国際宇宙ステーション搭載MAXI - Osaka University...概要 MAXI(Monitor of All-sky X-ray Image)とは、国際宇宙ステーションに搭載する全天X線監視装置である。我々は、宇宙開発事業団と協力してMAXIに搭載するX線CCDカメラ(SSC)の開発を

国際宇宙ステーション搭載MAXI用X線CCDカメラの開発

河野洋彦大阪大学大学院理学研究科宇宙地球科学専攻修士論文

2003年 2月1日

概要

MAXI(Monitor of All-sky X-ray Image)とは、国際宇宙ステーションに搭載する全天X線監視装置である。我々は、宇宙開発事業団と協力してMAXIに搭載する X線CCDカメラ (SSC)の開発を行っている。SSCには X線用CCDが 32個搭載される。

CCDは高い位置検出能力と優れたエネルギー分解能を併せ持っている。CCDが X線検出器としての性能を最大限発揮するためには、低い読み出しノイズと高い検出効率を兼ね備えている必要がある。そのようなCCDをMAXIに搭載するために、我々は CCDに用いるシリコンウェハの選定を行った。その候補となるDeep2K2というウェハから製造されたCCD素子 (画素数：256×256)に 55Feの線源を用いてX線を照射し性能を測定した。測定の結果、このCCDは読み出しノイズが電子換算で9個、検出効率が 6keVで 89%、空乏層厚は 63µmを達成していることが判った。我々は、この CCDがMAXIに要求される性能を満たしていると判断し、搭載する CCDに用いるウェハを Deep2K2に決定した。次に、Deep2K2を用いてMAXI搭載素子の試作品を製造し、その性能を評価した。CCDの性能は

駆動電圧並びにクロックパターンといった駆動パラメータに依存する。そこで、これらを変化させてCCDの性能を測定し、性能を最大限発揮できるように駆動パラメータを決定した。そのときの素子の性能は、MAXIに要求される性能を満たしていることを確認した。その後、MAXI搭載候補素子を製造した。MAXI搭載候補素子は浜松ホトニクス社にて製造後、大阪大学へ出荷される前に電気的試験される。大阪大学は、素子の X線に対する特性の調査を担当している。そこで、我々はMAXI搭載素子に X線を照射し素子の性能を測定するための実験システムを構築し、これまでに大阪大学へ送られてきた 15個の搭載候補素子の性能を評価した。さらに、それらの素子の性能の順位を議論した。今後は残りの搭載候補素子の性能評価を進めていく予定である。

目次

第 1章 CCD 141.1 CCDの構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.1 MOS構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2 CCD内の電場 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.1 電極への印加電圧と CCD内の電場 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.2 空乏層 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3 CCDの駆動方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3.1 ノーマルモード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3.2 P-sum(Parallel sum)モード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4 X線の検出過程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4.1 検出原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4.2 CCDからの出力信号:電荷-電圧変換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4.3 信号処理 (積分方式) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.5 データの処理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.5.1 イベント抽出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.6 エネルギー分解能の決定要因 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.6.1 統計的揺らぎ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.6.2 暗電流 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.6.3 読み出しノイズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.6.4 CTI (Charge Transfer Inefficiency) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.7 露光時、横転送時の縦転送電極の電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.7.1 様々な縦転送モード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.7.2 フリップモード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.8 電荷注入法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.8.1 電荷転送効率劣化のメカニズム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.8.2 電荷注入法とは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

第 2章 MAXI(Monitor of All-sky X-ray Image) 312.1 国際宇宙ステーション (ISS:International Space Station) . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2 きぼう (JEM:Japanese Experiment Module) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3 MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4 SSC (Solid state Slit Camera) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4.1 SSC のエンジニアリングモデル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

第 3章 CCD素子性能評価実験システムの概要 373.1 真空機器、冷却機器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 CCDデータ取得システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1 ドライブ系回路 (E∼NA システム) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2.2 ヘッド基板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2

3 3 素子性能評価に用いた線源 39

第 4章 MAXI用CCD素子に用いるウェハの決定 404.1 駆動電圧の最適化とエネルギー分解能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2 ハイハイモードでの暗電流の温度変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3 フリップモードの動作を最適化するための各パラメータの決定 . . . . . . . . . . . . . 44

4.3.1 VPV Lの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.3.2 TPV Hの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.3.3 TPV Lと VPV Hの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.3.4 フリップモードでの暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4 検出効率と空乏層厚 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.1 測定方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.2 測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 まとめと結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

第 5章 MAXI用CCDの試作品の性能評価 535.1 MAXI用CCDの仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2 駆動電圧の最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2.1 MAXI用CCDの駆動電圧の決定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.3 フリップモードの動作を最適化するための各パラメータの決定 . . . . . . . . . . . . . 58

5.3.1 TPV Lの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.3.2 VPV Lの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.3.3 TPV Hの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.3.4 VPV Hの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.3.5 フリップモードでのMAXI用CCD試作品の暗電流の温度依存性 . . . . . . . . 63

5.4 縦転送クロックの最適化と決定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.4.1 縦転送のメカニズム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.4.2 縦転送クロックの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.4.3 MAXIで用いる縦転送クロックの決定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.5 検出効率と空乏層厚 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.5.1 測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.6 まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

第 6章 MAXI搭載候補素子の性能評価と選定 696.1 搭載素子性能評価システムの概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.1.1 クリーンブース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.1.2 素子取り付け ·冷却系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.1.3 ヘッド基板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716.1.4 データ取得系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2 MAXI搭載素子が満たすべき条件と測定項目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.2.1 駆動電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.2.2 電荷注入 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.2.3 その他の性能測定項目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.3 測定手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.4 各性能測定方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.4.1 読み出しノイズとエネルギー分解能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3

6 3 検出効率と空乏層厚 766.4.4 暗電流と暗電流のばらつき、ゲインの温度変化、読み出しノイズの温度変化 . 76

6.5 MAXI搭載候補素子性能評価結果の詳細 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.6 搭載候補素子の序列 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

第 7章まとめ 84

付録A 性能評価した素子 87A.1 MAXI用CCDのウェハ決定に用いた素子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87A.2 MAXI用CCDの試作品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87A.3 MAXI用CCDの電極電圧の絶対最大定格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88A.4 浜松ホトニクス社でのMAXI搭載候補素子の選定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

