Astro-E2 搭載 XIS の X 線検出効率における X 線吸収微細構造の影響

1. Astro-E2 搭載 XIS のX線検出効率における X線吸収微細構造の影響 並木 雅章、林田 清、鳥居 研一、勝田 哲、東海林 雅幸、松浦 大介、宮内 智文、常深 博（阪大理）、 片山 晴善（JAXA）、幸村 孝由（工学院大）、他 Astro-E2 XIS チーム 概要 2005年打ち上げ予定のX線天文衛星Astro-E2には、4台のCCDカメラ (XIS2号機; X-ray Imaging Spectrometer 2) が搭載される。XISはエネルギー範囲0.2--12 keV に感度を持ち、大阪大学では主に0.2--2.2keVの低エネルギー側の較正を行っている。 XIS較正実験の一つの目的は、入射X線エネルギーの関数としての検出効率の測定にある。0.2--2.2 keV という低いエネルギー範囲における検出効率は、主に、電極や保護膜などのX線不感層の構造と厚みによって決定される。これらは、シリコン及び酸化シリコンを原料としているため、酸素やシリコンの吸収端に相当するエネルギーでは検出効率の値が大きなジャンプを持つ。このジャンプは、単純な階段関数で近似されることも多いが、実際には XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) と呼ばれる複雑な微細構造をもつことが知られている。 我々の較正実験では、連続X線をグレーテイング分光器を通して XIS-CCD に照射しており、CCD上でのX線入射位置によって入射エネルギーが一意に決定されるために、連続的なX線エネルギーに対する検出効率測定が可能となっている。我々は、特に酸素やシリコンのK殻吸収端付近に着目し、精度のよい測定を行った。結果として、FI型XIS-CCDの検出効率において、酸素のK吸収端付近(0.52--0.58 keV)で顕著な微細構造があることがわかり、例えば0.01 keV 以下の幅で、検出効率が周囲の1/4以下に落ちこむ。シリコンのK吸収端付近(1.85 keV) でも構造が見られるが酸素の場合ほどの強度減少は見られない。また、BI型XIS-CCDでは酸素のK吸収端でもFI型ほど顕著な構造はなく、XAFS の BI型CCDへの影響は少ない。 3. K殻吸収端近傍の構造 1. XAFS (X線吸収微細構造) XAFS とは 元素に固有のX線吸収端近傍に現れる振動構造を XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure)、それよりも高いエネルギー側に現れるなだらかな振動構造を EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)と呼び、その両者を合わせて XAFS (X-ray Absorption Fine Structure)と呼ぶ。 表面照射型(FI) CCD、裏面照射型 (BI) CCDによって検出された、酸素K吸収端付近の分散X線スペクトル。緑の点線はXIS-1号機で取得されたデータ。 FI-CCD: 酸素の吸収端付近で鮮明な XAFS。 BI-CCD: 保護膜(SiO2) を通過しないため、酸素の吸収端による影響はない。 XIS-1号機 (FI): 2号機とほぼ同じ構造を示す。 XAFS の原理 物質中に含まれるある元素の特性吸収端付近のエネルギーを持つX線を照射したとき、一部が吸収され、原子の内核電子を光電子として放出するためのエネルギーとして使われる。放出された光電子は、球面波として振る舞い、周りの原子によって散乱される(上右図参照)。この散乱波と元の球面波が干渉し、吸収係数が変調され、吸収端付近に微細構造が現れる。吸収端のごく近傍においては、光電子の持つエネルギーが小さいために、多重散乱による効果が大きく、複雑な微細構造、XANESが現れる。入射X線のエネルギーが、吸収端から高エネルギー側へ離れるにつれ、振動は緩やかに減衰する (EXAFS) 。 XAFSは、原子の近傍の構造を反映していることから、表面や界面の微小な領域の構造を調べるのに適した方法として広く用いられている(X線吸収分光学)。 シリコンK吸収端付近の分散X線スペクトル。取得条件は、若干異なる。 FI では、約 30% の強度減少が見られるが、酸素の吸収端付近ほど鮮明な XAFS 構造は見られない。また、BI では吸収端に相当する構造は見受けられない。 また、XIS-1号機(点線)との比較では、シリコンの付近でも大きな差異は見られない。 4. XAFS のモデル化 上図は、酸素K吸収端付近の、規格化した分散スペクトル (FM-S2)に、Q.E.を重ねて表示したもの、下図は、FI-CCD の Q.E. からのズレの割合をあらわしたものである。XAFS を細かく区切ったエネルギー範囲にわけ、それぞれをモデルに基づいてフィッティングを行い、エネルギーの関数として求める。例えば、E1 ~ E2 の XANES に相当する区間では、 2. XISの検出効率 XAFS の影響 我々のXIS較正実験の一つの目的は、入射X線エネルギーの関数としての検出効率の測定にある。 X線CCD検出器においては、電極や保護膜などの不感層に用いられている酸素やシリコンのK殻吸収端エネルギー付近にXAFSの影響が現れる。天体からやってくるX線は、このエネルギー付近に、熱的なプラズマ中の高階電離した元素からの輝線など、重要な構造を持つものが多い。したがって、このXAFS の効果を取り入れた検出効率を求め、全ての衛星搭載用センサーについて、より精密な応答関数を構築することが要求されている。 F(E) = A0∙ sin (A1∙ E 0.5 + A2) A2 = - A1 ∙ E1 0.5 というモデルが A0、A1、A2をフリーパラメータとして適用される (Mori et al. 2001, NIMPR A, 459, 191-199)。 暫定的に求められている Q.E. とこの XAFS の結果を合わせ、最終的な検出効率として 衛星搭載用 XIS の応答関数に組み込まれる。 XIS (FI-CCD) の検出効率 阪大実験システムで得られた XIS-EU 及び、XIS FM-S2センサー(ともに表面照射型: FI-CCD)の 0.2 –2.2 keV の検出効率(Q.E.)。実験システムの詳細は W10c (松浦他)、検出効率の詳細な導出方法は W06b (勝田他)を参照。 尚、このモデルではまだ酸素、シリコンの吸収端近傍でのXAFS の影響は取り入れられていない。 5.まとめと今後の予定 • FI-CCD は XAFS の影響により、酸素の吸収端近傍で顕著な微細構造を示す。シリコンの吸収端付近でも構造は見られるが、酸素の場合ほど顕著ではない。 • BI-CCD は、その構造のため XAFS による影響が、いずれの場合も小さい。 • XIS-1号機との比較において、2号機でも同様の振る舞いを示すことから、XIS-1号機で用いられた手法が適用可能。 • 全ての衛星搭載用センサーの XAFS 周辺の検出効率をモデル化し、XIS の応答関数に組み込む。