Ｘ線ＣＣＤ素子のプロトン照射実験

•Ｘ線ＣＣＤの放射線損傷•プロトン照射実験–損傷のプロトンエネルギー依存性–放射線耐性を高めたＣＣＤの評価

•照射後ＣＣＤの回復法

２００２ 年 ２月７日

鎌塚　友幸

我々の研究室では、衛星搭載用Ｘ線ＣＣＤの　　研究開発を行っている。

ＣＣＤの構造

ＭＯＳ構造の半導体検出器

画素を２次元に配列した構造

画素数：１０２４ ×１０２４

画素サイズ：２４ μｍ

Ｘ線が入射し、各画素で発生した　　信号電荷を順次転送し読み出すことによって撮像を行う。

転送方向ＣＣＤの画素

Ｘ線光子

ＣＣＤの電荷転送（模式図）

電子

荷電子帯

伝導帯

放射線と半導体との相互作用

バンドギャップにエネルギー準位（トラップ）を生成

電荷転送効率の劣化

エネルギー分解能の劣化

宇宙には様々な放射線が存在する

バルク損傷（格子欠陥の生成）

トラップ1.15eV

トラップがある時の電荷転送トラップ

放射線照射前後のＣＣＤの性能ＣＴＩ（電荷転送非効率）＝電荷を一画素転送する毎に失う電荷の割合 照射前

ＣＣＤの性能評価には５５ＦｅからのＸ線（５ .９ｋｅＶ，６ .４ｋｅＶ）を使用

放射線照射後は、転送回数が増えるに伴い信号波高値が低くなっている

０ ２５０ ５００転送回数

５ ６エネルギー（ｋｅ

Ｖ）

ＭｎＫ α （５ .９ｋｅＶ）

ＭｎＫ β （６ .４ｋｅＶ）

７ＣＴＩ＝１ .７ ×

１０－６０ ２５０ ５００転送回数 エネルギー（ｋｅ

Ｖ）

５ ６ ７

ＣＴＩ＝１ .１ ×１０－４

照射後

エネルギー（ｋｅＶ）

５ ７６

照射前

プロトン照射実験

• 電荷転送効率劣化のプロトンエネルギー　依存性– １７１ｋｅＶ，２９２ｋｅＶ，３９１ｋｅＶ，５２２ｋｅ

Ｖ，２ . ０ＭｅＶ，３ . ９ＭｅＶの６種を照射

• 放射線耐性を高めたＣＣＤの評価

プロトン照射には、大阪大学理学部のバンデグラフ型加速器を使用した。

宇宙空間でのＣＣＤの放射線耐性を調べるため　　　プロトン照射を行い、以下の項目について測定した

衛星に搭載されたＣＣＤの放射線損傷には　　　　プロトンが大きく寄与している事が知られている

転送効率劣化のプロトンエネルギー依存性

•１７１ｋｅＶは劣化への寄与は　小さい。

•２９２ｋｅＶにエネルギーが上がると、ＣＴＩが一桁以上増加する。３９１ｋｅＶでも同程度の増加である。

•５２２ｋｅＶまでエネルギーを上げると、ＣＴＩが有意に低くなっている。

•２ . ０ＭｅＶ，３ . ９ＭｅＶは、劣化への寄与は小さい

３００～４００ｋｅＶのプロトンが　　　　　　転送効率を最も劣化させる。

ＣＴ

Ｉ

照射量によるＣＣＤ性能の変化

ＣＴＩ増加への寄与が　最も大きい２９２ｋｅＶのプロトン照射時の変化

照射量が増すに伴い　　エネルギー分解能が

　　劣化する

照射前 １．０ ×１０７　ｐ /ｃｍ２

１．１ ×１０８　ｐ /ｃｍ２

３．３ ×１０７　ｐ /ｃｍ２

０ ２５０ ５００転送回数

２５０ ５０００転送回数

０ ２５０ ５００転送回数

０ ２５０ ５００転送回数

エネルギー（ｋｅＶ）

７５３

ΔＥ＝２９４ｅＶ

エネルギー（ｋｅＶ）

７５３

ΔＥ＝１４８０ｅＶ

７５３エネルギー（ｋ

ｅＶ）

ΔＥ＝１４６ｅＶ

５３エネルギー（ｋ

ｅＶ）

７

ΔＥ＝７７８ｅＶ

プロトンのエネルギー損失の　　　　　　　　　　シミュレーション

Ｓｉ中でのプロトンのブラッグ曲線

ＣＣＤ表面から深さ２～４ μｍでのエネルギー損失が大きい

３００～４００ｋｅＶのプロトンが転送効率劣化に大きく寄与

電荷転送経路での損傷が転送効率劣化に最も寄与

放射線耐性を高めたＣＣＤ

•ノッチありＣＣＤ画素の一部に電荷転送経路を制限し、転送電荷がトラップに　捕獲される確率をへらしたＣＣＤ

トラップ

ノッチ無し

ノッチあり

信号電荷　

電荷転送効率の劣化を抑える効果が期待できる

１画素

ノッチの有無の比較

ＣＴＩが～１０－４以上になると有意にノッチの効果が発揮される

２９２ｋｅＶプロトンを照射

黒：ノッチなし

赤：ノッチあり

性能回復法

１００ライン

１００ライン

縦転送

横転送

電荷注入時のＣＣＤのイメージ•アニーリング

•電荷注入

注入電荷でトラップを埋める。

電荷転送効率の回復が期待できる。

電荷注入有無の比較

電荷注入によりＣＴＩが半減する

３９１ｋｅＶプロトンを照射•黒：電荷注入な

し

•赤：電荷注入あり

電荷注入の効果

ＣＴＩ ΔＥ（@５ . ９ｋｅＶ )

照射前 １ . ７ ×１０－６ １４９ｋｅＶ照射後 ５ . ７ ×１０－４ １４６１ｋｅＶ

電荷注入 ６ . ７ ×１０－５ ３６４ｋｅＶ

電荷注入あり

７５エネルギー（ｋｅ

Ｖ）

３

照射後

３ ５ ７エネルギー（ｋｅ

Ｖ）

照射前

３ ５ ７エネルギー（ｋｅ

Ｖ）

まとめ• 各種プロトン照射に対するＣＣＤの評価

– ３００～４００ｋｅＶのプロトンが転送効率を大きく劣化　させた。

– 電荷転送経路（ＣＣＤの表面下２～４ μｍ）での　　　損傷が転送効率の劣化に寄与する事が判った。

• 放射線耐性を高めたＣＣＤの評価– ノッチありＣＣＤにおいてＣＴＩが１ ×１０－４以上

では　転送効率の劣化を軽減する効果を確認した。• 性能回復方法の確立

– 電荷注入法により転送効率を一桁回復させた。– ５ . ９ｋｅＶのＸ線に対するエネルギー分解能で、　

　　　１４６０ｅＶから３６０ｅＶまで回復させた。

トラップを埋めた時の電荷転送注入電荷

信号電荷