付録B 縦転送ノイズ 91

付録C MAXI搭載候補素子の各性能 92

4

図目次

1.1 CCDの断面構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2 CCD内の電荷分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3 ノーマルモードでの読み出し . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4 CCDの出力信号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.5 FDAによる読み出し . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.6 積分方式の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.7 CCDのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.8 イベントを中心とした 3×3画素の波高の定義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.9 グレード判定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.10 MPPモードでの CCDのポテンシャル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.11-aハイハイモードでの波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.11-bノン-MPPモードでの波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.11-cスタンダード -MPPモードでの波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.11-dエクステンデッド -MPPモードでの波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.11-eフリップモードでの波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.11 各縦転送モードでの P1V、P2V、P1Hの波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.12 注入電荷がトラップを埋める模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.13 電荷注入したときの CCDのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.1 国際宇宙ステーションの完成予想図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2 JEM の外観 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3 MAXI の構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.4 MAXI の視野 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.5 SSC の外観図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.6 CCDの配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.7 CCD のエンジニアリングモデル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.8 SSC カメラと TEC のエンジニアリングモデル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1-a NH59 16-2B1NH-2グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.1-bNH59 16-2B1NH-2グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.1 NH59 16-2B1NH-2のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2-a NH60 18-2B1NH-2グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2-bNH60 18-2B1NH-2グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2 NH60 18-2B1NH-2のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3-a NP15 10-2B0NP-1グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3-bNP15 10-2B0NP-1グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3 NP15 10-2B0NP-1のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.4-a NP15 9-2B0NP-1グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.4-bNP15 9-2B0NP-1グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5

5 5 0 0 ハイハイモードでの暗電流の温度変化 34.5-bNP15 10-2B0NP-1 ハイハイモードでの暗電流のばらつきの温度変化 . . . . . . . . . . 434.5 ハイハイモードでの暗電流とそのばらつきの温度変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.6 フリップモードでの露光時の P1V P2Vの波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.7-a暗電流の露光時の縦転送電極の電圧依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.7-b暗電流のばらつきの露光時の P1V P2Vの電圧依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.7 暗電流とそのばらつきの露光時の P1V P2Vの電圧依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . 454.8-a暗電流と露光時の縦転送電極がハイの時間の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.8-b暗電流のばらつきと露光時の縦転送電極がハイの時間の関係 . . . . . . . . . . . . . . 474.8 暗電流とそのばらつきの露光時の縦転送電極がハイの時間依存性 . . . . . . . . . . . . 474.9-aフリップモードでの暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.9-b暗電流のばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.9 暗電流とそのばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.1-a NH65 6-4グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.1-bNH65 6-4グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.1 NH65 6-4のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2-a NH65 7-4グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2-bNH65 7-4グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.2 NH65 7-4のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.3-a NH63 9-1グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.3-bNH63 9-1グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.3 NH63 9-1のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.4-a NH63 15-2グレード 0のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.4-bNH63 15-2グレード 02346のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.4 NH63 15-2のスペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.5-a暗電流の露光時の縦転送電極のローの時間依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.5-b暗電流のばらつきの露光時の縦転送電極のローの時間依存性 . . . . . . . . . . . . . . 595.5 NH65 6-4の暗電流とそのばらつきの露光時の縦転送電極のローの時間依存性 . . . . . 595.6-a暗電流の露光時の縦転送電極の電圧依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.6-b暗電流のばらつきの露光時の縦転送電極の電圧依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.6 NH65 6-4の暗電流とそのばらつきの露光時の縦転送電極の電圧依存性 . . . . . . . . 615.7-a暗電流の露光時の縦転送電極のハイの時間依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.7-b暗電流のばらつきの露光時の縦転送電極のハイの時間依存性 . . . . . . . . . . . . . . 625.7 NH65 6-4の暗電流とそのばらつきの露光時の縦転送電極のハイの時間依存性 . . . . . 625.8-aフリップモードでの暗電流の温度変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.8-bフリップモードでの暗電流のばらつきの温度変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.8 NH65 6-4 フリップモードでの暗電流とそのばらつきの温度変化 . . . . . . . . . . . . 645.9 フリップモードの縦転送時の波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.1 搭載候補素子冷却用治具に素子を取り付けた様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706.2 搭載候補素子性能評価用ヘッド基板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716.3 放射線損傷した素子への電荷注入量と CTIの関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.4 IG2Vの電圧に対する 1画素当りの注入電荷量測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.5 IG2Vの電圧と 1画素当りの注入電荷量の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.6 動作温度に対する 1画素当りの注入電荷量測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6

6 8 性能測定時の素子の温度変化 756.9-a CTIの測定に用いる領域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.9-b横軸を CCD Y座標、縦軸を信号波高値にして g02346をプロットした図 . . . . . . . . 766.9 CTIの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.10-a全体図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.10-b右部拡大図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.10 NH73 10-1のイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.11-a全体図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.11-b右部拡大図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.11 NH73 10-4のイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.12 読み出しノイズの分布図 (P-sumモード ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.13 エネルギー分解能の分布図 (P-sumモード、グレード 0、5.9keV) . . . . . . . . . . . . 806.14 検出効率の分布図 (ノーマルモード 6.0keV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

C.1-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-c−60◦C ノーマルモード g02346 シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-e−60◦C P-sum モード g012 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-g暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-h暗電流のばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-i読み出しノイズの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-k−50◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1-l−40◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93C.1 NH70 5-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

C.2-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-c−60◦C ノーマルモード g02346 シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-e−60◦C P-sum モード g012 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-g暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-h暗電流のばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-i読み出しノイズの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-k−50◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2-l−40◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94C.2 NH70 11-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

C.3-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-c−60◦C ノーマルモード g02346 シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-e−60◦C P-sum モード g012 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7

C 3 暗電流のばらつきの温度依存性 95C.3-i読み出しノイズの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-k−50◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3-l−40◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95C.3 NH70 21-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

C.4-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-c−60◦C ノーマルモード g02346シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-e−60◦C P-sum モード g012ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-g暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-h暗電流のばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-i読み出しノイズの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-k−50◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4-l−40◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96C.4 NH71 5-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96



8

C 7 60 C ノーマルモード g0 3 6 ヒストグラム 99C.7-c−60◦C ノーマルモード g02346 シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-e−60◦C P-sum モード g012 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-g暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-h暗電流のばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-i読み出しノイズの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-k−50◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7-l−40◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99C.7 NH72 16-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99



C.10-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-c−60◦C ノーマルモード g02346 シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-e−60◦C P-sum モード g012 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-g暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

9

C 0 読み出しノイズの温度依存性 0C.10-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-k−50◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10-l−40◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102C.10 NH72 24-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102


C.12-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.12-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.12-c−60◦C ノーマルモード g02346シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.12 NH73 10-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

C.13-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.13-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.13-c−60◦C ノーマルモード g02346シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.13-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.13-e−60◦C P-sum モード g012ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.13-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.13 NH73 10-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

C.14-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-c−60◦C ノーマルモード g02346シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-e−60◦C P-sum モード g012ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-f−60◦C P-sum モード g012シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-g暗電流の温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-h暗電流のばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-i読み出しノイズの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.14 NH74 15-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

