「すざく」搭載 XISのバックグラウンド

――シミュレーションによる起源の解明

○穴田貴康、堂谷忠靖、尾崎正伸、村上弘志、

平賀純子、市川喜徳、村澤哲（宇宙研）他、「すざく」ＸＩＳチーム

目次

ＸＩＳを再現するバックグラウンドシミュレーション

ＸＩＳの実データとの比較 バックグラウンド発生機構 まとめ

本研究の目的これからの X線天文学

銀河団などの広がった天体の観測→バックグラウンドの不定性の影響大

硬 X線領域における非熱的放射の観測→べき乗で減少するスペクトル、バックグラウンドはほぼフラット　→相対的にバックグラウンドが卓越

バックグラウンドの影響の低減が必要

バックグラウンドの発生機構をモデル化することが不可欠

バックグラウンドスペクトル

典型的な天体からの X線スペクトル

エネルギー (keV)

モンテカルロシミュレーションによりバックグラウンドを再現し、発生機構を調べる。

シミュレーションの流れ1. 検出器モデルを用意2. 宇宙環境における宇宙線を模擬した粒子を打ち込み、相互作用をシミュレート

3.　 CCD内に入射した粒子が作った電子の拡散をシミュレート、実際にXISで行われているイベント抽出を行う（シミュレータ： Geant4）

1. 2. 3.

２．検出器モデルに打ち込む粒子

• 宇宙線環境を模擬したモデル←すでに構築済みのものを使用

• 衛星高度（～ 600km）で予想される宇宙線環境

• 等方的と仮定（ただし視野方向のＸ線は除く）

• cut-off rigidityは 8.4GV

宇宙 X線(10keV- 6MeV)

宇宙線電子（ 100keV – 200GeV）

宇宙線陽子(30MeV – 200GeV)

打ち込む宇宙線スペクトル

１．検出器モデル（ハウジング）

穴あき球殻モデル

XISモデル

•　視野方向に穴•　物質配置は単純化　（ Alの内側に　　金のコーティング）

•　物質配置を細かく再現•　計算時間がかかる

計算速度 正確さ

XISモデル △ ◎

球殻モデル ○ ○

XISと同じ 10g/cm2 　の厚み質量が同じになるような体積XISと同じ 10g/cm2　の厚み質量が同じになるような体積

３． CCD内部における電荷拡散モデル今まで：　 CCDの中性領域の電荷拡散は考えていなかった

（ 2004年度　狐塚修論）今回　：　中性領域における電荷拡散と再結合も盛り込み、より現実に即したシミュレーションを行った　

軌跡に沿って電子を発生等方的に拡散

ドリフト

X線FI

70m

545m

集めた電荷は格子状に区切った面積でカウントアップし、イベント抽出

荷電粒子

CCDに入射した陽子が作るイメージ

（ CCDに 1GeVの陽子を打ち込んだときに作ったイメージ）

FISimulation

FIReal

BIReal

BISimulation

シミュレーション 実データ

イメージはよく再

現

絶対フラックスの比較• 5ksec(～ 600フレーム )相当の粒子を打ち込んだ。

実データ：　　　　　 30個 /フレームシミュレーション：　 70個 /フレームファクター 2程度の違いで再現•　衛星搭載機器による遮蔽の効果

•　地球上空の荷電粒子バックグラウンドの場所依存性を無視

•　実データ：　陽子が CCDに進入　→　大きく広がったイメージ

本シミュレーションで検出器モデル (CCD+ハウジング )に打ち込まれた粒子数

X線：～ 1.6×108 　　電子：～ 3.1×106 陽子：～ 3.5×106

→シミュレーションのスペクトルを陽子起源イベント数でスケーリング

CCDに進入した陽子の数で比較

スペクトル比較非 X線グレード

X線グレード（擬似 X線イベント）

ＦＩ：　全領域ＢＩ：　 4keV以上でよく再現非 X 線グレードのスペクトルを再現したのは本研究が初めて

連続成分の形を全領域でよく再現

青：　実データ赤：　シミュレーション

FI

FI

BI

BI

Ｘ線グレードを作ったＣＣＤ進入粒子 (バックグラウンド粒子 )の種類

電子 1029 (64%)

X線 462 (28%)

その他（陽子等）

133 (8%)

電子 6033 (81%)

X線 662 (9%)

その他（陽子等）

720 (10%)

FI BI

バックグラウンド粒子としてはともに電子が主要成分

不感層は除く

電子X線その他（陽子等）

電子X線その他（陽子等）

1029(64%)

462(28%)

133(8%)

6033(81%)

662(9%)

720(10%)

このバックグラウンド電子について1. 発生場所2. 作った宇宙線粒子 を調べる。

バックグラウンド電子の起源

宇宙線陽子 宇宙線陽子

電子

電子

22%

21%

36%

FI

陽子が空乏層で電離により作った電子がそのままバックグラウンドになるのではなく、いったん外に出て再進入したものがバックグラウンドとなる。

バックグラウンド電子の起源

宇宙線陽子

電子61%

25%

BI宇宙線電子

狐塚修論との結果の違い（バックグラウンドを作る粒子）

X線

コンプトン散乱

電子

狐塚修論 本シミュレーション

空乏層でコンプトン散乱されるＸ線が主成分

空乏層で電離する電子が主成分

結果の違いを生んだ要因•　 CCDの空乏層厚が異なる（前： 30m 今： 70m）•　 CCD内部での電荷検出過程をより現実に即したモデルに改良した

→　今後、原因究明が必要。

まとめ　ＣＣＤ内部の電荷拡散をモデル化

連続成分スペクトルの形をほぼ再現非Ｘ線グレードスペクトル：

ＦＩ：全領域　ＢＩ： 4keV以上X線グレードスペクトル：

全領域 X線グレードの起源を解明バックグラウンド粒子

FI:　電子が 6～ 7割BI:　電子が 8割

バックグラウンド電子をつくる宇宙線FI:　宇宙線陽子が 8割　BI:　宇宙線陽子が 6割

宇宙線電子が 3割

今後の課題• シミュレーション結果の詳細な解析

– バックグラウンド電子の発生プロセスの解析– バックグラウンド電子以外の成分

• シミュレーションの改良– 不感層の電場を考慮に入れる– Cut-off rigidity依存性を調べる– 蓄積領域のバックグラウンドの再現– バックグラウンド低減策の検討

• BI:　磁場をかけるのが効果的• FI: 不感層を薄くする