し OBF を透過させた後 CCD に照射させた場合と、 OBF
を光路から外し直接 CCD に照射させた場合での CCD の信号をそれぞれ測定した。図 4.12に、
波長 600nm、露光時間 400 秒の時に CCD で得られた透過光のイメージを示した。半円の形は光
路が円筒形をしているためで、半分に切れているのは、 Al を蒸着してあるためである。また図
4.12の半円の形をした部分だけを、 CCD の各ピクセルからの信号を求める領域として使用した
(以後半円の形の内部のピクセルの信号値の総和のことを単に信号の総和と呼ぶ)。
測定した可視光の波長域は 400{950nm である (以後直接 CCD に照射させた光のことを入射
光、 OBF を透過させた後 CCD に照射させた光のことを透過光と呼ぶ)。
CCD の Flat Feild は、実験の開始と終了の 2 度、各露光時間分だけ測定し、その 2 回の平均
値をバックグランドデータとした。
実験は、 CCD を - 50 C に冷却し、カメラのヘッド内部は真空度が 1003 Torr に真空引きし、
スリット幅は 0.5mm、管電圧は 13V で一定にして行った。
40
1000 Pixel
受光領域
508 Pixel
Al 蒸着領域
510 Pixel
図
4.12: 波長 600nm、 400sec 露光の際の CCD から得られた透過光のイメージ
OBF の可視光透過率測定のデータ (Type1 OBF R/N 6712-1)
以下では、 Type1 OBF R/N 6712-1 の測定結果を例に説明する。入射光と透過光の強度を測
定するには、スリット幅、管電圧、露光時間を同じ条件で測定すれば、可視光の透過率は式 4.3を
使って求めることが出来る。
"
透過光の強度
TOBF ()＝
入射光の強度
TOBF ()
CountswithOBF
CountswithoutOBF
ExposurewithOBF
ExposurewithoutOBF
:
:
:
:
:
:
#
"
CountswithOBF =ExposurewithOBF
=
CountswithoutOBF =ExposurewithoutOBF
#
(4:3)
波長 () の可視光に対する OBF の可視光透過率
透過光の信号の総和
入射光の信号の総和
透過光測定の際の CCD の露出時間
入射光測定の際の CCD の露出時間
CCD に入射する可視光の波長
実際はスリット幅、管電圧、露光時間を同じ条件で入射光と透過光を測定すると、入射光の強
度は強すぎて CCD が飽和してしまい測定は不可能である。そのため、入射光と透過光の強度の
測定は、フィラメントの管電圧、スリット幅は同じにし、露光時間は変えながら、透過光と入射
光の CCD の強度を測定した。図 4.13と図 4.14に波長 400nm{900nm で露光時間を変えながら測
定した入射光と透過光の信号の総和の結果を示した。
41
400nm
108
入射光
107
透過光
106
Sum of the Signals
105
500nm
8
10
入射光
107
透過光
106
105
108
600nm
入射光
107
透過光
106
105 0.01
0.1
1
10
100
1000
Exposure Time [sec]
図
4.13: 露光時間を変えて入射光並びに透過光の強度を測定した結果 (Type1 OBF R/N 6712-1)
42
入射光
700nm
8
10
107
透過光
106
Sum of the Signals
105
入射光
750nm
8
10
107
透過光
106
105
入射光
108
107
900nm
透過光
106
105 0.01
0.1
1
10
100
1000
Exposure Time [sec]
図
4.14: 露光時間を変えて入射光並びに透過光の強度を測定した結果 (Type1 OBF R/N 6712-1)
43
データ処理
可視光透過率は、式 4.3のように単位時間あたりの入射光の信号和に対する、単位時間あたり
の透過光の信号和である。
そこで、図 4.13と図 4.14に示した、入射光に対する CCD の信号の総和と、透過光に対する CCD
の信号の総和のグラフをそれぞれ直線でフィッティングした。その結果求められる直線の傾きを
それぞれ N1、 N2 とすると、 N1 と N2 はそれぞれ単位時間あたりの入射光の信号和と単位時間
あたりの透過光の信号和に相当する。つまり N1、 N2 を使って可視光透過率は式 4.4と表せる。
TOP TOBF ()＝
TOP TOBF () :
N1
:
N2
:
4.3.2
N2
N1
(4:4)
波長 () の可視光に対する OBF の可視光透過率
入射光の直線の傾き
透過光光の直線の傾き
OBF の可視光透過率の測定結果
表 4.5に前節で述べたデータ処理方法に従って図 4.13、図 4.14に示したデータから求めた各波
長での Type1 OBF R/N6712-1 の可視光透過率をまとめる。また横軸を波長、縦軸を透過率にし
て、表 4.5のデータをプロットした結果を図 4.15に示す。
波長 (nm)
400
500
600
700
750
900
表
透過率
4.9921005
4.6721005
3.9221006
1.9121006
1.9421006
1.8421005
誤差
5.1521007
6.6221007
6.0421008
5.3721008
5.7321007
1.9121007
4.5: Type1 OBF R/N6712-1 の可視光透過率
他 8 枚の OBF の可視光透過率の測定結果を図 4.16{ 図 4.17に示す。
44
Transmission
Wavelength(nm)
図
4.15: Type1 OBF RN6712-1 の可視光透過率
Transmission
R/N7242-1 (measured in April.1998)
R/N7016-4 (measured in May.1998)
Wavelength(nm)
図 4.16: Type2 OBF RN7242-1 並びに RN7016-1 の可視光透過率。図中の実線は Type2
厚みを Al/Polyimide/Al = 220
A/1000
A/220
A としたシミュレーションの結果である。
45
OBF の
Transmission
Wavelength(nm)
図 4.17:
過率
4.4
Type3 OBF RN-7436-4、 RN7413-3、 RN7436-2、 RN7436-3、 RN7436-4 の可視光透
振動試験の結果
先に述べたように、 OBF は厚さが 0.2m 程度と、非常に薄い膜である。そのため衛星打ち
上げ時の振動に対する耐久性が要求される。この節では、 OBF の振動試験並びに音響試験の結
果についてまとめる。
4.4.1
振動試験
3 種類の OBF(Type1 OBF、 Type2 OBF、 Type3 OBF) 全て、宇宙科学研究所で振動試験
を行った。振動試験では XIS カメラ内部の真空度 (真空度 0.11{ 96.19 kpa) をモニターしながら
ASTRO-E 衛星のサブシステム振動レベルに従って加振した。結果は、真空は保たれ、かつ OBF
が破れないことを確認した。結論として 1 気圧下でも OBF が破れないことが分かった。
4.4.2
音響試験
音響試験は 1997 年、 7 月 3 日に宇宙開発事業団で行なわれた。試験を行なったのは 3 種類の
OBF の内、 Type1 OBF だけである。実験条件は、 XIS のプロトモデルのボンネットに Lexan
の OBF(Type1 OBF R/N6712-1) を取り付け、またプロトモデルをまねたテスト品のボンネット
には別の Lexan の OBF(Type1 OBF R/N6463-2) を取り付けて実験を行なった。。 XIS のカメ
ラ内部の圧力は 1 気圧、ボンネットに取り付けられた電磁バルブは開けた状態で試験を行った。
結果はプロトモデルのボンネットに取り付けた Lexan の OBF は破れなかったが、テスト品につ
けた Lexan の OBF(Type1 OBF R/N6463-2) は破れてしまった。
46
4.5
OBF の性能評価の考察
Type1 OBF、 Type3 OBF の OBF については、可視光透過率は測定の結果 1004 以下で、目
標値 (1004 ) を満たしていることがわかった。一方、 Type2 OBF(Al/Polyimide/Al =
400A/1000A/400A) の可視光透過率は、目標値より 2 桁以上高い値であった。この節では、
この原因について詳しく考察する。
4.5.1
Type2 OBF(R/N 7016-4、 R/N 7242-1) の可視光透過率測定の結
果
図 4.15と図 4.16の測定結果の比較から分るように、 Type1 OBF に比べ、 Type2 OBF の可視
光透過率の値が 2 桁以上高くなっている。
Castelli et al(1997) は、 Jet-X に装備されている OBF の可視光透過率の測定結果から、 OBFPolyimide の OBF の Al の厚みが設計値よりも薄く、可視光の透過率が高くなることを報告して
おり、その原因として Al の酸化を挙げている。
そこで、まず Type2 OBF の可視光透過率のデータを簡単なモデル (モデルについては、本論
文の付録 A 参照) でシュミレーションした。シュミレーションに使った OBF の厚みは
Al(220
A)/Polyimide(1000
A)/Al(220
A) である (図 4.16)。このシミュレーションの結果は、
Type2 OBF の Al の厚みが、 LUXEL Co. の設計値よりも薄い。
4.5.2
X 線透過率の Al2 O3 の層を加えたモデルフィッティング
この節では、 4.5.1節で指摘した Al の酸化の可能性を検証するために、式 4.1の Al と Polyimide
の 2 層に Al2 O3 の層を加えたモデルを用いてフィッティングを行なった結果についてまとめる。
式 4.5にモデルを示す4 。
TOBF = exp(0P olyimide(Lexan) (E )1dP olyimide(Lexan) )2exp(0Al (E )1dAl )2exp(0Al2 O3 (E )1dAl2 O3 )
(4:5)
TOBF (E )
Polyimide(Lexan) (E )
Al (E )
Al2 O3 (E )
dP olyimide(Lexan)
dAl
dAl2 O3
E
:
:
:
:
:
:
:
:
エネルギー E の X 線に対する
エネルギー E の X 線に対する