C.15-a−60◦C ノーマルモード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-b−60◦C ノーマルモード g02346 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-c−60◦C ノーマルモード g02346シフト後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-d−60◦C P-sum モード g0 ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-e−60◦C P-sum モード g012ヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

10

C 5 g暗電流の温度依存性 06C.15-h暗電流のばらつきの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-i読み出しノイズの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-jゲインの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-k−50◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15-l−40◦Cでのイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.15 NH74 15-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

11

表目次

1.1 縦転送モードと縦転送電圧の組合せ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1 国際宇宙ステーションの諸元 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2 GSC と SSC の性能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1 水の温度と飽和蒸気圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1 最適電圧測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.2 ウェハ決定実験に用いた素子の最適電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3 ウェハ決定実験に用いた素子の読み出しノイズとエネルギー分解能 . . . . . . . . . . 414.4 ハイハイモードでの暗電流の温度変化測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.5 ハイハイモードでの暗電流とそのばらつき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.6 露光時のフリップモードのローの電圧最適化条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.7 縦転送電極がハイになっている時間の最適化測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.8 フリップモードを用いたときの暗電流の温度変化測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . 484.9 フリップモードでの暗電流とそのばらつきの温度変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.10 検出効率測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.11 NP15 10-2B0NP-1検出効率測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.12 NP15 9-2B0NP-1検出効率測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.13 Deep2Sと Deep2K2との性能比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.1 MAXI用CCDの仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.2 NH65 7-4 最適電圧測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3 MAXI用CCD試作品の最適電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.4 MAXI用CCD試作品の読み出しノイズとエネルギー分解能 . . . . . . . . . . . . . . 555.5 MAXI用CCDの駆動電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.6 露光時のフリップモードのローの時間最適化条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.7 露光時のフリップモードのローの電圧最適化条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.8 露光時のフリップモードのハイの時間最適化条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.9 各縦転送モードでの暗電流の温度変化測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.9-a各縦転送モードでの暗電流 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.9-b各縦転送モードでの暗電流のばらつき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.10 各縦転送モードでの暗電流とそのばらつき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.11 縦転送クロック最適化条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.12 縦転送クロック最適化測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.13 MAXI用CCD試作品の検出効率測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.14 MAXI用CCD試作品の検出効率測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.15 MAXI用CCDの各駆動パラメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.15-aMAXI用CCDの駆動電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.15-bMAXI用CCDのフリップモードの各パラメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

12

6.1 データ取得系性能比較実験の測定条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.2 データ取得系性能比較実験の測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.3 搭載候補素子性能評価の測定条件と測定項目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.3-a素子冷却用治具左側に取り付けた素子に入射するX線強度 . . . . . . . . . . . . . . . 776.3-b素子冷却用治具右側に取り付けた素子に入射するX線強度 . . . . . . . . . . . . . . . 776.4 素子に入射するX線強度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.4-a搭載候補素子の性能一覧 (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816.4-b搭載候補素子の性能一覧 (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826.5 MAXI搭載候補素子の序列 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

7.1 最終的なMAXI用CCDの駆動パラメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.1-a MAXI用CCDの駆動電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.1-bMAXI用CCDの電荷注入用電極電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.1-c MAXI用CCDのフリップモードの各パラメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857.1-dMAXI用CCDの縦転送クロックの各パラメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

A.1 ウェハ決定実験に用いた素子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87A.2 ウェハ決定実験に用いた素子の浜松ホトニクス社推奨電圧 . . . . . . . . . . . . . . . 87A.3 MAXI用CCDの試作品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87A.4 MAXI用CCD試作品の浜松ホトニクス社推奨電圧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88A.5 MAXI用CCDの電極電圧の絶対最大定格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88A.6 MAXI搭載候補素子一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89A.7 浜松ホトニクス社での試験項目と合格基準 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

13

第1章 CCD

1.1 CCDの構造

1.1.1 MOS構造

CCDは表面から電極保護膜、電極 (Metal)、酸化物でできた絶縁層 (Oxcide)、半導体 (Semiconduc-tor)の順番で並んでいる。CCDはポテンシャルで区切られた数十 µm四角の画素に分けられている。画素の一つ一つが半導体検出器として働くことから、CCDはMOS (Metal-Oxcide-Semiconductor)ダイオードを 2次元的に並べたものとみなすことができる。金属と半導体の間に絶縁層を形成したMOSダイオードは、MOS電界効果を利用するMOSデバイスの基本構造である。CCDはMOSダイオードのMOS電界効果を利用したデバイスである。表面の電極保護膜は SiO2、電極は poly-Si、絶縁層は SiO21、半導体は P型 Siでできている。

転送方向

Si

2絶縁層

電極

(SiO )

Substrate

p-Type Si

n-Type Si

(Poly Si)

1画素

チャネルストップ

電極

x

x

zy

y

V2

V1

1pixel

z z

図 1.1: 2相転送方式の CCDの断面構造

電極に様々な電圧を印加することによって、電荷の蓄積、転送を行う。電荷転送方向に対して水平方向には、チャンネルストップと呼ばれるアクセプタイオンを集中的に打ち込んだ領域がある。これにより画素と画素の境界にポテンシャル障壁を作り、信号電荷が隣り合った画素に漏れるのを防ぐ。

1Si3N4を用いることもある。

14

　

1.2.1 電極への印加電圧とCCD内の電場

a)蓄積状態 c)反転状態b)空乏状態

図 1.2: CCD内の電荷分布

真性半導体のフェルミ準位を Ei、表面 (Si-SiO2界面付近)でのフェルミ準位を EF、表面での正孔濃度を p、電子濃度を nとする。

CCDの電極に負電圧を印加した時、表面のエネルギーバンドは上向きに曲がる。この時 pは、

p = N exp(Ei − EF

kT) (1.1)

に従う。つまり、正孔が表面付近に集まる。この状態を蓄積状態 (図 1.2a)と呼ぶ。

電極に正の電圧を印加した時表面のエネルギーバンドは下向きに曲がる。すると、表面では多数キャリアである正孔が押しやられて、電子も正孔も存在しない空乏層が広がる (空乏状態、図 1.2b)。空乏層については次節で詳しく述べる。電極に印加する電圧をさらに高くすると、表面付近のエネルギーバンドはさらに下に曲がり、EF

が Eiよりも高くなる。すると、電子濃度 nは式 1.2に従って指数関数的に増大する。

n = N exp(EF − Ei

kT) (1.2)

伝導帯がフェルミ準位に近づくようになると、表面準位の電子密度が急激に多くなり n型反転層を形成する (図 1.2c)。n型反転層が形成されるようになると電場の遮断効果が起きるようになり、印加電圧を高くしても空乏層は広がらなくなる。

