[論文レビュー] The Soft X-ray Imager (SXI) aboard Hitomi (ASTRO-H)

Takaaki Tanaka, Hiroyuki Uchida+26 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 10被引用数 1

ひとこと要約

Hitomi（ASTRO-H）搭載のソフトX線イメージャー（SXI）は、31×31 mm²の視野と38′×38′ FoVを有するCCDベースのイメージングスペクトロメーターであり、0.4–12 keVのエネルギー範囲で動作する。エネルギー分解能は161–170 eV FWHMを達成し、低温動作と電荷注入を用いて電荷転送不効率（CTI）を低減する。位置依存のCTI補正手法と、光学光を遮断する強化されたアルミニウム被膜を採用している。

ABSTRACT

The Soft X-ray Imager (SXI) is an imaging spectrometer using charge-coupled devices (CCDs) aboard the Hitomi X-ray observatory. The SXI sensor has four CCDs with an imaging area size of $31~{ m mm} imes 31~{ m mm}$ arranged in a $2 imes 2$ array. Combined with the X-ray mirror, the Soft X-ray Telescope, the SXI detects X-rays between $0.4~{ m keV}$ to $12~{ m keV}$ and covers a $38^{\prime} imes 38^{\prime}$ field-of-view. The CCDs are P-channel fully-depleted, back-illumination type with a depletion layer thickness of $200~\mu{ m m}$. Low operation temperature down to $-120~^\circ{ m C}$ as well as charge injection is employed to reduce the charge transfer inefficiency of the CCDs. The functionality and performance of the SXI are verified in on-ground tests. The energy resolution measured is $161$-$170~{ m eV}$ in full width at half maximum for $5.9~{ m keV}$ X-rays. In the tests, we found that the CTI of some regions are significantly higher. A method is developed to properly treat the position-dependent CTI. Another problem we found is pinholes in the Al coating on the incident surface of the CCDs for optical light blocking. The Al thickness of the contamination blocking filter is increased in order to sufficiently block optical light.

研究の動機と目的

• 完全にドーピングされたバックライトインジケートCCDを用いて、HitomiX線望遠鏡用の高分解能ソフトX線イメージングスペクトロメーターを開発すること。
• 宇宙用X線機器に用いられるCCDにおける放射線損傷に起因する電荷転送不効率（CTI）を是正すること。
• CCD表面にアルミニウム被膜の厚さを増加させることで、光学光の効果的な遮断を確保すること。
• 打ち上げ前の段階で地上試験を通じてSXI機器の性能を検証すること。
• 0.4–12 keVのエネルギー範囲において、天体的X線源の高精度なエネルギー分光およびイメージングを可能にすること。

提案手法

• X線検出効率を向上させるために、200 µmのデプレーション層厚さを持つ4つのPチャネル、完全にドーピングされたバックライトインジケートCCDを用いる。
• 電荷転送不効率（CTI）を低減し、電荷収集を改善するために、CCDを−120 °Cで動作させる。
• 運用中のCCDにおけるCTI効果を緩和するために、電荷注入技術を適用する。
• CCDアレイ全体におけるCTIの空間的変動を考慮するため、位置依存のCTI補正手法を開発する。
• 光学光の遮断と汚染防止のため、CCD入射面にアルミニウム被膜の厚さを増加させる。
• X線ミラー系とSXIを統合することで、38′×38′の視野と0.4–12 keVのエネルギー応答を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙用X線機器に用いられる完全にドーピングされたCCDにおける低温動作と電荷注入は、電荷転送不効率（CTI）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 地上試験条件下で5.9 keV X線に対するSXI機器のエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ3 CCDアレイ全体にわたるCTIの空間的変動はどの程度で、位置依存キャリブレーション手法によって効果的に補正可能か？
• RQ4 光学光を十分に遮断するためには、アルミニウム被膜の厚さをどの程度にすればよいか？
• RQ5 アルミニウム被膜に存在するピンホールは機器性能にどのように影響を及ぼし、効果的な緩和策は何か？

主な発見

• SXIは、地上試験において5.9 keV X線に対して161–170 eVの全幅半最大（FWHM）エネルギー分解能を達成した。
• 特に一部のCCD領域において顕著なCTIの空間的変動が観測された。
• 位置依存のCTI補正手法が成功裏に開発・検証され、分光的忠実性の向上が達成された。
• アルミニウム光学遮断フィルターにピンホールが検出され、不要な光がCCDに到達する可能性があった。
• 完全な光学光遮断と検出器の汚染防止を確保するため、アルミニウム被膜の厚さが増加された。
• 地上試験におけるSXI全体の性能、特にエネルギー分解能と視野は、設計仕様を満たした。