エネルギー E の X 線に対する
エネルギー E の X 線に対する
Polyimide(Lexan) の厚み
Al の厚さ
Al2 O3 の厚さ
入射 X 線のエネルギー
OBF の X 線透過率
Polyimide(Lexan) の吸収係数
Al の吸収係数
Al2 O3 の吸収係数
フィッティングの結果
フィッティングによって求められた、 OBF の Polyimide、 Al、 Al2 O3 の厚みを表 4.6にまと
める。また式 4.5 のモデルを使ったフィッティングによって得られた X 線透過率のモデルのベス
トフィットの曲線とデータを示す。図 4.18{ 図 4.22に示す。
4 各層の吸収係数を求める際には、各層の密度を、 Al=2.70g=cm3 、 Polyimide=1.43g=cm3 、 Al
とした。
47
3
2 O3 =3.97g=cm
OBF の名前
R/N6712-1
(Type1 OBF)
R/N7242-1
(Type2 OBF)
R/N7016-4
(Type2 OBF)
R/N7436-3
(Type3 OBF)
R/N7436-4
(Type3 OBF)
Luxel の設計値
(
A)
Al 400640
Lexan 10256100
Al 438643
Al 355636
Polyimide 10656100
Al 423642
Al 445644
Polyimide 10006100
Al 435644
Al 1063650
Polyimide 9656100
Al 200625
Al 1000650
Polyimide 10506100
Al 203625
表
X-ray
(
A)
Al 807630
Lexan 1370644
Al 612635
Polyimide 1240635
Al 580630
Polyimide 1099650
Al 870633
Polyimide 1629640
Al 850632
Polyimide 1435639
X-ray(withAl2 O3 )
(
A)
Al 800631
Al2 O3 25620
Lexan1310670
Al 581630
Al2 O3 70620
Polyimide 1105652
Al 627671
Al2 O3 313634
Polyimide 8806110
Al 745660
Al2 O3 218623
Polyimide 1079660
Al 687638
Al2 O3 300630
Polyimide 1087674
2
1.68
1.62
1.52
1.65
1.78
4.6: Al2 O3 の層を加えたモデルフィッティングの結果
表 4.6にまとめたフィッティング結果から、特に可視光の透過率が高い Type2 OBF は、有意
に酸化よる Al2 O3 の層があると分かる。
Type3 OBF でもやはり、 Al2 O3 の層がある結果が得られた。しかし Type2 OBF よりも Al
の層が厚くなるよう設計したために (後述する) 、図 4.17に示したように可視光の透過率を低く
抑えることが出来るだけの Al の厚みがあることがわかる。
また、特に可視光の透過率が高い Type2 OBF(R/N 7016-4) の X 線透過率を式 4.1の Al と Polyimide の 2 層のモデルでフィッティングした結果、酸素の K 吸収端 (0.543keV) 以下のエネルギー
領域でモデルとデータのズレが大きいことがわかった (Type2 OBF R/N 7016-4: 図 4.7参照)。し
かし、 Al2 O3 の層を加えた、式 4.5のモデルでフィッティングした結果、酸素の K 吸収端下のエ
ネルギー領域のモデルとデータのズレは明らかに小さくなった。
48
図
4.18: Type1 OBF の X 線透過率 (R/N6712-1)
図
4.19: Type2 OBF の X 線透過率 (R/N7242-1)
49
図
4.20: Type2 OBF の X 線透過率 (R/N7016-4)
図
4.21: Type3 OBF の X 線透過率 (R/N7436-3)
50
図
4.5.3
4.22: Type3 OBF の X 線透過率 (R/N7436-4)
Type1 OBF の R/N6712-1 の可視光透過率の再測定
前節で、 OBF の Al の層が酸化することで期待していた Al の厚さが得られず、結果的に可視
光透過率が高い値になることが分かった。この節では Al の酸化が進行するかどうかを調べるた
めに Type1 OBF(R/N6712-1) の可視光透過率の再測定を行ない 1997 年 9 月の測定後の約 9ヵ月
後の、 1998 年 6 月に再測定を行なった。 1997 年 9 月の測定結果と 1998 年 6 月の測定結果を図
4.23に示した。
図 4.23の結果から、約 9ヵ月の間に可視光の透過率が 10%
25% 高くなったことがわかる。
2
しかし、 Type2 OBF のように 10 も透過率が高くなったわけではない。この結果から Al の酸化
は経年変化によるものであるというよりも、むしろ OBF の製作時あるいは製作直後に酸化され
た可能性が大きいことが言える。
51
R/N6712-1 (measured in June. 1998)
Transmission
R/N6712-1 (measured in Sep. 1997)
Wavelength(nm)
4.23: Type1 OBF(R/N6712-1) の再測定図中の実線は Type1 OBF の厚みを Al/Lexan/Al =
/1000A
/400
400A
A としたシミュレーションの結果である
図
4.6
4.6.1
OBF のフライトモデルの決定
OBF のプラスチックの決定
Castelli et al(1997) は、可視光の波長領域では Lexan の OBF と Polyimide の OBF の透過率
に違いは見られないが、 200nm{300nm の紫外線の波長域での透過率を比べると、 Polyimide の
OBF に比べて Lexan の OBF の透過率が 103 以上高い値であると報告している。図 4.24に Castelli
et al(1997) から抜粋した図を示す。点線が Lexan の OBF の透過率のシミュレーションで、実線
が Polyiomide の OBF の透過率のシミュレーションを表す。 4 は Lexan の OBF の透過率、 + は
Polyimide の OBF の透過率の Castelli(1997) の実測値を表している。
Castelli et al(1997) は、図 4.24に示した事実以外に、 Lexan に比べ Polyimide の OBF が優
れている点を 2 点挙げている。一つは、 Lexan に比べ Polyimide の OBF の方が Pin Hole の密度
が低いということと、もう一つは、振動に対する強度の面で、 Lexan の OBF よりも Polyimide
の OBF の方が優れているということである。
さらに我々が 1997 年に宇宙開発事業団で行った OBF の音響試験の結果を Lexan の OBF が
破れた事実を考慮し、最終的に Al が挟み込むプラスチックの候補を Polyimide に決定した。
4.6.2
フライトモデルの OBF の厚みの決定
OBF のプラスチックの候補として Polyimide に決定したが、表 4.6で調べた範囲では、 Lexan
に比べ Polyimide の OBF で Al が酸化されやすいことがわかる。
そこで、あらかじめ Al の層の設計値を厚くするという方針をとることにした。図 4.25(LUXEL
Co. の P. Hollis 氏提供して頂いた) は Polyimide の OBF のデータで、横軸が Luxel Co. の Al の
設計値で、縦軸がその透過率である。実線は、 Polyimide に 1 層の Al をコーティングした OBF
のデータを近似した直線で、点線は Polyimide を両面から Al でコーティングした OBF のデータ
52
Transmission
1.0000
0.1000
0.0010
0.0010
0.0001
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Wavelength(A)
図
4.24: Lexan の OBF と Polyimide OBF の比較
を近似した直線を示す。
フライトモデルの OBF のデザインは、ピンホールを減らす目的で Polyimide を両面から Al
でコーティングした OBF を用いる。また、可視光の透過率が 1004 以下である OBF の搭載を目
標にしており、図 4.25では点線で近似される直線を参考にすると、フライトモデルの OBF の Al
の厚みは 1000
A 以上の厚みが要求される5 。さらに付録 A でのシミュレーションの結果、 OBF
のフライトモデルの厚みは、
Al/Polyimide/Al = 1000
A/1000
A/200
A
に決定した。
図 4.25中の□は、 Type2 OBF のデータ点で、は Type3
に Type3 OBF をフライトモデルの OBF として採用した。
4
5 Polyimide の厚みの考察は、本論文の付録 A を参照
53
OBF のデータ点である。最終的
Visible light Transmission
Alminium on Polyimide Films
1e+1
Type2_OBF(EM)
Type3_OBF(FM)
1e+0
1e-1
Transmission
1e-2
1e-3
目標値
1e-4
1e-5
1e-6
1e-7
2-layer coating
2-layer coating Regr
1-layer coating
1-layer coating Regr
1e-8
1e-9
1e-10
400
600
800
1000 1200 1400 1600
Thickness (A)
図
4.25: Type 2 と Type 3 の OBF の可視光透過率の測定結果
54
第 5 章
検出効率測定
この章では大阪大学で測定した XIS の 0.2{2.2keV の低エネルギー側での較正実験の内、 XIS の
検出効率の測定方法とその結果についてまとめる。
CCD の検出効率を測定するためには、 CCD に入射する X 線の絶対強度を知る必要がある。
我々は既に検出効率が求められている比例計数管を用いることによって、入射 X 線の絶対強度を
求めた。
比例計数管を用いることによって、 CCD の検出効率は式 5.1のように求めることが出来る。