15

半導体中には、p型半導体の場合、動きやすいキャリア (正孔)と動きにくいアクセプタイオンがある。CCDに正の電圧を印加して空乏状態にすると、動きやすい正孔が表面から排除され、表面にはアクセプタイオンのみがほぼ一様に分布している。この領域が空乏層で、電極とアクセプタイオンとの間には強い電場がかかっている。この時、空乏層中の単位面積あたりの電荷Qsは、アクセプタイオンだけだと仮定すると (空乏近似),

Qs = −qNAxd (1.3)となる。NAはアクセプタイオンの濃度で、xdは空乏層の厚さである。よって、深さ方向の一次元のポアソン方程式は、

d2φ

dx2= −qNA

ε(1.4)

CCD表面のポテンシャルを φs 　空乏層と中性領域の境界 (x = xd) での電場を 0とすると、境界条件は、

dφ

dx= 0(x = xd) (1.5)

φ = φs(x = 0) (1.6)

となる。式 1.4を式 1.5、式 1.6の境界条件で解くと、

φ = φs

(1 − x

xd

)2(1.7)

となる。これより、空乏層の厚さ xdは、

xd =

√2εφsqNA

(1.8)

となる。φsは電極に印加する電圧である。空乏層を厚くするには不純物濃度NAを低くする必要がある。また、電極に印加する電圧の平方根に比例して空乏層は厚くなる。

1.3 CCDの駆動方式

1.3.1 ノーマルモード

横方向の有効画素領域の画素数が x、縦方向の画素数が yのフルフレームトランスファー型 CCDの全画素を読み出す時、次のような手順で電荷を転送する。

1. 縦転送を 1回行い、有効画素領域の最下行を横転送レジスタに転送する (図 1.3左)。2. 横転送 x+α回を行い、その行の各画素の出力を得る (図 1.3右)。3. 1、2、を y+α回繰り返すことにより、CCD一画面分の出力を得る。

上の行程で縦転送、横転送共に有効画素領域よりもαだけ余分に読み出している。余分に縦転送された画素を VOC(Vertical Over Clocked)領域、余分に横転送された画素を HOC(Horizontal OverClocked)領域という。これらのOver Clock領域は、ノイズの評価などに用いられる。

16

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

横転送

縦転送

読み出し口

有効画素領域

アンダークロックピクセル

横転送レジスタ

出力信号

VOC領域

領域HOC

図 1.3: ノーマルモードでの読み出し

1.3.2 P-sum(Parallel sum)モード

P-sumモードはラインビニングモードとも呼ばれ、読み出しの際に縦方向に電荷を加算して読み出す方式である。横方向の有効画素領域の画素数が x、縦方向の画素数が yの CCDで、P-sumモードを用いて n行加算して読み出す時、

1. 縦転送を n回行い、横転送レジスタに n行分の電荷を蓄積させる。2. 横転送 x+α回を行い、その行の各画素の出力を得る3. 1、2、を y

n回繰り返す

となる。

1.4 X線の検出過程

1.4.1 検出原理

高エネルギーの光子であるX線を検出するには、X線のエネルギーを我々の技術で測定できるもの (電荷、熱など)に変換する必要がある。X線が Siに入射すると、その構成原子である Si原子やその軌道電子と光電吸収、コンプトン散乱、電子対生成という 3通りの相互作用が起こりうる。我々の取り扱うエネルギー範囲 (100eV∼50keV)では、これらの相互作用のうち、光電吸収が支配的になる。

X線が CCDに入射し、その構成原子である Si原子と相互作用して光電吸収されると、入射X線は吸収点で消滅し光電子と正孔の対 (電子正孔対)が発生する。電子正孔対を 1対作るために必要なエネルギーを平均解離エネルギーW と呼び、Siの場合WSi～3.65eVである。よってエネルギーEXの X線が光電吸収によってつくる最終的なキャリア数は、

N =EXWSi

(1.9)

17

Siエスケープ、Siイベント

入射X線のエネルギーが、SiのK殻の束縛エネルギーより大きい時、励起状態の Si原子が基底状態に戻る際に、Siの特性X線 (1.74keV)を出す場合がある。その Siの特性X線が、

1. 同じ、または隣の画素で吸収された時同じ画素内の場合はシングルイベント、隣の場合はスプリットイベントとして検出される。(詳細は後述)

2. 離れた画素で吸収された時Siの特性X線に相当するエネルギー分低いエネルギーのイベント (Siエスケープ)と、Siの特性X線のイベントが、異なる画素で検出される。

3. CCD内で吸収されずに外に逃げた時Siエスケープのみが検出される。

1.4.2 CCDからの出力信号:電荷-電圧変換

CCDによって転送された信号電荷は、MOS-FETによって、電荷-電圧変換されて、信号を出力する。CCDの出力信号は図 1.4のようになる。ほとんどのCCDでは FDA(Floating Diffusion Amplifier)と呼ばれる回路を内蔵している。1画素分の信号を読み出す手順を、図 1.5に示す。

1. SGの電圧と RGの電圧をハイレベルにして、MOS-FET1をオンにする (図 1.5(1))。すると、Floating diffusionに蓄積された電子が RD に流れ、Floating diffusionの電位が RDの電位と等しくなる。

2. RGの電圧をローレベルにして、MOS-FET1をオフにする (図 1.5(2))。するとRDと読み出し口は切り離され、MOS-FET2の出力は ODと OGによって決まる値になる。このときの出力電圧をフローティングレベルといい、この画素の出力電圧を決める際の基準電位となる。このとき、SGはハイレベルのままなので、転送されてきた電子は SG の電極の下に蓄積される。

3. SGの電圧をローレベルにする (図 1.5(3))。すると、SGに蓄積された電子が Floating diffusionに流れ、MOS-FET2のゲート電圧が下がる。よって、負荷抵抗による出力電圧は、floating diffusionに流れ込んだ電子の分だけ下がる2。このときの出力電位をシグナルレベルという。

1～3の行程により、図 1.4の波形が得られる。そして、フローティングレベルとシグナルレベルの電位差を測定することにより、画素の信号波高値を得る。

2電位の変化 Vは電荷を Q、ポテンシャルの静電容量を Cとすると、V=Q/Cとなる。

18

SignalLevel

FloatingLevel

Reset

1 Pixel図 1.4: CCDの出力信号

19

P1H , SG , RGHigh : +6VLow : -8V

OG : Output Gate voltageRG : Reset Gate clockRD : Reset Drain voltageOD : Output Drain voltage

P1H SG

RG

OG (+3V)

RD ( +12V)

OD ( +20V)

MOS FET 1

MOS FET 2

外部抵抗

静電ポテンシャル

P1H SG

RG

OG (+3V)

RD ( +12V)

OD ( +20V)

MOS FET 1

MOS FET 2

外部抵抗

RG : High

RG : Low

SG : High

P1H : Low

P1H : Low

SG : High

floating level

P1H SG

RG

OG (+3V)

RD ( +12V)

OD ( +20V)

