全天 X 線監視装置（ MAXI ）搭載用 CCD...

全天全天 XX 線監視装置（線監視装置（ MAXMAXII ）搭載用）搭載用 CCDCCD カメラのエカメラのエンジニアリングモデルの性ンジニアリングモデルの性

能評価能評価冨田洋、片山晴善、松岡勝冨田洋、片山晴善、松岡勝

（（ JAXAJAXA ））常深博、宮田恵美（大阪大学）常深博、宮田恵美（大阪大学）

これまでの CCD カメラと MAXI の CCD カメラ

MAXI 用 CCD カメラの開発の流れ

MAXI 用 CCD カメラの現状

X 線 CCD とこれまでの CCD カメラ

CCD の特徴（ photon counting ）

エネルギー分解能、位置分解能、時間分解能のどれをとっても欠点なくバランスの取れたデバイス。

ASCA/SIS で初めて X 線天文に登場後、望遠鏡の焦点面検出器として標準的な地位を得る。

　　これまでの宇宙用 X 線 CCD カメラ　　　　　 (photon counting)

Mission / camera year 素子数

ASCA / SIS 1993 8Chandra / ACIS 1999 10XMM-Newton / EPIC 1999 MOS 14 PN 1 HETE-II / SXC 2001 　 2Swift / XRT 2004 　 1Hayabusa / XRS 2003 　 5ASTROE / XIS 2005 　 4MAXI / SSC 2008 　 32

Chandra の CCDカメラ で見たSNR 　

http://chandra.harvard.edu/photo/　より

MAXIMAXI 用用 CCDCCD カメラの特徴カメラの特徴 浜ホト浜ホト

CCDCCD （（ 24x24um24x24um 、、 1024x10241024x1024 ピクピクセル）搭載セル）搭載

0.5-12keV0.5-12keV に感度に感度 １６素子　ｘ　２　カメラ　（３２素１６素子　ｘ　２　カメラ　（３２素

子）　 有効面積２００ｃｍ子）　 有効面積２００ｃｍ２２

ペルチェ素子とラジエター＋ヒートパペルチェ素子とラジエター＋ヒートパイプシステムパイプで冷却 （目標イプシステムパイプで冷却 （目標 --60℃60℃ 以下）以下）

８８ usec/pixelusec/pixel で読み出し。で読み出し。 縦方向加算読み出し（縦方向加算読み出し（ P-sumP-sum モーモー

ド）ド） 11 カメラ（カメラ（ 1616 素子）で読み出しは素子）で読み出しは 11 つつ 駆動電圧は１カメラで共通駆動電圧は１カメラで共通 電荷注入可能（耐放射線性向上）電荷注入可能（耐放射線性向上） 暗電流低減モードをサポート暗電流低減モードをサポート コリメータ＋スリットをカメラに内蔵コリメータ＋スリットをカメラに内蔵

CCD カメラ完成予想図

断熱足

スリット

CCD

アルミブロック

　　 MAXI の CCD カメラでは

低エネルギー領域でのモニター

CCD で初の全天サーベイ

浜ホト CCD 　　　　　　　表面アルミコート

２５ｍｍコリメータシート

EM カメラ内部 CCD アレイ

カメラ内に組み込まれる　　黒クロムメッキ済み

可視光反射対策でカメラ表面は黒色加工。マルチプレクサで駆動、読み出し CCD を切り替え。カメラ全体が -20℃ 程度に冷却される。校正源（ Fe55 ） 内蔵

２５ｃｍ

プリアンプ基板

マルチプレクサ基板

CCDCCD とカメとカメララ

CCDCCD カメラ開発カメラ開発

　　　　　　　 CCD 素子

素子は１９９０年代前半から阪大、京大、浜松ホトニクスで研究開発。

MAXI 用 CCD の開発、製造、評価（スクリーニング）は終了（大阪大学）。 Bad pixel ほとんどなし。読み出しノイズ 10e 以下

放射線試験も終了

　　　　　カメラ（回路）

EM の評価中。 1 ヶ月以内に FM設計を終える

今後 2 年で FM 製作、評価、試験を行う。

その他　：　機上ソフトウェア、コリメータは FM 設計済み

EMEM カメラの性能評価カメラの性能評価 １６１６ CCDCCD を搭載。を搭載。 FMFM と同じ（スクリーニング落と同じ（スクリーニング落ち）ち） CCDCCD はは 88個。残り個。残り 88個は個は EM-CCDEM-CCD 。。

カメラを真空チャンバー内で冷却 （カメラを真空チャンバー内で冷却 （ -20℃-20℃ ）。ペ）。ペルチェで さらにルチェで さらに -- ６６ 0℃0℃へ。へ。

　　　　　　評価内容評価内容 暗電流低減モードの確認暗電流低減モードの確認 電荷注入が可能か？電荷注入が可能か？ EMEM カメラでのカメラでの FMFM型型

CCDCCD の評価の評価

CCD カメラ（ EM ）をチャンバーにマウントした図

低暗電流モー低暗電流モードド

暗電

流ノ

イズ

暗電

流

Flip mode OFF ON

高い検出効率をえるための厚い空乏層がほしいので正バイアスが必須

低暗電流（とくに Si-SiO ２

境界）を得るためにはinversion( つまり負バイアス )が良い。

時間

暗電流が定常に流れるまでには100msec 以上の時間が必要。

基本的に正バイアスをかけ、周期的（ 100msec ）に短い時間(10msec)だけ負バイアスにすればいい。

CCD単体では確認済み

電流、ノイズともに 10%以下に低減された！！

温度で １０℃程度に相当

運用では標準で使用予定

電荷注入・電荷注入・ CCDCCD スペクトスペクトル・他ル・他

電荷を注入しすぎて通常ピクセルにまで電荷があふれすぎた場合のイメージ

電荷注入

電荷は問題なく注入されることを確認した。

Mn-k X 線スペクトル放射線性能劣化による電荷の吸い込

み口を X 線信号以外の電荷で埋めてしまう　（ Tomida et al 1996 ）

駆動電荷を最適化すれば 150eV はクリア

　　　　　　　問題点　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ゲインが大きく取れない。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　全１６ CCDだと負荷容量が予想より大きい。　　　　　　　　　　　　解析方法（レスポンス）確立　　　　　　　　　　　　など

まとめまとめ

EMEM カメラ（回路）＋カメラ（回路）＋ FMFM型型 CCDCCD の組みの組み合わせでエネルギー分解能１４６合わせでエネルギー分解能１４６eV@5.9keVeV@5.9keV を達成を達成

暗電流低減モード、電荷注入も行えるこ暗電流低減モード、電荷注入も行えることを確認した。とを確認した。

コリメータ、機上ソフトも設計コリメータ、機上ソフトも設計 FIXFIX 。。今後今後 1616 素子で性能を出し、素子で性能を出し、 FMFM を製作すを製作す

る。る。