QECCD (E ) = QEP C (E ) 2
QECCD (E )
QEP C (E )
CountsCCD (E )
CountsP C (E )
TCCD
TPC
E
:
:
:
:
:
:
:
CountsCCD (E )=TCCD
CountsP C (E )=TP C
(5:1)
CCD の検出効率
比例計数管の検出効率
CCD で検出したイベント数
比例計数管で検出したイベント数
CCD の露光時間
比例計数管の露光時間
入射 X 線のエネルギー
以下ではまず、 XIS の検出効率測定に使用した比例計数管の検出効率の測定と結果、さらにその
比例計数管を用いた XIS の検出効率の測定と結果についてまとめる。
5.1
比例計数管の検出効率
CCD の検出効率測定で使用した比例計数管はガスフロー型比例計数管 (Gas Flowing Propotional Counter) を使用した。比例計数管の検出効率 ( QEP C (E )) は、式 5.2に示したように、比
例計数管の窓の X 線透過率と、使用されている PR ガスの吸収率で決まる。窓の構造は、ポリプ
ロピレンにカーボンタグを塗ったもの ((CH2 )n + C ) の表面に強度補強のためのステンレス製の
メッシュが貼ってある構造になっている。また充填したガスは、 PR ガス (Ar 90% + CH4 10%)
を用いた。
55
QEP C (E ) = (1 0 ) exp[0win (E ) 1 dwin ](1 0 exp[0gas (E ) 1 dgas ])
: 比例計数管の窓のメッシュによる遮蔽率
win : 比例計数管の窓の吸収係数
gas : 比例計数管の PR ガスの吸収係数
dwin : ポリプロピレン膜の厚さ
dgas : PR ガスの厚さ
E
: 入射 X 線のエネルギー
(5:2)
比例計数管の検出効率を求めるには、ガスの厚さと比例計数管の窓の X 線透過率の値が必要であ
る。ガスの厚さは実測値 (40.9mm) を用いた。比例計数管の窓の X 線透過率は、実際に測定して
求めた。
5.1.1
比例計数管の窓の X 線透過率
この節では、次の 2 点について述べる。まず、比例計数管の窓の X 線透過率の測定とその結
果、次に窓の X 線透過率から求めた窓の厚みについてまとめる。
比例計数管の窓の X 線透過率測定
比例計数管の窓の X 線透過率の測定は、 OBF の X 線透過率の測定と同様に大阪大学のクリー
ンルーム内に設置されているスペクトロメータからの分光 X 線を使って行なった。 CCD チェン
バー内のモーターに比例計数管の窓を取り付け、 XIS-EM を用いてスペクトロメータからの分光
X 線を、窓を通した場合と通さない場合で測定した。窓の X 線透過率測定の概略図を図 5.1に示
した。
モーター
Cold Plate
スリット
分光X線
XIS
000
111
111
000
111
000
液体窒素デュワー
PC窓
ネットワイヤー
ターボポンプ
図
5.1: 窓の X 線透過率測定実験
実際、窓の X 線透過率は、式 5.3に示したように窓を通した時を通さなかった時の XIS で検
出するイベント数の比で表すことが出来る。
56
Twindow (E ) =
Twindow (E )
Countswith (E )
Countswithout (E )
Twith
Twithout
E
:
:
:
:
:
:
Countswith (E )=Twith
Countswithout (E )=Twithout
(5:3)
比例計数管の窓の X 線透過率
比例計数管の窓を通して XIS で検出したイベント数
比例計数管の窓を通さないで XIS で検出したイベント数
比例計数管の窓を通して測定した時の露光時間
比例計数管の窓を通さないで測定した時の露光時間
入射 X 線のエネルギー
データ取得条件は、以下に示した。 1 次光だけで、 0.25{2.2keV のエネルギー範囲の X 線が
XIS に照射するように CCD の position を -4mm、 14mm の 2position でデータを取得した。取得
したデータは各 CCD position で、窓無し窓あり共に 400 枚ずつ、またバックグランドデータと
してそれぞれ 20 枚ずつ取得した。
CCD
表 4.1 比例計数管の窓の透過率測定条件
EM2
温度
-90 C
CCD Position(mm) -4 と 14
CCD clock
Normal Mode(8sec/1frame)
X 線発生装置の電圧
5kV
emission current 目標値
0.75mA
ターゲット
Ag
SES
入射スリット
5m
グレーティング
SA
窓の X 線透過率のデータ解析と結果
バックグランドデータは、 SES のゲートバルブを閉じて取得した 20 枚分のデータの平均の値
とした。そのバックグランドを X 線が当っているフレーム毎に差し引いた。
次に示した図 5.2と図 5.3は CCD positon 14mm、 SegmentC のシングルイベントのイベントの
バックグランドデータを差し引いた後の phdist である。図 5.2は、窓を通して取得したデータで、
図 5.3が窓を通さないで取得したデータである。それぞれ横軸は CCD 上での縦方向 (図 5.1では
上下方向) の位置を表し、入射 X 線の分散方向と同じ方向である。また縦軸は X 線イベントの波
高値を表し、黒点 1 つがイベントを表している。比例計数管の窓がない場合とある場合を比べて、
特に波高値が低いイベントに注目すると、窓がない時に比べ窓がある時のイベント数は、比例計
数管の窓による吸収の効果で少ないことが分かる。
57
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
550 600 650 700 750
550 600 650 700 750
X=Position(Pixels),Y=Pulse Height(ADU)
X=Position(Pixels),Y=Pulse Height(ADU)
図 5.2: 窓ありパルスハイトの分布図
図 5.3: 窓なしパルスハイトの分布図
データ解析と結果
図 5.2と図 5.3データをもとに、各 Segment(SegmentA、 SegmentB、 SegmentC、 SegmentD)
の 1 次光を切り出し (切り出し方については本論文第 2 章参照)、 1 次光の分散スペクトルを求め
る。 SegmentA、 SegmentB、 SegmentC、 SegmentD から求めた 1 次光の分散スペクトルを足し
合わせた結果を図 5.4に示す。縦軸は CCD の 1 ラインあたりのシングルイベントのイベントの数
で、横軸は分光 X 線の分散位置から求めたエネルギーで、 2 つ分散スペクトルのうち上が窓を通
さない時の、下が窓を通した時得られた分散スペクトルを表す。
図 5.4に示した比例計数管の窓ありと窓なしの分散スペクトルと、式 5.3を用いて求めた比例
計数管の窓の X 線透過率を図 5.5に示す。
58
比例計数管の窓あり
比例計数管の窓なし
図
5.4: 窓あり、なしの分散スペクトル
比例計数管の窓の厚みの評価
比例計数管の窓は、ポリプロピレンにカーボンタグを塗ったもの ((CH2 )n + C ) の表面に強度
補強のためのステンレス製のメッシュが貼ってある構造になっている。図 5.5に示した窓の X 線
透過率の測定結果から窓の厚みを求める際に、カーボンタグによる吸収をポリプロピレンによる
吸収に含め、実効的な窓の厚みとしてフィッティングパラメータの一つにした。またメッシュの
遮蔽率も、もう一つのフィッティングパラメータとして式 5.4のモデルを用いてフィッティングを
行なった。
T ransmissionwindow (E ) = (1 0 ) 2 exp(0poly (E ) 2 dpoly )
T ransmissionwindow (E )
poly (E )
dpoly
E
:
:
:
:
:
(5:4)
比例計数管の窓の X 線透過率
メッシュの遮蔽率
ポリプロピレンの吸収係数
ポリプロピレンの厚さ (カーボンタグも含む)
入射 X 線のエネルギー
図 5.6にデータ点と共に、フィッティングから求めたベストフィットの曲線を実線で示した。
またフィッティングから得られたパラメータは表 4.2 にまとめた。
59
図
5.5: 窓の X 線透過率
表 4.2 比例計数管の窓の厚みのベストフィットパラメータ
窓の厚み
(ポリプロピレン + カーボンタグ)
1.68160.027 m
5.2
メッシュの遮蔽率
0.20046 0.004
比例計数管の検出効率測定
窓の透過率を求められたので、ガスの厚さの実測値 (40.9
率を求めると、図 5.7の結果を得た。
60
mm) を使って比例計数管の検出効
図
5.6: 比例計数管の窓の X 線透過率のフィッティング結果
図
5.7: 比例計数管の検出効率
61
5.3
5.3.1
XIS の検出効率測定
測定方法
低エネルギー側での XIS の検出効率を求めるためにスペクトロメータで分光した X 線を使い
測定を行なった。スペクトロメータで分光された X 線を使うメリットは、特性 X 線だけでなく連
続 X 線を使う事によって、特性 X 線だけでは求めることが出来ないエネルギー範囲での XIS の
検出効率を求める事が可能になることである。
XIS の検出効率測定実験システムを図 5.8に示した。
PC
LN2=>
<=SES
SLIT
図
XIS Body
5.8: XIS 検出測定実験システム
図でも示してあるように、 CCD チェンバー内には 3 つのモーターで上下に移動できるエレベー
ターがある。等しいフラックスの X 線が比例計数管と XIS に照射するように、最も X 線発生装
置寄りのエレベーターにスリットを設置した。また比例計数管、 XIS は X 線発生装置からみてス
リットよりも後方になるよう残り 2 つのエレベーターにそれぞれ設置した。
CCD チェンバー内に設置したスリットを上下に、即ち分光された X 線の分散方向に移動させ
ることによって、比例計数管と XIS に照射する X 線のエネルギーは決定される。 XIS の 4 つの
セグメントに同時に等しいエネルギーの X 線を照射することは出来ないので、スリットを動かさ
ず XIS を上下に移動させることによって、どの Segment にも等しいエネルギーの X 線を照射し
検出効率を測定することが出来る。また各 Segment のデータを取得する前後で比例計数管のデー
タを取得したが、その間もスリットは動かさなかった。
この実験では、 CCD チェンバー内に設置したスリットを、 55.54mm、 55.36mm、 53.84mm、