MOS FET 1

MOS FET 2

外部抵抗

RG : Low

P1H : High

SG : Low

signal level

p+

電子の流れ

電子

出力信号

出力信号

(2)RGをローにする出力信号がfloating level になる

出力信号 (3) SGをローにする

signal level になる SG の電子が転送され、出力信号が

電位がRD の電位になる(1) RG をハイにする。Floating diffusionの

図 1.5: FDAよる読み出し

20

積分方式とは、フローティングレベルとシグナルレベルの電圧をコンデンサーで積分し、その電圧差をとることにより信号波高値を得る方式である(図 1.6)。この方式の利点は高周波ノイズを平均化して低減できることである。また、積分時間を変えるだけで、ゲインを調節することができる。一方、フローティングレベル、シグナルレベルの積分時間をすべての画素で同じ時間にしなければならないので、回路系に厳密なタイミングが要求される。

��

��

��

��

��

��

��

��

積分積分

Signal Level

Floating Level

- =信号波高に比例

図 1.6: 積分方式の模式図

1.5 データの処理CCDに X線を照射し、得られたイメージを図 1.7に示す。それぞれの画素の信号レベルのことを

波高値と呼ぶ。そして、X線が入射し波高値が高くなっている画素をイベントと呼ぶ。図 1.7 のイメージの明るい所は X線が入射し、波高値が高くなっている画素である。このCCDは有効画素領域の画素数が 256×256画素で、300×300画素読み出すことにより、図 1.7の HOC領域、及び VOC領域が作られる。

21

4-pixel event

2-pixel event

3-pixel event

single pixel event

有効画素領域

256 pixel

300 pixel

256

pixe

l300

pixe

lHOC領域

VOC領域

図 1.7: CCDのイメージ

22

CCDに X線を照射し、得られたイメージからイベントを選別する方法を以下に記す。

ゼロレベル

CCDの各画素は、X線光子が入射していなくてもある波高値 (ゼロレベル)を出力する。その波高値は様々なノイズ (後述)により異なる。よって各画素ごとのゼロレベルを知っておく必要がある。そして、イベントの波高値からゼロレベルの波高値を引くことによって、イベントのエネルギーを知ることが出来る。本論文では、Astro-E衛星に搭載を予定していたXISで用いられた方法でゼロレベルを計算した。

イベントスレッショルド

まず、読みだし口に近い画素から波高値を調べていく。イベントスレッショルドを越える画素があると、そこに入射したX線によるイベントがあると考える。つまりイベントスレッショルドで、検出するX線の波高値の下限は決まる。その後、イベントの周囲 3×3画素の波高値を調べる。周囲 3×3画素の波高値を図 1.8の様に表すと、

PH[0] > PH[1 ∼ 4] かつ PH[0] ≥ PH[5 ∼ 8]

の条件を満たすものを有効なイベントとなり、PH[0]がイベントの中心となる。

横転送方向

縦転送方向

PH[0]

PH[1] PH[2] PH[3]

PH[4] PH[5]

PH[6] PH[7] PH[8]

図 1.8: イベントを中心とした 3×3画素の波高の定義

スプリットスレッショルド

スプリットスレッショルドとは、一つの X線光子の光電吸収によって発生した電子が複数の画素に広がった場合、他の画素への電荷の洩れ込みを決めるしきい値である。イベントの中心が求まると、その周囲 3×3画素を調べ、スプリットスレッショルド以上の波高値を持つ画素があると、その画素に電荷が洩れ込んでいると考え、スプリットイベントとみなす。ゼロレベルは、常にある程度の幅をもって揺らいでるため、スプリットスレッショルドが低すぎると、ゼロレベルの揺らぎを電荷の洩れ込みだと誤認してしまう。逆に高すぎると、電荷の洩れ込みをゼロレベルの揺らぎだと誤認してしまい、X線のエネルギー再現性が悪くなる。夏苅らは、高いエネルギー分解能と高い検出効率が両立するようにスプリットスレッショルドの値を最適化し、その値を HOC領域の標準偏差の 4倍とした [2, pp. 57∼58]。本論文でもスプリットスレッショルドの値は HOC領域の標準偏差の 4倍とした。

23

イベント中心から、周りの洩れ込んだ画素の位置によってグレード 0∼7に分類する。それぞれグレードごとに電荷を足しあわせて入射 X線のエネルギーを再現する。図 1.9にあすか衛星で使われた、ASCAグレード判定の位置関係を示す。

コーナーシングル+

(+離れたコーナー)




読みだし口は左下である

X線の入射位置

4ピクセルイベント



シングルイベント

split threshold以上でeventのPHに含むpixelsplit threshold以上でeventのPHに含まないpixel

L型スクウェア型

中性領域での吸収

右スプリット

左スプリット

縦スプリット

シングルGrade0

Grade7

Grade6

Grade5

Grade4

Grade3

Grade2

Grade1

Event threshold以上でlocal maximumなpixel

図 1.9: グレードの分類。グレード 0は 1画素イベント。グレード 2,3,4は 2画素イベント。グレード6は 3～4画素イベントである。

1.6 エネルギー分解能の決定要因

1.6.1 統計的揺らぎ

本論文では、エネルギー分解能とはスペクトルのピークの半値幅 (FWHM: Full Width at HalfMaximum)のことを指す。エネルギー E(eV)の X線が CCDに入射した場合を考える。発生した電子の数を N、その揺らぎを ∆N、電子の生成過程をすべて独立のポアソン過程と仮定する。Siの平

24

N =WSi

(1.10)

∆N =√

N =

√E

WSi(1.11)

となる。しかし、実際には電子の生成過程は独立ではなく、

∆N =√

NF =

√F

E

WSi(1.12)

となる。F はファノ因子で、物質固有の値である。Siの場合は F=0.12である。よって、エネルギー分解能は、ノイズなどその他の影響を無視すると、

∆E(FWHM) = 2.35 × WSi ×√

(∆N)2 [eV ] (1.13)

となる。この式から求まるエネルギー分解能は 6keVのX線に対して 120eVとなる。これが CCDのエネルギー分解能の理論的な限界値である。しかし、実際には様々なノイズ成分を考えなければならない。ノイズ成分を考慮した式は

∆E(FWHM) = 2.35 × WSi ×√

(∆N)2 + N2Noise1 + N2Noise2 + ... [eV ] (1.14)

となる。この CCDのエネルギー分解能に劣化をもたらすノイズは、その発生過程の違いにより、暗電流、縦転送ノイズ、読みだしノイズと呼ばれるものがある。また、信号電荷を転送する際、すべての電荷を転送できる訳ではなく、一画素転送する時に失う電子の割合、電荷転送非効率もエネルギー分解能を劣化させる要因となる。ここでは、ノイズの成因と定義について記述する。

