環境初期化時の横流れ現象とLED 光照射による CTE の変

化京都大学　理学研究科

宇宙線研究室乾　達也

報告内容のアウトライン

• 一度最適化を行った同じ環境条件でも、パフォーマンスが再現しない（特に横転送不良）という現象が発生した

• 低温環境において、蓄積時に LED 光を入射することで dark level を上げ、 CTEの変化を調べた（ FAT0 ）

実験の流れ（ 6/10 ）～最適化• PV+ 、 PH+ が PIN しないレベルでクロック最適化作業（温度

－ 80℃ 、使用線源 109Cd ）　最終決定クロック電圧PV=－ 11/+0、 PH=－ 12/+0、 SG=－ 12/+0、 RG=－ 6/+4、 OG=－ 5、 RD=－ 12、 OD＝－ 20 (V)

実験の流れ（ 6/11 ）～横流れ発生

• 真空槽を開け、 CCD ガラス窓を取り外す（ 55Fe 照射のため）• 冷却して（温度－ 80℃ ）、同じクロックにてイメージ取得→横流れ

PV=－ 11/+0、 PH=－ 12/+0、 SG=－ 12/+0、 RG=－ 6/+4、 OG=－ 5、 RD=－ 12、 OD＝－ 20 (V)

55Fe のイメージ

横流れが見られる

実験の流れ（ 6/11 ）～最適化時と比較

使用線源 109Cd 　温度－ 80℃ （昨日と同条件）PV=－ 11/+0、 PH=－ 12/+0、 SG=－ 12/+0、 RG=－ 6/+4、 OG=－ 5、 RD=－ 12、 OD＝－ 20 (V)

前日のパフォーマンスを再現しない！！

↓ は昨日（ 6/10 ）取得のイメージ

6/11 のイメージ

6/10 のイメージ

実験の流れ（ 6/12 ）～原因追求• 真空槽を開け、 CCD ガラス窓を装着（ 6/10 と完全に同じ）• 冷却して（温度－ 80℃ ）、同じクロック電圧にてイメージ取得• 相変わらず横流れが見られた。 • PH+ を一度 +3V にすると改善した！ (PH+=+0V→+3V→+0V)

PV=－ 11/+0、 PH=－ 12/+0、 SG=－ 12/+0、 RG=－ 6/+4、 OG=－ 5、 RD=－ 12、 OD＝－ 20 (V)

使用線源 109Cd 　温度－ 80℃ （ 6/10 と同条件）

横流れ見かけ上なし

実験の流れ（ 6/14 ）～再現性の検証

• 6/13 は常温・電圧かけずで放置（真空継続）• 冷却し始めて得た初期のイメージ（ 109Cd 、温度－ 60 ～－ 70 度）

PV=－ 11/+0、 PH=－ 12/+0、 SG=－ 12/+0、 RG=－ 6/+4、 OG=－ 5、 RD=－ 12、 OD＝－ 20 (V)

横流れしている

実験の流れ（ 6/14 ）～再現性の検証

• PH+=+0V→+3V→+0V と変えた• PH を PIN させた後のイメージ（ 109Cd 、温度－ 80 度）

PV=－ 11/+0、 PH=－ 12/+0、 SG=－ 12/+0、 RG=－ 6/+4、 OG=－ 5、 RD=－ 12、 OD＝－ 20 (V)

横流れ止まるやはり PH+ を一度 PIN させると改善するようだ

実験の流れ（ 6/14 ）～再現性の検証

• 常温に戻し、真空破る。• CCD ガラス窓を取り外し、再度冷却• 55Fe のイメージを取得（温度－ 80 度、同

クロック）すると横流れ確認• PH+ を PIN させる（ PH+=+0V→+3V→+0

V ）とやはり横流れが止まった

実験の流れ（ 6/15 ）～ FAT0

• 6/14 終了時点で常温に戻す• 再度冷却して温度－ 80℃ で 55Fe のイメー

ジを取得するが、これまで（ 6/14 まで）に見られたような横流れは見られなかった

• このまま FAT0 の実験を開始

横流れ現象のまとめ・考察• 横流れ現象の再現性について

– 真空槽をあけると発生する（ 6/10 ～ 6/14 ）– 室温放置でも翌日実験すると横転送不良は見

られなかった（ 6/15 ）– 1 日放置すると横流れが見られた（ 6/12 ～ 6/1

4 ）– どの時点で確実に再現するかは不明

• 原因について– PH+ を PIN すると改善されるということ以外

はよくわからない

LED 光照射による CTE 変化

• 現在確認されている事象– 低温では暗電流は小さいが CTE が悪い– 高温では CTE はよいが暗電流は大きい

• 低温での CTI は BULK のトラップによる？– CCD 全面に光を照射し dark level を押し上

げて CTE を見てみる（ FAT0 ）

LED 光照射前のイメージ温度－ 81℃PV= － 11/+0 、 PH= － 12/+0 、 SG= － 12/+0 、 RG= － 6/+4 、 OG= － 5 、 RD= － 12 、OD ＝－ 20 (V)線源： 55Fe