47.8mm、 45.4mm (それぞれ 1 次光のエネルギーが 2.2keV、 2.0keV、 1.5keV、 0.67keV、 5.3keV
の X 線のみ比例計数管と XIS に照射する位置に相当する) の 5 通りの位置に移動させて比例計数
管と XIS それぞれで検出されるイベント数を求めた。表 5.3.1に取得した実験条件を示した。
62
CCD position は 0 mm の時に、スリットを通過した X 線を XIS で取得したイメージを以下
に示した。図 5.9がイメージで、図 5.10は X 線の分散方向に対するパルスハイト分布図である。
また、図 5.9、図 5.10は、 SegmentA にのみ分光 X 線が照射するようにして測定した時のデータ
で、 CCD チェンバー内に取り付けられたスリットを使って、 0.52 keV の X 線だけが照射する
ように制限して測定した結果である。左に示したイメージは全 grade のイベントのもので黒点が
イベントを表し、白色の部分には X 線は当っていない。右に示したイメージは grade 0、 2、 3、
4、 6 のイベントのパルスハイト分布を重ね合わせたものである。
SegmentA
SegmentB
SegmentC
SegmentD
Pulse Height Distribution
Pulse Height(ADU)
1000
900
100 pixels
800
700
600
1024
pixel s
500
400
300
200
100
0
1024 pixels
50
100
150
200
250
Position(Pixels)
Segment A Grade0 CCD position=0mm
図 5.9:XIS で取得したイメージ
図 5.10: 取得したパルスハイト分布図
(CCD position 0mm, Segment A のみに X 線を (CCD position 0mm, Segment A のみに X 線を
照射)
照射)
分散角の小さい、即ちエネルギーの高い 2.2keV 付近の X 線は約 65 ピクセル (1.6mm) 広がり、
分散角の小さい、即ちエネルギーの低い 0.5keV 付近の X 線は約 100 ピクセル (2.4mm) 広がる。
これは、低エネルギー側の方が回折格子の分散角が大きいためである。
実際この実験で求めた XIS の検出効率は、このようにスリットで決まるエネルギー範囲での
X 線強度で重みをつけた平均値であるが、この論文では入射 X 線の強度を一様と見なし、そのエ
ネルギー範囲での平均した値と考えた。
63
Generator
Slit
(m)
50um
50um
50um
50um
50um
50um
50um
50um
20um
20um
20um
20um
20um
20um
20um
20um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
5um
表 4.3.1
Sli
(m)
56.54
56.54
56.54
56.54
56.54
56.54
56.54
56.54
55.36
55.36
55.36
55.36
55.36
55.36
55.36
55.36
53.84
53.84
53.84
53.84
53.84
53.84
53.84
53.84
47.80
47.80
47.80
47.80
47.80
47.8
47.80
47.80
45.40
45.40
45.40
45.40
45.40
45.40
45.4
45.4
PC
(m)
28.54
78.00
28.54
78.00
28.54
78.00
28.54
78.00
27.36
78.00
27.36
78.00
27.36
78.00
27.36
78.00
25.84
78.00
25.84
78.00
25.84
78.00
25.84
78.00
19.50
78.00
19.50
78.00
19.50
78.00
19.50
78.00
17.10
78.00
17.10
78.00
17.10
78.00
17.10
78.00
XIS の検出効率測定の条件
Motor Position
CCD Segment CCD Mode
(m)
15.00
||15.00
A
Normal
21.00
||21.00
B
Normal
27.00
||27.00
C
Normal
33.00
||33.00
D
Normal
13.00
|
|13.00
A
Normal
19.00
|
|19.00
B
Normal
25.00
|
|25.00
C
Normal
31.00
|
|31.00
D
Normal
11.00
|
|11.00
A
Normal
17.00
|
|17.00
B
Normal
23.00
|
|23.00
C
Normal
29.00
|
|29.00
D
Normal
3.00
||3.00
A
Normal
9.00
||9.00
B
Normal
15.00
||15.00
C
Normal
21.00
||21.00
D
Normal
0.00
||0.00
A
Normal
6.00
||6.00
B
Normal
12.00
||12.00
C
Normal
18.00
||18.00
D
Normal
64
露出時間
(sec)
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
300
1600
得られる分光 X 線の
1 次光のエネルギー
1.9583 2.3805
1.9583 2.3805
1.9611 2.3727
1.9611 2.3727
1.9554 2.3750
1.9554 2.3750
1.9545 2.3710
1.9545 2.3710
1.5208 1.9236
1.5208 1.9236
1.5278 1.9225
1.5278 1.9225
1.5229 1.9232
1.5229 1.9232
1.5245 1.9232
1.5245 1.9232
1.1885 1.5257
1.1885 1.5257
1.1833 1.5239
1.1833 1.5239
1.1855 1.5259
1.1855 1.5259
1.1863 1.5235
1.1863 1.5235
0.5847 0.7206
0.5847 0.7206
0.5816 0.7228
0.5816 0.7228
0.5840 0.7205
0.5840 0.7205
0.5839 0.7215
0.5839 0.7215
0.4798 0.5628
0.4798 0.5628
0.4806 0.5618
0.4806 0.5618
0.4794 0.5607
0.4794 0.5607
0.4806 0.5625
0.4806 0.5625
5.3.2
データ
5 通りのスリットの位置で取得した比例計数管と XIS の波高分布を図 5.11から図 5.20に示し
た。
比例計数管
比例計数管のパルスハイト分布 (以下エネルギースペクトル) は次のようにして求めた。、露
光時間を 300 秒にしてデータを取得し、 1 通りのスリットの位置に対して 4 回データ取得を繰り
返した。以下に示した比例計数管のエネルギースペクトルは、 4 回取得したデータを重ね合わせ
たものである。
XIS
XIS のエネルギースペクトルは次のようにして求めた。 5 通りのスリットの位置で各 Segment
毎に 200Frames(1600 秒) ずつ XIS に X 線を照射させたデータを取得し、またそれぞれ 40Frames(320
秒) ずつ取得したバックグランドデータを差し引いた後、イベントセレクションを行なった。そ
の際イベントスレッショルドは 50ch(約 170eV)、スプリットスレッショルドは 20ch(70eV) で、
Grade0、 Grade2、 Grade3、 Grade4、 Grade6 であるイベントを抽出し、それぞれのイベント
を重ね合わせた。
65
slit position 56.54mm
図 5.11:
当)
図
slit position 56.54mm の比例計数管のエネルギースペクトル (1 次光が 2.16keV に相
5.12: slit position 56.54mm の XIS のエネルギースペクトル (1 次光が 2.16keV に相当)
(時計回りで左上から順に SegmentA、 SegmentB、 SegmentD、 SegmentC)
66
slit position 55.36mm
図 5.13:
当)
図
slit position 55.36mm の比例計数管のエネルギースペクトル (1 次光が 1.72keV に相
5.14: slit position 55.36mm の XIS のエネルギースペクトル (1 次光が 1.72keV に相当)
(時計回りで左上から順に SegmentA、 SegmentB、 SegmentD、 SegmentC)
67
slit position 53.84mm
図 5.15:
当)
図
slit position 53.84mm の比例計数管のエネルギースペクトル (1 次光が 1.29keV に相
5.16: slit position 53.84mm の XIS のエネルギースペクトル (1 次光が 1.29keV に相当)
(時計回りで左上から順に SegmentA、 SegmentB、 SegmentD、 SegmentC)
68
slit position 47.80mm
図 5.17:
当)
図
slit position 47.80mm の比例計数管のエネルギースペクトル (1 次光が 0.65keV に相
5.18: slit position 47.80mm の XIS のエネルギースペクトル (1 次光が 0.65keV に相当)
(時計回りで左上から順に SegmentA、 SegmentB、 SegmentD、 SegmentC)
69
slit position 45.40mm
図 5.19:
当)
図
slit position 45.40mm の比例計数管のエネルギースペクトル (1 次光が 0.52keV に相
5.20: slit position 45.40mm の XIS のエネルギースペクトル (1 次光が 0.52keV に相当)
(時計回りで左上から順に SegmentA、 SegmentB、 SegmentD、 SegmentC)
70
5.3.3
データ処理
比例計数管と XIS で検出した各次数の分光 X 線のイベント数を求めるために、エネルギース
ペクトルを Gaussian でフィッティングした。フィッティングによって、各次数の X 線によるエ