1.6.2 暗電流

温度が 0でない場合、Si結晶中の価電子に熱エネルギーが与えられバンドギャップ (Siの場合、1.15eV)を越えて伝導帯に励起されることがある。この電子のことを暗電流と呼ぶ。暗電流は、X線による信号電荷と区別がつかないため、暗電流のばらつきはノイズとなる。暗電流発生の原因には、大きく分けて以下の三つが考えられる。

1. 空乏層内での媒介中心を介した熱励起2. 空乏化していない領域 (中性領域)からの熱励起電子の拡散3. Si-SiO2界面での表面準位を介した熱励起

いずれも熱励起のため、暗電流は温度に強く依存する。このうち 1、2についてはトラップと呼ばれる Siの禁制帯中でのエネルギー準位を介して励起されるものが支配的になる。電子は一度禁制帯中のエネルギー準位に励起されてから伝導帯に放出されるので、トラップのないときと比べ、電子の伝導体への励起確率は格段に大きくなる。トラップは Si結晶中の格子欠陥や金属不純物によってつくられる。この暗電流を減らすには低温での CCD駆動、バルク中のトラップを低減、つまり、金属不純物などのトラップを作る原因となるものを減らす必要がある。3について、Si-SiO2界面などの結晶表面では結晶格子が不規則に終端しているので、禁制帯中に極めて高密度 (∼ 1015cm−2)にエネルギー準位を作っている。このエネルギー準位を表面準位と呼ぶ。表面準位からの暗電流は、MPP動作によって低減することができる。暗電流を次のように定義する。

(暗電流) ≡ (Active領域のゼロピークの平均波高値) − (VOC領域の平均波高値)(露光時間)

×ゲイン3.65

[e−/画素/秒] (1.15)

25

ている。VOC領域には露光中の暗電流の蓄積がない。この二つ領域の平均波高値の差をとり、露光時間で割ることによって単位時間に発生した暗電流を定義する。ゲインを掛け Siの平均解離エネルギー 3.65で割っているのは、単位を電子数に換算するためである。また、エネルギー分解能を悪化させる暗電流のばらつきを以下のように定義する。

(暗電流のばらつき) ≡√

(Active領域のゼロピークの標準偏差)2 − (VOC領域の標準偏差)2

×ゲイン3.65

[e−] (1.16)

MPP動作

MPP(Multi Pinned Phase)動作は、反転動作とも呼ばれ、埋め込みチャネルCCDにおいて、電極下の N型 Siを反転状態にして駆動する動作である。この時酸化膜界面は、チャネルストップ領域から供給された正孔により、狭い反転層 (10～100Å)を形成している。そのポテンシャル構造を図 1.10に示す。酸化膜界面は基板と同じポテンシャルに固定 (Pinned)され、さらに電圧を負に印加しても反転状態のままで界面のポテンシャルも変化しなくなる。この様に正孔によって反転された状態では、表面準位を介して励起される暗電流の発生を抑制できる。これは、反転状態では価電子帯の自由な正孔の濃度が大きいため、表面準位を媒介中心とする再結合、発生過程で、正孔捕獲の確率が高くなる。このような状態では電子は表面準位へ励起されても正孔捕獲の確率が高いため、再び価電子帯に遷移し、伝導帯へ励起されにくくなる。

n-Si p-Si

SiO2

-V

Poly Si電極

空乏層中性領域

ポテンシャル

電子

基板

深さ

図 1.10: MPPモードでの CCDのポテンシャル

1.6.3 読み出しノイズ

読み出しノイズとは、読み出し口に転送された電子が電圧に変換され、ADCにより、デジタル信号に変換されるまでに発生するノイズのことで、いわば回路系に起因するノイズである。読み出しノイズの成因は、FDAに用いられるMOS-FETと、読み出す時の様々な回路に付随する浮遊容量によるものが大きい。読み出しノイズは、露光も縦転送も行われていないHOC領域の標準偏差から、次のように定義する。

(読み出しノイズ) ≡ (HOC領域の標準偏差) ×ゲイン3.65

[e−] (1.17)

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電荷転送非効率 (Charge Transfer Inefficiency : CTI)とは、信号電荷を一回転送する時に失われる電子の割合のことである。CTIには縦転送の CTIと横転送の CTIがある。我々の用いた CCDでは、CTIの値は∼ 10−6/転送であり、この値では、1000回転送しても失う電

子の割合は∼ 0.1％にすぎない。しかし、放射線損傷によりシリコンに格子欠陥ができ、禁制帯に新たなエネルギー準位 (トラップ)が作られると、転送電荷はそのエネルギー準位にトラッピングされてしまい転送効率が劣化する。その結果、CTIが増大する [1]。

1.7 露光時、横転送時の縦転送電極の電圧

1.7.1 様々な縦転送モード

CCDの有効画素領域には、電荷を縦転送するための電極 (P1V、P2V)が取り付けられており、P1V、P2Vに印加する電圧を変化させて縦転送を行う。しかし、露光時、横転送時に縦転送電極に印加する電圧は任意である。露光時、横転送時に縦転送電極に印加する電圧の組合せは表 1.1に示す 5通りあり、ハイハイモー

ド、ノン-MPPモード、スタンダード -MPPモード、エクステンデッド -MPPモード、フリップモードと呼ぶ。1.6.2で述べたように縦転送電極がローになっているときは Si-SiO2界面の表面準位起源の暗電流が抑制される。つまり、縦転送電極がローの時間が長いモードほど暗電流を低減できる。図1.11-a∼図 1.11-eはそれぞれ 5つのモードでの、露光が終わり、1回縦転送して横転送し始めたときの P1V、P2V、P1Hの波形である。

モード名露光時の縦転送電圧横転送時の縦転送電圧ハイハイハイハイノン-MPP ハイロースタンダード -MPP ローハイエクステンデッド -MPP ローローフリップハイ (周期的にロー) ロー

表 1.1: 縦転送モードと縦転送電圧の組合せ

1.7.2 フリップモード

1.2.2において、空乏層が電極に印加する電圧の平方根に比例して厚くなることを述べた。つまり、露光時に縦転送電極に印加する電圧をハイしておけば、空乏層が厚くなり、その結果として高い検出効率が期待できる。しかし、縦転送電極の電圧をハイにしておくと、Si-SiO2界面の表面準位からの暗電流を抑制できず、エネルギー分解能が悪化する。厚い空乏層と低い暗電流を同時に実現できるのが、フリップモードである。フリップモードでは、

露光時に縦転送電極をハイにして空乏層を厚くし、周期的にローにして表面準位からの暗電流を減らす。縦転送、横転送時には空乏層が厚い必要はないので、縦転送電極はローのままにして暗電流を抑制する。

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図 1.11-a: ハイハイモード。上から P1V、P2V、P1Hの波形