※ 先に報告した横流れ現象は起きていない

13.1 14.5 34.7 14.6 13.8

13.2 14.5 94.5 15.1 14.0

13.4 27.5 544.7 27.7 15.2

13.0 10.7 34.3 10.7 12.9

13.7 12.8 13.2 13.2 13.2

← イベント位置周囲 5 ｘ 5 の平均レベル (ADU)縦に大きく流れているのがわかる、横は見かけ上流れていない

平均イベントピクセルから

-2 -1 0 1 20

100

200

300

400

500

0 1 2 3 4 50

100

200

読み出し方向 (y)

本質的イベントの広がりを引いて、転送で失った電荷をプロット

トラップ電荷が再放出されるタイムスケールは縦転送一回分に等しい

y [pixel]

55Fe のスペクトル

E=3.3 keVN=63e-

イベント検出、 Fitting 法5 ｘ 5 中の電荷を拾っている。但し、55Fe は広がりが小さいため、ほとんどが single pixel event である。

横方向 CTI

HCTI=5.2 x 10-4/transfer

イメージ上は流れてないのに非常に悪い

縦方向 CTI

VCTI=6.4 x 10-4/transfer

光照射前の結果から

• 見かけ上横流れは見られないが、電荷は確実に失っている

• 縦方向には明らかに縦流れしている• トラップによる損失であるとすると、

トラップ電荷の再放出時間は縦転送時間程度で、横転送時間よりも十分長いと考えられる

トラップ電荷の再放出時間とトラップ準位の見積もり

縦転送時間 0.4msec 、横転送時間 80sec 、 T=200K分母は 2.8 x 1011 sec-1 として

Eq. (5.27), p.453, Janesick et al, Scientific Charge-Coupled Device

トラップ準位は 1 つと仮定

LED 光照射したイメージ（蓄積 10 秒中、 2 秒を 3 回、計 6 秒）

温度－ 89 度、線源： 55FePV= － 11/+0 、 PH= － 12/+0 、 SG= － 12/+0 、 RG= － 6/+4 、 OG= － 5 、 RD= － 12 、 OD ＝－ 20

CCD 外縁が光っているのは、最端画素部の外側に入射した光によって発生したキャリアが拡散により内側まで入ってきたもの

6.9 7.9 26.1 8.3 7.0

6.3 8.9 94.6 9.3 6.5

6.0 35.2 665.0 34.4 6.3

6.7 5.5 43.2 5.7 6.8

7.5 7.3 6.6 7.2 7.2

← 縦方向には流れている

55Fe のスペクトル

E=1.5 keVN=42e-

Pile-up

横方向 CTI

HCTI=8.7 x 10-5 /transfer

照射時間とエネルギー分解能・読み出しノイズ

LED 照射時間(sec)

0 2 4 6

入光量 [ACTIVE-HOC]

(electron)45 331 594 874

E

(keV)3.3 1.5 1.5 1.5

Readout Noise

(electron)63 42 44 44

エネルギー分解能、読み出しノイズともに改善

照射時間と CTI

LED 照射時間(sec)

0 2 4 6

入光量(electron)

45 331 594 874

横転送 CTI

(10-4/transfer)5.2 1.1 0.59 0.87

縦転送 CTI

(10-4/transfer)6.4 4.2 3.4 2.5縦・横転送ともに改善

FAT0 のまとめ• FAT0 によりエネルギー分解能・読み出しノ

イズ・ CTE はすべて向上• 2 秒以上当てても大きな改善は見られない• トラップが光により埋められることで CTE

の悪化を防いでいると考えられる• 照射時間 2 秒（ dark 330e ）でトラップは十分

埋められていると考えられる• トラップ電荷の再放出時間は縦転送時間 0.4m

sec 程度で、横転送時間 80sec より十分長い• 計算上求められたトラップ準位は