[논문 리뷰] The Soft X-ray Imager (SXI) aboard Hitomi (ASTRO-H)

Takaaki Tanaka, Hiroyuki Uchida외 26명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 22.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 10인용 수 1

한 줄 요약

히타미(ASTRO-H)의 소프트 X선 이미저(SXI)는 31×31 mm² 시야와 38′×38′ FoV를 가지며, 0.4–12 keV 범위에서 작동하는 CCD 기반의 영상 분광계이다. 에너지 해상도는 FWHM 기준 161–170 eV를 달성하며, 저온 작동과 전하 주입을 통해 전하 이송 비효율성(CTI)을 완화하고, 위치에 따라 달라지는 CTI를 보정하는 방법을 개발하였으며, 광학적 빛을 차단하기 위해 강화된 알루미늄 코팅을 적용하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 완전 탈구역(back-illuminated) CCD를 사용하여 히타미 X선 천체망원경을 위한 고해상도 소프트 X선 영상 분광계를 개발하기 위해.
• 특히 CTI가 높은 영역에서 발생하는 방사선 손상으로 인한 CCD 내 전하 이송 비효율성(CTI)을 해결하기 위해.
• CCD 표면에 알루미늄 코팅 두께를 증가시켜 광학적 빛의 효과적인 차단을 보장하기 위해.
• 발사 전 지상 시험을 통해 SXI 기구의 성능을 검증하기 위해.
• 0.4–12 keV 범위에서 천체 물리적 X선 소스의 정밀 에너지 분광학 및 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• X선 탐지 효율을 향상시키기 위해 200 µm 탈구역 두께를 가진 4개의 P채널, 완전 탈구역, 백면 조명 CCD를 사용하기 위해.
• 전하 이송 비효율성(CTI)을 감소시키고 전하 수집을 향상시키기 위해 CCD를 −120 °C에서 작동시키기 위해.
• 운영 중인 CCD 내 CTI 영향을 완화하기 위해 전하 주입 기법을 적용하기 위해.
• CCD 어레이 전역의 CTI 공간적 변동성을 고려하기 위해 위치에 따라 달라지는 CTI 보정 방법을 개발하기 위해.
• 광학적 빛을 차단하고 오염을 방지하기 위해 CCD 입사면의 알루미늄 코팅 두께를 증가시키기 위해.
• X선 렌즈 시스템과 SXI를 통합하여 38′×38′ 시야와 0.4–12 keV 에너지 반응을 달성하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 기반 X선 기구에서 사용되는 완전 탈구역 CCD에서 저온 작동과 전하 주입이 전하 이송 비효율성(CTI)에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 지상 시험 조건에서 5.9 keV X선에 대해 SXI 기구의 에너지 해상도는 얼마인가?
• RQ3 CCD 어레이 전역에서 CTI는 얼마나 공간적으로 다양하게 나타나며, 위치에 따라 달라지는 校정 방법을 통해 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ4 X선 반응을 떨어뜨리지 않으면서도 충분히 광학적 빛을 차단할 수 있는 알루미늄 코팅 두께는 얼마인가?
• RQ5 알루미늄 코팅의 핀홀이 기구 성능에 어떤 영향을 미치며, 효과적인 완화 전략는 무엇인가?

주요 결과

• 지상 시험 중 5.9 keV X선에 대해 SXI는 FWHM 기준 161–170 eV의 에너지 해상도를 달성하였다.
• 특히 일부 CCD 영역에서 전하 이송 비효율성(CTI)의 상당한 공간적 변동성이 관측되었다.
• 위치에 따라 달라지는 CTI 보정 방법이 성공적으로 개발되고 검증되어 스펙트럼의 정밀도를 향상시켰다.
• 알루미늄 광학 차단 필터에 핀홀이 검출되어 잔류 빛이 CCD에 도달할 수 있는 가능성이 있었다.
• 완전한 광학적 빛 차단과 검출기 오염 방지를 위해 알루미늄 코팅 두께를 증가시켰다.
• 지상 시험에서 SXI의 전체 성능, 즉 에너지 해상도와 시야 등이 설계 사양을 충족시켰다.