図 1.11-b: ノン-MPPモード。上から P1V、P2V、P1Hの波形

図 1.11-c: スタンダード -MPPモード。上から P1V、P2V、P1Hの波形

図 1.11-d: エクステンデッド -MPPモード。上から P1V、P2V、P1Hの波形

図 1.11-e: フリップモード。上から P1V、P2V、P1Hの波形

図 1.11: 各縦転送モードでの P1V、P2V、P1Hの波形

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1.8.1 電荷転送効率劣化のメカニズム

CCDに荷電粒子が入射すると、そのエネルギーのほとんどは電子正孔対生成に費やされるが、残りのわずかなエネルギーは Si原子と相互作用し、原子を結晶格子位置からずらすことによって、Si結晶に格子欠陥をつくる。格子欠陥はバンドギャップの禁制帯にエネルギー準位 (トラップ)をつくる。トラップは暗電流の増加と電荷転送効率の劣化を招く。トラップによる暗電流増加の原理は 1.6.2に述べた。トラップによる電荷転送効率の劣化のメカニズムを以下に述べる。空のトラップが信号電荷を捕らえるタイムスケール τc (sec) は

τc =1

σnvthns(1.18)

と書ける。σn(cm2)はトラップの電子に対する捕獲断面積、vth(cm sec−1)は電子の熱速度、ns(electroncm−3)は信号電荷の密度である。τ cはおおよそ ∼0.1µsecのオーダーで、一般的に用いている転送速度よりも十分小さく。よって空のトラップに信号電荷がくると、必ずトラップに捕まる。一方電荷を再放出するタイムスケール τe (sec)は次の式で表される。

τe =exp(ET /kT )

σnvthNC(1.19)

vthNC = 1.6 × 1021T 2 (1.20)

ET はトラップのエネルギー準位と価電子帯のエネルギー準位の差である。あるエネルギー準位のトラップに注目すると、τeの値は温度 Tによって指数関数的に支配される。トラップがー度電子を捕獲すると、温度が低い程再放出までの時間が長くなる。転送速度よりも電子再放出のタイムスケールが長い場合、トラップされた信号電荷が違う画素で放出することになり元の画素は電荷を失。その結果、電荷転送効率は劣化する。

1.8.2 電荷注入法とは

電荷注入法は画素に人工的に電荷を注入しトラップを注入電荷で埋めて、信号電荷がトラップに捕獲されるのを防ぐことによって、電荷転送効率の劣化を回復する方法である。図 1.12に注入した電荷がトラップを埋める模式図を示す。我が々用いているCCDには、受光面最上段に ISV、IG1V、IG2Vという電荷注入用の電極が並んで

いる。電荷注入法はいくつかの種類があるが、ここでは我が々用いているPE(Potential Equilibration)法を説明する。

IG1V、IG2Vには定電圧を与え電極下にポテンシャル井戸を形成する。IG1Vと IG2Vの電圧の組合せによって注入電荷量が決まる。ISVにはクロック電圧を与える。ISVの電圧がローになったとき電荷がポテンシャル井戸に注入され、ハイに戻ったとき余分な電荷を ISVに引き戻す。ISVをローにするタイミングを調整することによって電荷の注入頻度を制御することができる。図 1.13は、CCDの X軸方向に 100ラインに 1ラインの頻度で電荷を注入したときのイメージである。

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信号電荷トラップ注入電荷

時間

図 1.12: 注入電荷がトラップを埋める模式図 (Keith et al 1995)。

図 1.13: CCDのX軸方向に 100ラインに 1ラインの頻度で電荷を注入したときのイメージの拡大図。白い部分が波高値の高い画素。

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第2章 MAXI(Monitor of All-sky X-rayImage)

2.1 国際宇宙ステーション (ISS:International Space Station)国際宇宙ステーションはアメリカ、ヨーロッパ、日本、カナダ、ロシアの国際協力プロジェクトで

あり、2006年の完成を目指して現在組み立て、技術開発が進められている。組み立てにはスペースシャトルやロケットを用いて 40 数回に渡って打ち上げる必要がある。宇宙ステーションが完成すると常時 6～7人の搭乗員の滞在が可能で、6つの実験モジュールと 14ヶ

所の曝露実験ペイロード取り付け場所を有する巨大な軌道上実験施設になる。図 2.1に完成予想図、表 2.1に ISSの諸元を示す。

図 2.1: 国際宇宙ステーションの完成予想図 (NASDA ホームページより転載)

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寸法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 約 110m × 約 75m重量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 約 415トン総発電電力 (ロシア分以外) 75 kW全与圧部体積 . . . . . . . . . . . . . 1140m3

実験棟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 日本実験棟、米国実験棟、欧州実験棟ロシア研究棟 ×2 、セントリフュージ

曝露搭載物取り付け場所 . . トラス上 4ヶ所、 JEM曝露部 10ヶ所常時滞在搭乗員数 . . . . . . . . 7名 (組み立て期間中は 3名)軌道 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 円軌道 (高度 330～480km)で 1 周 90 分輸送手段 . . . . . . . . . . . . . . . . . スペースシャトル (米) 、アリアン 5(欧)

ソユーズ、プロトン等 (露) 、 H-IIA・HTV(日)

表 2.1: 国際宇宙ステーションの諸元

2.2 きぼう (JEM:Japanese Experiment Module)宇宙ステーションに日本が取りつける実験モジュールのことを JEM (Japanese Experiment Module;

愛称「きぼう」)という。JEMは日本では初めての有人施設で、最大 4名の宇宙飛行士が長期間活動できる。JEMは図 2.2に示すように、主に与圧部と曝露部という 2つの実験スペース、それぞれに付いている補給部、実験や作業に使用するマニピュレータの４つから成り立っている。与圧部は JEMの中心となる実験スペースで、宇宙飛行士が実験を行うことが出来る。主に微小重

力環境を利用した実験を行う。曝露部は宇宙ステーション外部で、常に宇宙空間にさらされているスペースであり、宇宙環境をそのまま実験に使用できる。曝露部の大きさは，およそ 6m×5m×4mで、重量は約 4000kg (打上時)である。曝露部実験ペイ

ロードを交換することで、いろいろな実験を行うことができる。曝露部は、軌道上で 10年間利用され、実験に必要な電力を供給したり、装置を冷却するための冷媒を循環させたり、実験データを収集したりすることで、曝露部実験ペイロードで実施される曝露実験のサポートを行う。曝露部は，曝露部結合機構（EFBM）を介して与圧部と結合して運用される。そして、装置交換機構 (EEU)を介して最大10 個の曝露部実験ペイロードを周囲に取り付けたり、補給部曝露区 (ELM-ES) や JEM衛星間通信システム (ICS)を取り付けることができる。標準的なペイロードとして、大きさ 1.85m×1.0m×0.8mで、重量は 500 kg程度である。この場所を使って、宇宙空間という特殊な環境を利用してできる様々な実験計画が予定されている。そのなかで曝露部の初期利用ミッションとしてMAXIが採択された。