ネルギースペクトルのピークを合わせ、その面積からそれぞれのイベント数を求めた。
スリットの位置が 56.54mm の比例計数管と SegmentA のデータを例にして説明する。図 5.22に
XIS の分散スペクトルを示した。
図
5.21: スリットの位置が 56.54mm で取得した比例計数菅のエネルギースペクトル
まず、比例計数管と XIS に入射した分光 X 線のエネルギーは、 X 線の入射位置から求めた分
散スペクトルを Gaussian でフィッティングする。フィッティングから求まるセンターエネルギー
を、入射した分光 X 線のエネルギーとした。また入射した分光 X 線のエネルギー幅を、フィッティ
ングから求まる半値幅 FWHM をとした。
次に、比例計数管と XIS で検出した各次数の分光 X 線のイベント数の求め方について説明す
る。左下に比例計数管から得られたエネルギースペクトルを、右下に XIS で得られたエネルギー
スペクトルを示した。
図 5.22: 左上
ペクトル
: 比例係数菅で得られたエネルギースペクトル右上 : XIS で得られたエネルギース
71
XIS から得られたエネルギースペクトルの、 1 次光のピークを Gaussian でフィッティングし
た。その結果求まる Gaussian の面積を XIS の検出した 1 次光の X 線によるイベントの数とした。
また、比例計数管のエネルギースペクトルの 1 次光のピークに対しても、 Gaussian でフィッティ
ングした。
フィッティングを行う際、比例計数菅のエネルギー分解能は x し 1 次光のセンターチャネル
は free parameter にした。高次光のセンターチャネルは 1 次光の整数倍として x した。
他の Segment に対しても、同様にデータを処理した。但し、スリットの位置が 45.4mm、 47.8mm
の場合のみ、 2 次光のピークも Gaussian でフィッティングしの面積から 2 次光のエネルギーに
相当するイベント数も求めた。単位時間あたりに比例計数管と XIS で検出した X 線のイベント数
をプロットしたグラフを図 5.23に示した。 0.65keV、 1.30keV でのイベント数が少ない理由は、
2 次光のイベント数を使って求めたからで、それ以外のデータ点では 1 次光のデータから求めた。
図
5.3.4
5.23: 比例計数管と XIS で検出したイベント数の比較
測定結果
第 5.3.3節で求めた比例計数管と XIS で検出したイベント数と、式 5.1を用いて求めた XIS の
検出効率を以下に示した。
図
5.24: XIS の検出効率 Normal mode
72
5.3.5
検出効率のモデルフィッティング
前節 5.3.4では XIS の検出効率を求めた。この節では、前節で求めた XIS の検出効率の測定結
果から、 XIS の CCD 素子の電極の厚み、不感層の厚みを求める。
電荷転送方向に沿った CCD 素子 (CCID17) の断面の概略図とその SEM 写真を図 5.25に示す1
。また CCD 素子 (CCID17) を上から見た図を図 5.26に示す。
1pixel (24 µ m)
W6
SiO2
W2
W4
W5
W3
W1
拡大
(SEM写真)
Poly Si
Si3 N4
SiO2
1µ m
Si
(空乏層 ;Depletion Region)
Phase 1
Phase 2
Phase 3
1pixel
電極の重なり
電極の重なり
24μm
電極の重なり
24μm
チャネルストップ
図
5.26: CCID17 素子を上から見た図
図 5.27に Structure Model と Slab Model の概念図を示す。 XIS は、 Chandra 搭載 X 線用
CCD(AXIS) と同じ MIT リンカーン研究所製の CCD 素子 CCDID17 なので、この節での XIS の
検出効率のモデルフィッティングの際には Pivovaro (1998) に報告されている CCDID17 の電極
の幅とその厚みの値を参考にした。 Pivovaro (1998) で報告されている電極の幅とその厚みの値
を表 5.1と表 5.2まとめる。
SiO 2
Poly Si
Si 3 N4
SiO 2
Depletion Region
Depletion Region
Structure Model
Slab Model
図
5.27: Structure Model と Slab Model の概念図
74
1pixel
1
7
2
8
3
9
4
10
5
11
6
12
19.8μm
図
w1
w2
w3
w4
w5
w6
24μm
4.2μm
5.28: 厚さによる 1 画素内の区分
Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 1 Phase2 Phase 3 チャネルストップ
P olySi
厚み
0.33
表
P olySi
0.33
P olySi
0.30
SiO2
0.32
SiO2
0.24
SiO2
0.15
SiO2
0.71
5.1: Pivovaro (1998) で報告されている電極の厚み (m) の値
phase1 phase1 phase3 W2 W4 W6 channel stop
8.8
7.6
7.6
1.6 2.0 1.5
4.2
表
5.3.6
5.2: Pivovaro (1998) で報告されている電極の幅 (m) の値
Structure Model によるフィッティング
Structure Model の説明
まず画素内で、チャネルストップや電極の重なりによる構造の違いによって、 1 画素を図 5.28に
示したように 12 個の領域に分ける。
以下、 12 個の領域の区分の仕方と、その表面積と厚みについてまとめる。
まず、図 5.25中に示したように、それぞれの幅を Wp1 、 Wp2 、 Wp3 とする。 1 画素内には、
それら 3 種類の電極が重なり合う部分と重ならない部分があり、電極が重なっている部分の幅を
W2、 W4、 W6 とし、それらの値は Pivovaro (1998) で報告されている値を用いる。電極が重
ならない部分の幅を W1、 W3、 W5 とする。 W1、 W2、 W3 は、電極が重なる部分を図 5.29の
ように簡略化することによって、以下の式から決定した。
75
1pixel (24 µ m)
W6
W2
W4
W5
W3
W1
W1 = Wp3
W3 = Wp 2 - W2
W5 = Wp1 - W4 - W 6
Phase 1
Phase 2
Phase 3
Wp1
Wp2
Wp3
図
5.29: 電極の幅を決める際に簡略化した CCD の電荷転送方向に沿った断面図
76
以上、電荷転送方向に沿った CCD 素子の断面図から 1 画素は W1{W6 の 6 つの幅の領域に分
けることが出来る。
図 5.29中の W1{W6 の値、チャネルストップの幅 (Pivovaro (1998) の報告値)、を表 5.3にま
とめる。
W1 W2 W3 W4 W5 W6 channel stop
7.6 1.6 6.0 2.0 5.3 1.5
4.2
表
5.3: フィッティングに使った電極の幅 (m) の値
次に、図 5.30に CCD 素子の電荷転送方向に対して垂直な方向の断面を示す。図 5.304 から、
電荷転送方向に対して垂直な方向の 1 画素内の構造はチャネルストップのある領域と、チャネル
ストップのない領域に分けることが出来る。
1 Pixel (24μm)
SiO2
Poly silicon
Si3N4
SiO2
00
11
000
111
00
11
11
00
00
11
000000000
00111111111
11
00
11
000000000
111111111
1111
0000
Dst
Wst (42μm)
拡大
(SEM写真)
1 µm
11
00
00
11
1111
0000
SiO 2
Poly silicon
Si3 N4
SiO2
Si p+
22 =
それら 6 通りの電極が、チャネルストップと重なっているかいないかで区別出来るので、 6
12 通りの領域に分けることが出来る。表 5.4にそれぞれの表面積をまとめる。
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10 S11 S12
150.48 31.68 118.8 39.60 104.94 29.70 31.92 6.72 25.20 8.40 22.26 6.30
表
5.4: 12 個の領域の面積 (m2 ) : 1 ピクセルの面積 Sall =576.00 (m2 )
次に、 1 画素の 12 通りの領域のそれぞれの厚みについてまとめる。まず、電極による吸収を
考える際には、電荷転送方向に沿った断面図からは P olySi の層、 2 層ある SiO2 の層、 Si3 N4 の
層が示してあるが、 SiO2 の層は、実効的な厚みとして 1 層にまとめ、 Si3 N4 の層での吸収は考
慮しないことにする。 P hase1、 P hase2、 P hase3 の P olySi の厚みを d1、 d2、 d3、 SiO2 厚み
を a1、 a2、 a3 とおく。すると、チャネルストップのない領域の、厚みを図 5.31のように決めた。
また、チャネルストップのある領域は、ない領域に比べて、 SiO2 の層が 1 層多いだけとみなし
た。 Si3 N4 の層は、 Pivovaro (1998) の実験でその実効的な厚みが測定されなかったことから、
考慮しないことにする。また、 Si P+ の層による吸収はないと仮定し、その厚みは考慮しないこ
とにする。
1pixel (24 µ m)
S6 S5 S4
S3
S2
Phase1
Phase2
Phase3
PolySi
d1
d2
d3
SiO2
a1
a2
a3
S1
Phase1
S4 の厚み D4 = (d1+d2)+(a1+a2)
S5 の厚み D5 = d1+a1
PolySi
S6 の厚み D6 = (d1+d3)+(a1+a3)
SiO2
Phase2
Phase 1
Phase 2
S2 の厚み D3 = d2+a2
Phase 3
S3 の厚み D2 = (d2+d3)+(a2+a3)
Phase3
S1の厚み D1 = d3+a3
以上のことから、 Structure Model で検出効率のデータをフィッティングする際のモデルは
式 (5.5) となる。ただし、 OBF の厚みは、 Al/Polyimide/Al2 O3 =560
A/1100
A/70
A に、空乏層
5
の厚みは、 70m にフィックスした。
