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Ｘ線ＣＣＤ素子のプロトン照射実験

Ｘ線ＣＣＤ素子のプロトン照射実験. 鎌塚　友幸. ２００２ 年 ２月７日. 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. 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 μ ｍ. 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。. ＣＣＤの画素. 転送方向. ＣＣＤの電荷転送（模式図）.

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Ｘ線ＣＣＤ素子のプロトン照射実験

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Presentation Transcript

  1. Ｘ線ＣＣＤ素子のプロトン照射実験 鎌塚　友幸 ２００２ 年 ２月７日 • 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

  2. 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。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：２４μｍ 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。

  3. ＣＣＤの画素 転送方向 ＣＣＤの電荷転送（模式図） Ｘ線光子

  4. 宇宙には様々な放射線が存在する 放射線と半導体との相互作用 バルク損傷（格子欠陥の生成） バンドギャップにエネルギー準位（トラップ）を生成 伝導帯 電荷転送効率の劣化 トラップ 1.15eV 電子 エネルギー分解能の劣化 荷電子帯

  5. トラップがある時の電荷転送 トラップ

  6. 照射前 ＭｎＫβ（６.４ｋｅＶ） 照射後 ＭｎＫα（５.９ｋｅＶ） 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 ＣＴＩ＝１.１×１０－４ ＣＴＩ＝１.７×１０－６ ６ ７ ５ ０ ５００ ２５０ ５ ６ ７ エネルギー（ｋｅＶ） ６ ５００ ０ ７ ５ ２５０ 転送回数 エネルギー（ｋｅＶ） 転送回数 エネルギー（ｋｅＶ） 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

  7. プロトン照射実験 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 • 電荷転送効率劣化のプロトンエネルギー　依存性 • １７１ｋｅＶ，２９２ｋｅＶ，３９１ｋｅＶ，５２２ｋｅＶ，２.０ＭｅＶ，３.９ＭｅＶの６種を照射 • 放射線耐性を高めたＣＣＤの評価 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 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。

  8. 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 ＣＴＩ ３００～４００ｋｅＶのプロトンが　　　　　　転送効率を最も劣化させる。

  9. ΔＥ＝１４６ｅＶ ΔＥ＝７７８ｅＶ ３ ５ ７ エネルギー（ｋｅＶ） ５ ３ ７ エネルギー（ｋｅＶ） ΔＥ＝２９４ｅＶ ΔＥ＝１４８０ｅＶ ３ ５ ７ エネルギー（ｋｅＶ） ３ ５ ７ エネルギー（ｋｅＶ） 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 照射前 １．０×１０７　ｐ/ｃｍ２ ０ ５００ ２５０ ０ ２５０ ５００ 転送回数 転送回数 照射量が増すに伴い　　エネルギー分解能が　　劣化する ３．３×１０７　ｐ/ｃｍ２ １．１×１０８　ｐ/ｃｍ２ ５００ ０ ２５０ ０ ２５０ ５００ 転送回数 転送回数

  10. プロトンのエネルギー損失の　　　　　　　　　　シミュレーション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 ３００～４００ｋｅＶのプロトンが転送効率劣化に大きく寄与 ＣＣＤ表面から深さ２～４μｍでのエネルギー損失が大きい 電荷転送経路での損傷が転送効率劣化に最も寄与

  11. 放射線耐性を高めたＣＣＤ ノッチ無し ノッチあり • 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 １画素 電荷転送効率の劣化を抑える効果が期待できる トラップ 信号電荷

  12. ノッチの有無の比較 ２９２ｋｅＶプロトンを照射 黒：ノッチなし 赤：ノッチあり 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

  13. 電荷注入時のＣＣＤのイメージ １００ライン 縦転送 １００ライン 横転送 性能回復法 • 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。

  14. 電荷注入有無の比較 ３９１ｋｅＶプロトンを照射 • 黒：電荷注入なし • 赤：電荷注入あり 電荷注入によりＣＴＩが半減する

  15. 照射後 照射前 電荷注入あり ３ ５ ７ ７ ３ ５ ３ ７ ５ エネルギー（ｋｅＶ） エネルギー（ｋｅＶ） エネルギー（ｋｅＶ） 電荷注入の効果

  16. 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２～４μｍ）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。

  17. トラップを埋めた時の電荷転送 注入電荷 信号電荷

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