[论文解读] 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 1

一句话总结

Hitomi（ASTRO-H）上的软X射线像仪（SXI）是一种基于CCD的成像光谱仪，视场为31×31 mm²，视场角为38′×38′，能量响应范围为0.4–12 keV。其能量分辨率全宽半高（FWHM）达到161–170 eV，通过低温运行和电荷注入技术减轻电荷转移不完善性（CTI）的影响，并开发了针对位置相关CTI的校正方法，同时采用增强型铝涂层以阻挡光学光。

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.

研究动机与目标

• 利用完全耗尽、背照射CCD开发用于Hitomi X射线天文台的高分辨率软X射线成像光谱仪。
• 解决由于辐射损伤导致CCD中电荷转移不完善性（CTI）的问题，特别是在CTI较高的区域。
• 通过提高CCD上铝涂层的厚度，确保有效抑制光学光。
• 通过地面测试验证SXI仪器的性能，确保发射前的可靠性。
• 实现对0.4–12 keV范围内天体X射线源的精确能量谱分析与成像。

提出的方法

• 采用四片P型通道、完全耗尽、背照射CCD，耗尽层厚度为200 µm，以提高X射线探测效率。
• 将CCD在−120 °C下运行，以降低电荷转移不完善性（CTI）并改善电荷收集性能。
• 在运行期间应用电荷注入技术，以减轻CCD中CTI的影响。
• 开发基于位置的CTI校正方法，以补偿CCD阵列中CTI的空间分布差异。
• 增加CCD入射表面铝涂层的厚度，以阻挡光学光并防止污染。
• 将SXI与X射线镜系统集成，实现38′×38′视场角和0.4–12 keV能量响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 低温运行与电荷注入对空间X射线仪器中使用的完全耗尽CCD的电荷转移不完善性（CTI）有何影响？
• RQ2 在地面测试条件下，SXI仪器对5.9 keV X射线的能量分辨率是多少？
• RQ3 CTI在CCD阵列中空间分布的差异程度如何？能否通过基于位置的校准方法有效校正？
• RQ4 多厚的铝涂层才能充分阻挡光学光而不降低X射线响应性能？
• RQ5 铝涂层中的针孔如何影响仪器性能？哪些缓解策略是有效的？

主要发现

• 在地面测试中，SXI对5.9 keV X射线的能量分辨率（全宽半高）达到161–170 eV。
• 在CCD的某些区域观察到显著的电荷转移不完善性（CTI）空间差异。
• 成功开发并验证了基于位置的CTI校正方法，显著提升了光谱保真度。
• 在铝光学阻挡滤光片中检测到针孔，可能导致杂散光到达CCD。
• 通过增加铝涂层厚度，确保了光学光的完全抑制，防止探测器污染。
• SXI的整体性能，包括能量分辨率和视场角，在发射前测试中均符合设计规格。