Efficiency2 XIS
3
12 X
2
X
Si
Si
2
exp (0j 1 Dij ) +
2 exp (0j 1 Dij ) 2 exp (0St 1 DSt)5 2 A
= T 24
i=7 j =1 Sall
i=1 j =1 Sall
6 X
2
X
T = exp 0Polyimide(E ) 1 dPolyimide
A = 1 0 exp (0Si 1 DSi )
EfficiencyXIS
Sall
Si
T (E )
Polyimide (E )
Al (E )
Al2 O3 (E )
ij
St
Si
dP olyimide
dal
dAl2 O3
Dij
DSt
DSi
E
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
2 exp (0Al(E ) 1 dAl) 2 (Al O (E ) 1 dAl O )
2 3
(5.5)
2 3
XIS の検出効率
1 画素の面積
1 画素を 12 個に分けたそれぞれの面積
エネルギー E の X 線に対する OBF の X 線透過率
エネルギー E の X 線に対する Polyimide の吸収係数
エネルギー E の X 線に対する Al の吸収係数
エネルギー E の X 線に対する Al2 O3 の吸収係数
12 個に区分した領域のそれぞれ層の吸収係数
SiO2 (チャネルストップ) の吸収係数
Si(空乏層) の吸収係数
Polyimide の厚さ
Al の厚さ
Al2 O3 の厚さ
12 個に区分した領域のそれぞれ厚み
SiO2 (チャネルストップ) の厚さ
Si(空乏層) の厚さ
入射 X 線のエネルギー
5 各層の吸収係数を求める際には、各層の密度を、 Al=2.70g=cm3 、 Polyimide=1.43g=cm3 、 Al
PolySi=2.42g/cm3 、 SiO2=2.20g/cm3 、
Si=2.33g/cm3 とした
79
3
2 O3 =3.97g/cm 、
Strucure Model によるフィッティングの結果
Structure Model を用いて、前節で求めた Segment 毎の検出効率のデータのフィッティング
を行なった。図 5.32{ 図 5.35に各 Segment 毎の検出効率のデータに対するベストフィットの曲線
を実線で示す。またフィッティングから求められた各パラメータの値を表 5.5にまとめる。
さらに統計を上げるために Segment 毎ではなく、全ての Segment の検出効率のデータを使っ
たフィッティングも行い、その結果も表 5.5にまとめる。 Phase2 と Phase3 の P olySi、 SiO2 の
厚みは、 Pivovaro (1998) で報告されている値をもとに Phase1 の値の比とした。結局フィッティ
ングパラメータは、 Phase1 の P olySi の厚み (d1)、 Phase1 の SiO2 (a1)、チャネルストップの厚
み (Dst ) の 3 つである。
Phase 1
Seg
P olySi
A 0.5060.10
B 0.5460.10
C 0.4760.10
D 0.4960.10
ALL 0.4860.05
表
み
Phase 2
P olySi
0.5060.10
0.5460.10
0.4760.10
0.4960.10
0.4860.05
Phase 3
P olySi
0.4560.09
0.4960.09
0.4360.09
0.4560.09
0.4360.04
Phase 1
SiO2
0.3860.38
0.3160.17
0.3160.16
0.3660.17
0.3960.09
Phase2
SiO2
0.2860.28
0.2360.12
0.2360.12
0.2660.12
0.2960.07
Phase 3
SiO2
0.1760.17
0.1460.08
0.1460.07
0.1760.08
0.1860.04
Dst
2 /dof
2.8062.47 1.913/4
4.7964.31 1.762/4
4.8264.11 1.432/4
2.7962.39 1.569/4
2.0060.91 14.16/25
5.5: フィッティングから求めた電極 (Si、 SiO2 の各層)、チャネルストップ (Dst と表す) の厚
( m)
表 5.5に示した結果から、 Segment 毎に検出効率の値に有意か違いは見られないことが確認出
来た。これは、 CCD の製造方法を考えると自然な結果である。
図
5.32: Structure Model を使ったフィッティングの結果 (SegmentA)
80
図
5.33: Structure Model を使ったフィッティングの結果 (SegmentB)
図
5.34: Structure Model を使ったフィッティングの結果 (SegmentC)
81
図
図
5.35: Structure Model を使ったフィッティングの結果 (SegmentD)
5.36: Structure Model を使ったフィッティングの結果 (SegmentA+B+C+D)
82
第 6 章
まとめ
本論文では行った OBF の性能評価、 XIS の検出効率の測定についてまとめる。
6.1
OBF の性能評価
Lexan の OBF と Polyimide の OBF の 2 種類の OBF について、その可視光並びに X 線透
過率を測定した。特に X 線の透過率は大阪大学のクリーンルーム内に設置されている軟 X
線分光装置を使用することによって、低エネルギー側での X 線透過率を連続的に求めるこ
とで、 OBF の厚みを高い精度で求めることが出来た。
Lexan の OBF の可視光透過率は 521004 以下で X 線透過率も高い値であったが、 Polyimide
と比べ強度が劣ることから XIS の Flight Model の候補から外した。
Polyimide の OBF の可視光透過率が Al の酸化によって高い値になることを指摘し、 Flight
Model では設計値で Al/P lolyimide/Al = 200
A/1000
A/1000
A のものに変更した。
Flight Model の OBF の可視透過率を測定し、可視光の透過率が 2100
4
以下であり、期
待される性能を満たしていることを確認した。
6.2
Flight Model の OBF の X 線透過率から、応答関数を構築するためのパラメータの一つで
ある、 OBF の厚みを測定から求めた。
XIS の検出効率
大阪大学のクリーンルーム内に設置されている軟 X 線分光装置を使って、 0.52{2.2keV の
低エネルギー範囲の 7 点で XIS の検出効率を測定した。
OBF の吸収も含めた XIS の検出効率は、酸素の K 輝線 (0.52keV) 付近で 13%、シリコン
の K 輝線 (1.74keV) 付近で 78% 程度であることがわかった。
検出効率のデータを元に、フィッティングから XIS の CCD 素子の電極の Si、 SiO2 の層の
厚み、チャネルストップの SiO2 の層の厚みを求め、 Pivovaro (1998) で報告されている値
よりも、それぞれ 40% 程度厚いことがわかった。
83
参考文献
[1] 野本進、修士論文「軟 X 線領域における直接撮像型 CCD の検出効率とその応用」、大阪大
学、 1993.
[2] 和田幹生, 修士論文「CCD による偏光した X 線の検出」, 大阪大学, 1993.
[3] 大野喜明、修士論文「X 線検出用 CCD の研究・開発」、大阪大学、 1996.
[4] 鷲見裕一郎、修士論文「スペクトロメーターを用いた X 線用 CCD の検出効率の測定」、大
阪大学、 1996.
[5] 橋本谷磨志、修士論文「ASTRO‐ E 搭載用 X 線 CCD カメラ較正システムの構築」、大阪
大学、 1996.
[6] 今吉拓哉、修士論文「X 線 CCD の雑音低減と検出効率についての研究」、大阪大学、 1997.
[7] 戸練景、修士論文「X 線 CCD の低エネルギー側での特性の研究」、大阪大学、 1997.
[8] 藤原哉、修士論文「CCD の応答関数のシミュレーション」、大阪大学、 1997.
[9] 鈴木星児、修士論文「CCD 読み出し回路の最適化」、大阪大学、 1997.
[10] 吉田久美、修士論文「X 線用 CCD の 1 画素より小さいスケールでの検出効率」、大阪大学、
1998.
[11] 山下朗子、修士論文「「あすか」搭載 X 線 CCD カメラの軌道上での較正」、東京大学、 1995.
[12] 「科学衛星 ASTRO{D 中間報告書」, 宇宙科学研究所, SES データセンター, 1991.
[13] 「科学衛星 ASTRO{E 中間報告書」, 宇宙科学研究所, SES データセンター, 1998.
[14] Hettrick, M. et al., Appl, Opt22, 3921-3924, 1983.
[15] Hettrick, M. et al., Appl, Opt23, 3221-3225, 1984.
[16] Burke B.E., IEEE Trans, ED-38, 1069 ,1991
[17] Castelli C.M., Watson D.J., Wells A., Kent B.J., Barbera M., Collira A., and Bavdaz M.,
SPIE, 3114, 384-391 ,1997.
[18] Townsley L.K., Chartas G., Garmire G.P. and Broos P.S., ACIS Flight Filter Transmission
Models, (1998).
[19] Villa G.E., Barbera M., Collura A., La Palombara N. Musso C., Serio S., Stillwell R.,
Tognon P., Turner D.C., IEEE Trans N.S., 921-926. (1998).
[20] Hashimotodani, K. et al. ,Review of Scientic Instruments, 69, 392-395, 1997.
84
[21] G.Chartas 1998, private communication, (1998).
[22] Bautz M.W. and Nousec J.A. , \Science Istrument (SI) Calibration Report for the AXAF
CCD Imaging Spectrometer (ACIS)", 1998 .