2.3 MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image)

MAXIは宇宙開発事業団 (NASDA)、理化学研究所、大阪大学が中心になって開発を進めている全天Ｘ線監視装置で、2007年の打ち上げを目指している。地上からでは観測が困難な天体からのＸ線を宇宙空間で観測し、90分で地球を一周する国際宇宙ステーションの動きを利用して全天をモニターする。検出器としては 12台の比例計数管から構成されるGSC(Gas Slit Camera) と 2台の CCDカメラから構成される SSC (Solid-state Slit Camera)が搭載される。MAXI の構成図を図 2.3に示す。MAXI は GSC 、 SSC とそれぞれの周辺回路、SSC の冷却系、姿勢制御用の可視光カメラ (VSC)等からなる。

GSC と SSCはそれぞれスリットを用いて一次元方向のＸ線の到来方向を検出する。GSCは 1 台あたり 90◦ × 1 ∼ 2◦ の視野を持ち、3 台のカメラで若干重複した 180◦ × 1 ∼ 2◦ の視野をカバーする。SSCは 1 台あたり 45◦ × 1 ∼ 2◦ の視野をカバーする。宇宙ステーションの軌道上には、南太平

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図 2.2: JEM の外観 (NASDA ホームページより転載)

洋異常帯 (SAA) や高緯度帯の高バックグラウンド領域が存在し、そこでは観測を行わない予定である。一軌道で全天をスキャンしようとすると常に天空上のある領域が観測されないことになり、全天監視を実現できない。それを防ぐ為に水平方向と天頂方向の約 90◦ 離れた視野を持ち、お互いに観測領域をカバーしあうことで全天監視を実現するように設計した。進行方向の視野の角度は地球が視野の中に入らない様な角度に取り付けられる。図 2.4に MAXI の視野を示す。

GSC SSC

検出器一次元位置検出型比例計数管 CCD カメラ有効面積 (500cm2 × 2台) × 6 (25mm × 25mm) × 16chips × 2台

= 6000cm2 = 200cm2

視野 180◦× 1∼2◦ 90◦× 1∼2◦感度 2∼30keV 0.5∼10keV

表 2.2: GSC と SSC の性能

表 2.2 に GSC と SSC の性能を示す。SSC は GSC では観測できない低エネルギー領域での全天観測をこれまでにない広い視野と優れたエネルギー分解能で行う。GSC は SSC が感度を持たない高エネルギー領域を精度よく観測するために、エネルギー分解能よりも大面積を目指している。従って、SSCは GSC と組み合わせて、相補的に観測を進めることができる。

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図 2.3: MAXI の構成

2.4 SSC (Solid state Slit Camera)

SSC は、大阪大学と宇宙開発事業団、浜松ホトニクス社、明星電気、日本電気、Swales社で開発している。浜松ホトニクス社は CCDの素子の開発を行い、明星電気はセンサーのアセンブリと周辺回路の制作、日本電気はデータ処理系の開発、Swales社は冷却系の開発を担当する。

SSC で使用される素子の較正は大阪大学と宇宙開発事業団が共同で行う。大阪大学では主としてCCD 素子ごとの性能評価、特に低エネルギー側での応答関数の構築を行い、SSC カメラ全体としてのＸ線に対する応答、熱試験を宇宙開発事業団が担当する。

SSCは軌道上で放射冷却と電子冷却 (ペルチェクーラー) を組み合わせて冷却される。打ち上がった当初は、ラジエーターの性能が十分発揮され −70℃ 程度まで冷却できるはずだが、与圧部やスペースシャトルからの水や氷の噴射の影響で、特に温度の低いラジエーターは汚染が進むことが考えられる。しかし、現段階でラジエーターへの汚染の予測が難しく、ミッションの後半でどの程度まで低い温度で制御できるかの予測は難しいが、ミッション開始から 2年後で −50℃ 程度になると見積もられている。

SSC の外観図を図 2.5 に示す。前面にリン青銅のコリメーターを配置し、一次元方向のＸ線の入射位置を検出する。図 2.5の底面に 16 個の CCD 素子を凋密に図 2.6 のように並べる。

CCD の動作としては一次元方向のみの位置検出が必要であるため、P-sumモード (1.3.2を参照)を採用する。縦の加算ライン数はコマンドで切り替えられるようになっている。

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図 2.4: MAXI の視野

図 2.5: SSC の外観図

CCD

図 2.6: 図 2.5の底面に CCD 素子が 16個並べられる。

2.4.1 SSC のエンジニアリングモデル

CCD 素子のエンジニアリングモデルを図 2.7 に示した。この素子を組み込んだ SSC カメラのエンジニアリングモデルも現在製作が行われている。図 2.8に製作途中の SSC のエンジニアリングモデルを示した。図 2.8で上に見えるのが各 CCD 素子に取りつけられるペルチェクーラーである。浜松ホトニクス社では CCDにペルチェクーラーを取りつけた状態で納品され、その素子を明星電気で組み上げる。

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図 2.7: CCDのエンジニアリングモデル。2 本のケーブルはペルチェクーラーに電流を供給するためである。

TEC

CCD

図 2.8: SSCカメラと TECのエンジニアリングモデル。現在は CCD 素子が 1つ配置されている。

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第3章 CCD素子性能評価実験システムの概要

この章では CCD素子性能評価実験システムについて述べる。4章と 5章の性能評価実験は、全てこの章で述べる装置を用いて行った。6章の性能評価実験もほぼこの章で述べる装置を用いたが、6章で新たに用いた装置については 6.1で述べる。

3.1 真空機器、冷却機器CCDは暗電流を低減するため冷却して駆動させる。冷却の際、空気中の水蒸気が CCDの表面に

凝結しないようチェンバーを真空にして CCDを冷却する。真空度は水の飽和蒸気圧以下であることを目安にした。表 3.1に水のある温度における飽和蒸気圧を示す [10, pp. 157]。

温度 [℃] −101 −90 −76 −60 −42 −20飽和蒸気圧 [torr] 7.4×10−6 7.4×10−5 7.4 ×10−4 7.4×10−3 7.4×10−2 7.4×10−1

表 3.1: 水の温度と飽和蒸気圧

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国際宇宙ステーション搭載MAXI - Osaka University...概要 MAXI(Monitor of All-sky X-ray Image)とは、国際宇宙ステーションに搭載する全天X線監視装 置である。我々は、宇宙開発事業団と協力してMAXIに搭載するX線CCDカメラ(SSC)の開発を

国際宇宙ステーション搭載MAXI - Osaka University...概要 MAXI(Monitor of All-sky X-ray Image)とは、国際宇宙ステーションに搭載する全天X線監視装置である。我々は、宇宙開発事業団と協力してMAXIに搭載するX線CCDカメラ(SSC)の開発を