[23] Knoll,G.F., 訳木村逸郎、阪井英次、「放射線ハンドブック第 2 版」、日刊工業新聞社、
1991
[24] H.A. Macleod (1986) \Thin-Film Optical Filters", (光学薄膜、訳：小倉繁太郎他、日刊工
業新聞社）
85
謝辞
本論文の実験から執筆に至るまで細部に渡り御指導頂きました北本俊二助教授には大変お世話に
なりました。研究の進め方から研究に対する姿勢に至るまで御指導頂き心より感謝申し上げます。
常深博教授には研究全般に渡り御指導頂きました。林田清助教授には様々な助言、御意見を頂
きました。宮田恵美助手にはデータ取得ソフトの改良をして頂きました。
科学技術振興事業団研究員の大谷正之氏には論文作成の際、様々な助言、御意見を頂きまし
た。また可視光遮断フィルターの実験システムの立ち上げ、改良の際にはいろいろ御指導頂きま
した。
橋本谷磨志氏には、実験の基礎から論文作成に至るまで御指導して頂きました。
吉田久美氏には、検出効率の結果について悩んでいる時に、メッシュ実験の経験から様々なこ
とを教えて頂きました。
同期の片山和典氏、橋本康明氏、平賀純子氏とは研究の面でも、また研究以外の面でも、様々
な事を議論でき大変有意義な 2 年間を過ごせたと思います。特に、片山和典氏にはプログラムの
作成の際に、基本的なことからその応用までいろいろ教えて頂きました。また橋本康明氏には、
学会直前にいろいろお手伝いして頂き、数々の修羅場を潜り抜けてこれたのもは、橋本氏のおか
げであると思います。修士 1 年の阿久津大介氏、緒方英樹氏には、論文中の絵の作成を手伝って
頂きました。片山晴善氏、荘保信氏は共に XIS の実験をする上でいろいろお手伝いしていただき
ました。ここにに深く感謝いたします。
86
付録 A
OBF の可視光透過率のシミュレーション
多層薄膜における電磁波の透過率を計算した。その結果から、 XIS の可視光遮断フィルターのデ
ザインを決定した。
A.1
薄膜における電磁波の反射と透過
薄膜の反射率と透過率について H.A. Macleod (1986) に従って考察する。まず図 A.1に示した
ような単一薄膜についてまとめる。波は入射媒質から薄膜に入り、薄膜から基板へと透過する。
それぞれの境界を境界 a、境界 b、とする。ここでの表記として、入射方向への波（正の方向に進
む）を＋の記号、反射方向（負の方向に進む）波を−の符合で表す。
入射平面波の波面
入射媒質
N0
境界
a
膜の
d
物理的厚さ
N1
薄膜
境界
薄膜界の法線
N
基板
b
境界 b においては、基板内では負の方向に進む波はない。膜内は正方向に進む波と、もう一
つ負の方向に進む波の和になる。これより、境界面では電場 E と磁場 H の接線方向の成分は
Eb = E1+b + E10b
Hb = 1 E1+b 0 1E10b
(A.1)
(A.2)
である。ここで、添字１は薄膜中を示し、添字１のない物は基板を示す。また、は H=E のこ
とで、光学アドミッタンスと呼ばれる。ここでは、共通の位相ファクターは省略した。これより
1
(H = + Eb )
2 b 1
1
E10b = (0Hb =1 + Eb )
2
H1+b = 1 E1+b
1
= (Hb + 1 Eb )
2
0
H1b = 01E10b
1
= (Hb 0 1 Eb )
2
E1+b =
境界 a では、位相が
(A.4)
(A.5)
(A.6)
exp(i ) の位相差があると考えると
= 2N1dcos1 =
となる。ただし
(A.3)
(A:7)
1 は薄膜内での入射角である。そうすると境界 a では
E1+a = E1+bei
1
(Hb=1 + Eb )ei
2
E10a = E10be0i
1
= (0Hb =1 + Eb )e0i
2
+
H1a = H1+b ei
= 1 E1+b
1
= (Hb + 1 Eb )ei
2
0
H1a = H10b e0i
= 1 E1+b
1
= (Hb + 1 Eb )e0i
2
=
これらより
Ea = E1+a + E10a
88
(A.8)
(A.9)
(A.10)
(A.11)
= Eb (
Ha
ei + e0i
2
) + Hb (
ei 0 e0i
)
21
isin
= Eb cos + Hb
1
+
0
= H1a + H1a
ei + e0i
ei 0 e0i
) + Hb (
)
= Eb 1 (
2
2
= Eb i1 sin + Hb cos
(A.12)
(A.13)
となる。結局薄膜前後の関係は
Ea
Ha
!
=
cos (isin )=1
i1 sin
cos
!
Eb
Hb
!
(A:14)
のように、行列式で表すことができる。この関係式は入射境界面で E と H の接線成分、最終境
界面での、透過してくる E と H の接線成分とを結びつける。また、右辺の 2 2 の行列は薄膜の
特性だけに依存するもので、薄膜の特性行列と呼ばれる。
2
A.2
薄膜系
前節の単一薄膜にもう一枚の膜を付け加えた場合を考えてみる。図 A.2に示すように境界をそ
れぞれ a,b,c とし、それぞれの薄膜に関係する量を 1 と 2 の添字をつけて表す。
入射媒質
N0
a
d1
N1
b
薄膜
d2
N2
c
基板
N3
図
A.2: 基板上の２層の薄膜
89
基板にもっとも近い膜の特性行列は
cos2 (isin2 )=2
i2sin2
cos2
!
(A:15)
である。 2 番目の薄膜に関しては
Eb
Hb
!
=
cos2 (isin2 )=2
i2sin2
cos2
!
Ec
Hc
!
(A:16)
となる、 1 番目の膜に関しても同様にして
Ea
Ha
!
=
cos1 (isin1 )=1
i1sin1
cos1
!
Eb
Hb
!
(A:17)
であるので、結局
Ea
Ha
!
=
cos1 (isin1 )=1
i1 sin1
cos1
!
cos2 (isin2 )=2
i2sin2
cos2
!
Ec
Hc
!
(A:18)
と書き表すことができる。この結果は一般に q 層からなる集合体の一般的な場合に拡張できる。
この時特性行列は単純に個々の行列を正確な順序で掛け合わせたものとなる。すなわち、
Ea
Ha
!
=
q
Y
r=1
cosr (isinr )=r
ir sinr
cosr
ここで、
!
Eq
Hq
!
(A:19)
2Nr dr cosr
r =
(A:20)
また、入射角に関しては、スネルの法則より
N0 sin0 = Nr sinr
(A:21)
である。一方に関しては、一般には偏光方向により異るが、垂直入射の場合は
q
r = Nr "0=0
(A:22)
ここで、 N は複素屈折率である。
A.3
薄膜系の反射率、透過率
式 A.19 での電場、磁場 Ea ; Ha は入射側の電場と磁場で、入射波と反射波の重ね合わせであ
る。一方 Eq ; Hq は出射側の電磁場だから、透過波である。今、電場方向が膜面と平行な場合、入
射、反射、透過の波の電場の振幅を A, T , R とすると、
A+R
N0cos0 (A 0 R)
!
=
q
Y
r=1
cosr (isinr )=r
ir sinr
cosr
!
T
Nq cosq T
!
(A:23)
である。特性行列の積の項を
m11 m12
m21 m22
90
!
(A:24)
と書くと、反射率 R と透過率 T は
R
=
2
+ m12Nq cosq )N0 cos0 0 (m11 + m12 Nq cosq ) 2
j
11 + m12 Nq cosq )N0 cos0 + (m11 + m12 Nq cosq )
Nq cosq T 2
=
j j
N0 cos0 A
Nq cosq (m11 + m12 Nq cosq )N0 cos0 0 (m11 + m12 Nq cosq ) 2
=
j
j
N0 cos0 (m11 + m12 Nq cosq )N0cos0 + (m11 + m12 Nq cosq )
=
T
j RA j
j ((m
m
11
(A.25)
(A.26)
磁場の方向が膜面に平行な場合も同様に表すことができる。これらの式より、各層の物質の複素
屈折率と厚み、及び、入射角がわかれば、多層薄膜の光の透過率、反射率を計算することができ
る。
A.4
複素屈折率
この論文で使う物質は主にアルミニウム (以下 Al)、ポリイミド (以下 Polyimide)、レキサン
(以下 Lexan) である。 Al の複素屈折率はペンシルベニヤ州立大学の G. Chartas 氏にデータを頂
いた。 0.01 m から 10 m までの屈折率を図 A.3に示す。 Polyimide の複素屈折率のうち実数
部は Bautz and Nousec (1998) を引用した。使った屈折率を図 A.4に示す。 Lexan に関しても、
同じ値を用いた。 Polyimide や Lexan は可視光についてはほぼ透明なので、虚数部は 0 と仮定し
た。ただし、 Lexan の場合は約 2300
A より短い波長で、 Polyimide の場合は約 4000
A より短い
波長で不透明で、屈折率が大きく変わっていることがわかっている (Castelli (1997)) が、ここで
は計算は行なってない。 Castelli (1997) による透過率を図 A.5示した1 。
A.5
シミュレーションの例とフライトモデルのデザイン
いくつか特徴的な薄膜についてシミュレーションを行なった例を示す。表 1 にシミュレーショ
ンをしたパラメーターについてまとめる。計算した透過率を図 A.6から図 A.10に示す。
No アルミニウムポリイミドアルミニウム
図
1
400 A
1000 A
400 A
図 A.6
2
1000 A
1000 A
200 A
図 A.7
図 A.8
3
1000 A
1200 A
200 A
4
1000 A
800 A
200 A
図 A.9
5
1200 A
1000 A
0A
図 A.10
表
A.1: シミュレーションした OBF の厚み
1 実線並びに + は Polyimide の OBF の可視光透過率のシミュレーションによる値と実測値、点線並びに
の OBF の可視光透過率のシミュレーションによる値と実測値を指す
91
4 は Lexan
図
A.3: Al の複素屈折率 (n: 実数部、 k: 虚数部)
図
A.4: Polyimide の屈折率
92
Transmission
1.0000
0.1000
0.0010
0.0010
0.0001
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Wavelength(A)
A.5: Polyimide と Lexan の透過率 (Castelli (1997) より抜粋、実線並びに + は Polyimide の
OBF の可視光透過率のシミュレーション値と実測値、点線並びには Lexan の OBF の可視光透
過率のシミュレーション値と実測値を指す)
図
図 A.6は EM(エンジニアリングモデル; 第 4 章の Type2 OBF に相当) の設計値で計算したも
のである。透過率の目標値は 1004 でなので、計算ではほぼ満足した値である。しかし、本論文で
も求めたように実際の測定値は 2 桁程度高い透過率を示した。そこで、フライトモデルの設計で
は Al の厚みを増やした。フライトモデルの設計値で計算したものが図 A.7である。同じような形
で約 2 桁小さい透過率が期待できる。実験結果も EM 品に比べて約２桁小さい透過率を得ること
ができた。
図 A.8と図 A.9はフライトモデルの設計値に対して、 Polyimide の厚みを変えた場合の計算で
ある。図 A.8に示したように Polyimide を厚くしてシミュレーションを行った結果、図 A.7では
4800
A にみられたピークは、波長の長い方へシフトすることがわかった。また図 A.9に示したよ
うに、 Polyimide を薄くしてシミュレーションを行った結果、ピークは波長の短い方へシフトす
ることがわかった。
次に、図 A.10に Al を片側に寄せてシミュレーションを行った結果を示した。この場合、図 A.7で
見られるような 4800
A のピークはない。すなわち、 4800
A のピークは Polyimide の上下の Al の
境界での反射波の干渉であることがわかる。
両面に Al をつける方が 4800
A のピーク付近を除くと低い透過率が得られる。さらに、両面に
つけることにより、ピンホールができる確率を小さくすることができると期待できる。これらの
結果から、可視光遮断フィルターのフライトモデルのデザインは表 A.1 の No2 として、製作した。
93
図 A.6:
値。
Al/Polyimide/Al の三層フィルムで厚みを 400
A,1000
A, 400
A とした時の透過率の計算
図 A.7:
値。
Al/Polyimide/Al の三層フィルムで厚みを 1000
A,1000
A, 200
A とした時の透過率の計算
94
図 A.8:
値。
Al/Polyimide/Al の三層フィルムで厚みを 1000
A,1200
A, 200
A とした時の透過率の計算
図 A.9:
値。
Al/Polyimide/Al の三層フィルムで厚みを 1000
A,800
A, 200
A とした時の透過率の計算
95
図 A.10:
値。
Al/Polyimide/Al の三層フィルムで厚みを 1200
A,1000
A, 0
A とした時の透過率の計算
96
付録 B
SES の X 線強度と電流の関係
1998.12.15 に大阪大学で FM{OBF(R/N 7552-1, 7547-1) の X 線透過率の測定を行った。その際
のデータを使い X 線 Generator の X 線強度と Emission Current の相関を求めた。
B.1
CCD のカウント数と emission current
1998 年 12 月 15 日に OBF の X 線透過率を測定する際、 SES の emission 電流をモニターし
た。データ取得の条件を表１に示す。データは OBF 無しで 1000 枚、 R/N7552-1 測定のために
1000 枚、 R/N7547-1 測定のために 1000 枚取得した。
CCD
AE
EMJ2 （OBF なし）
EMJ3
温度
-90 C
CCD Position -4mm
CCD clock
Normal 8sec
高圧
5kV
SES
emission current 目標値 0.75mA
ターゲット
Ag
入射スリット
5m
グレーティング
SA
図 B.1に OBF 無しのデータ、図 B.2に Type3 OBF R/N7552-1 測定中のデータ、
図 B.3に Type3 OBF R/N7547-1 測定中のデータから、 ASTRO-E Time(ASTRO-E 衛星打ち上
げ時を基準時間に設定した時間) に対する CCD の Grade 0+2+3+4+6 のカウント数と電流の値
をプロットした。 CCD のカウントは 1 フレーム毎に求めているので８秒毎の積分値である。電
流値は 2 秒毎にサンプリングしている。プロットしたのは、 CCD のデータに刻まれている時刻
(ASTRO-E Time) よりも前の 8 秒間にサンプリングしたデータの平均値である。相関しているこ
とは明らかである。なを、電流値が小さくなっているところはサンプリングできていないところ
である。
B.2
時間のずれ
図 B.2は特に相関がはっきりみられる。詳しく見ると、カウント数の変動は電流の変動に比べ
て遅れていることもわかる。そこでカウント数と電流値の相互相関係数について調べた。図 B.4は
97
図 B.1: OBF 無しでとったデータで（上）１フレームでの CCD のイベント (Grade 0+2+3+4+6)
と（下） CCD のデータの時刻からその８秒以前までの X 線発生装置の emission 電流の平均値
B.2: R/N7552-1 の測定中にとったデータで（上）１フレームでの CCD のイベント (Grade
0+2+3+4+6) と（下） CCD のデータの時刻からその８秒以前までの X 線発生装置の emission
図
電流の平均値
98
B.3: R/N7547-1 の測定中にとったデータで（上）１フレームでの CCD のイベント (Grade
0+2+3+4+6) と（下） CCD のデータの時刻からその８秒以前までの X 線発生装置の emission
図
電流の平均値
横軸にカウント数の遅れをフレーム単位（8 秒単位）で縦軸に相互相関係数をプロットした図で
ある。 CCD のカウント数は 8 フレームの遅れがあることが分かった。
図 B.1と図 B.3に示したデータについても相互相関係数を計算したが、この二つのデータでは
早い時間変動は少ないので、あまりはっきりした時間のずれは見られなかった。３つのデータそ
れぞれの相互相関係数を図 B.5にまとめた。
B.3
相関
すべてのデータを使い、電流値に対する CCD のカウント数を、まずは時間の遅れを考慮せず
に図 B.6 にプロットした。また、 8 フレームの遅れを考慮した場合を図 B.7 に示す。
時間の遅れを考慮した場合の方が、ばらつきは小さくなっている。また、 OBF を測定してい
る二つのデータは同じ関数で表されると考えて良いことも分かる。当然、 OBF の無いデータは
同じ電流でもカウント数は多くなる。
次に、 8 フレームの遅れを考慮した電流とカウント数の相関を関数で表してみた。電流の変動
はたった３ % 程度なので、どのような関数でも合わせることができるが、ここではパラメーター
のなるべく少ない関数を探した。モデルとして１次関数の場合
Model
(CCD の count 数) = P12(I-P2) 2 /dof
OBF 有りデータ P1=88706250, P2=0.59460.005 253.8/96
OBF 無しデータ P1=79206820, P2= 0.54860.023 89.3/43
となった。しかし、これでは、一般にどのようになっているのかわからないので、パラメータが
一つで表せる関数を探した。 OBF 有りと無しでは前の係数が変化するだけのはずと考え、 X 切
99
図 B.4: R/N7552-1 の測定中にとったデータ図 B.2 のカウント数と電流の相互相関係数。横軸は
カウント数データの遅れで単位はフレームである。縦軸は相互相関係数である。
図 B.5: ３種のデータ図 B.1、図 B.2、図 B.3 のカウント数と電流の相互相関係数。横軸はカウン
ト数データの遅れで単位はフレームである。縦軸は相互相関係数である。
100
図 B.6: ３種のデータ (図 B.1, 図 B.2, 図 B.3）の電流値に対するカウント数。 20 フレームの平均
値である。時間のズレは考慮していない。
図 B.7: ３種のデータ (図 B.1, 図 B.2, 図 B.3）の電流値に対するカウント数。 20 フレームの平均
値である。 8 フレームの時間のズレを考慮した。
101
片は両者の重みつき平均で、 0.587 に固定した。その結果
Model
(CCD の count 数) = P12(I-0.587) 2 /dof
OBF 有りデータ P1 = 8500610,
259.4/97
OBF 無しデータ P1 = 9780615,
103.4/44
となった。データともっとも良く合うモデルを図 B.8 に示す。データのモデルからのずれは 3%
以下に収まっている。
図 B.8: 図 B.7 と同じ。もっとも良く合う X 切片を固定した１次関数のモデルもプロットとし
た。
B.4
結論
以上の結果から、 8 フレームの時間のずれを考慮して X 線強度を X 線発生装置のエミッショ
ン電流の１次関数で表せば 3% 以下の精度でモデル化できることがわかった。
これより、 OBF の X 線の透過率測定や、 CCD の検出効率の測定の際には、測定中にサンプ
リングするエミッション電流の平均値をから、 X 線発生装置の変動を補正する事が可能となった。
具体的には、サンプリングするエミッション電流の平均値を Iav , エミッション電流の目標値を
I0:75 とすれば
(補正した CCD の count 数)=(補正前の CCD の count 数)2
I0:75 00:587
Iav 00:587
の変換式を使い、サンプリングするエミッション電流の値から、 X 線強度の補正を行なえば、 3%
以下の精度で X 線強度の補正をすることができる。
102

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