絶縁層 ( Insulator )

XISの^55Feなどのスペクトル⁽図^2.18など⁾には、全^PH 領域にわたってスペクトルピークを 作らないイベントが存在する。これらを一般に ^Tail の定数成分と呼ぶ。また、低エネルギー側に は、^[19]で明らかになった ^SiO2 起源のイベントが存在すると考えられる。

これらのイベントは、いずれも ^Insulator に関係すると考えられるので、この成分を再現する ために部分吸収という概念を導入する。部分吸収という概念は、^[11]で^Tail の定数成分を再現す るために導入された。^[11]中での部分吸収とは、

1

Insulator で光電吸収され、光電子が空乏層に入り

込んだイベント

2 空乏層で光電吸収され、光電子が ^Insulator に入り 込んだイベント

の²種類である。¹、²とも ^W 値は空乏層と同じ値を 仮定し、光電子の総飛程のうち空乏層が占める割合だけ 電荷が集められるとモデル化されていた。

しかし、^Insulator 中で起きたイベントでもある程度

電荷が集められることが明らかになったため、^Insulator 中のイベントのパターンに従来の ² つに加えて、

3

Insulator 中で光電吸収され、光電子が他の層に到

達しない場合

4

Insulator 中で光電吸収され、光電子が ^Gate に到 達する場合

5 空乏層中で光電吸収され、光電子が ^Gate まで到達 する場合

の ³ つを新たに導入した。¹、² の場合も、^Insulator からの電荷があるとして集められる電荷の量に以下で示 すような変更を加えた。

光電子の飛距離に対し、^Insulator と空乏層での光電 子のパスの長さの 割合をそれぞれ^{a; b}、空乏層、

Insula-tor 中での平均解離エネルギーを ^WSi、^WSiO2 とおく。

このとき集められる電荷量^qfinal を次 のようにモデル化 した。

2 1

x

Cover

入射X線

空乏層

Insulator

y

Gate

図^{6.9: [11]}での部分吸収イベント の定義

空乏層

入射X線

Cover

5

Burried Channel

1 2 3

Gate

Insulator

4

図 ^6.10: 部分吸収イベントの定義

拡張と場合分け

q

final

= 8

>

>

>

<

>

>

>

: a2

E

X

W

S iO

2

+b2 E

X

W

S i

1

;

2

;

5

E

X

W

SiO

2

3

a2 E

X

W

S iO

2

4

(6.30)

Insulator 中で吸収された電荷には、空乏層と同様に生成電荷の個数揺らぎを生じるとした。

ただし、^Fano 因子の値が不明なので、空乏層と同じ値を仮定した。

6.6. Pixel モデル ⁸²

6.6 Pixel

モデル

XIS-CCDの各^Pixelを^[19]を参考にして 図^6.11のようにモデル化した⁽パラメータは表

6.2 参照⁾。各 ^Pixel は全く同等とした。

1. CCD のどの^Pixel に入射するか

2. Pixel 内の相対位置

3. 吸収位置の ^CCD 表面からの深さ⁽ある いは透過⁾⁴

4. 光電子の走る方向

5. 生成電荷の個数揺らぎ^(Gaussianを仮定⁾ について乱数を振り、イベント追跡型のモン テカルロシミュレーションを行った。指定した 個数の光子をシミュレートした後、各^Pixelの 電荷量に読みだしノイズの揺らぎを加え、実 験と同じフレーム^formatでセーブする。セー ブされた^frame データは、^XISのデータ解析 と全く同じ解析ソフト⁽イベントセレクション 等⁾で処理した。

0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000 0000000000000000000000000

1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111 1111111111111111111111111

保護膜

1 Pixel (24 m)

光電吸収点

1次電子雲

ドリフト

拡散

0.30 0.30 0.175 0.175

Pixel 境界

不感層

0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000 0000000

1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111

µ

Transfer Channel

Xray

Split Event Single Pixel Event

000 000 111 111

Insulator (SiO Gate (Poly Si) )

2

m m 50 - 70 µ 370

Epitaxitial

層

µ

中性領域 (Si) 空乏層 (Si)

図 ^{6.11: Pixel} モデル^(Vertical 転送方向の

CCD 断面図⁾

厚さ ^{[ m]}

Layer 構成元素 密度^[g/cm3]

XIS-S0 XIS-S1

Cover SiO

2

2.20 0.175

Gate PolySi 2.42 0.30

5

Insulator SiO

2

2.20 0.175

空乏層 ^{Si 2.34 77.76 61.87}

中性領域 ^{Si 2.34 370.0}

表^{6.2: CCD} の各層のパラメータ

6.6.1 XIS

の各センサーのパラメータ

シミュレーションを行う際、使用したパラメータを表^6.3 に示す。^{CCD Gain} は ^{Mn K} の スペクトルをダブルガウシアンモデルで ^tting して求めた値である。^{Dark Level} と読みだしノ イズは、それぞれ ^Active 領域、^HOC 領域の ^Pixel の波高分布を シングルガウシアンモデルで

tting して求めた値である。

4式^(2.2)に従う乱数で決定

5

Gateが^Overlapしているところでは^0.60m

Insulator

→

Insulator Insulator

→

Gate

熱拡散 再結合 熱拡散

Insulator

→空乏層 空乏層→

Gate

X線光子をGenerate

入射Pixel 決定

空乏層→

Insulator

光電吸収点を決定

次のイベントへ

Gate, Backside Diode

空乏層

Insulator

中性領域

中性領域

各Pixel への電荷配分 光電子が止まった深さを計算

光電子の飛程を計算

部分吸収 空乏層

図^6.12: シミュレーションのフローチャート

図 ^6.13: シミュレータからの出力^(MnK の エネルギーでシミュレート⁾

図^{6.14: XIS-S1}に ^55Fe を当てたイメージ⁾

Sensor-Segment XIS-S0-A XIS-S0-B XIS-S0-C XIS-S1-A

Mn K中心 ^{PH[ch] 1723.0 1606.2 1782.9 1704.8}

Gain [eV/ch] 3.42 3.67 3.31 3.46

Dark Level[ch] 199.5 204.8 197.3 454.2

読みだしノイズ^{[e0] 3.13 2.84 2.83 3.42}

Si Escap e 確率 ^{[%] 1.13}

Si確率 ^{[%] 0.21}

Vertical CTI 1 2 10

06

Horizontal CTI 1 2 10

06

表 ^6.3: 各^Sensor のシミュレーションパラメータ

6.6. Pixel モデル ⁸⁴

6.6.2

キャリア数から

^PH

への変換

シミュレータ内部では、^CCD の素過程と同様に、入射 ^X 線のエネルギー情報を電子の個数 で扱っている。しかし、実際の実験で得られるデータは ^AD 変換されたあとの^{PH [ch]} であるた め、シミュレータからの出力を ^PH にする必要がある。

この変換において基準となるのは、^{Mn K} のスペクトルを^Gaussian で ^tting したときの

Gaussian の中心波高値を^PHMnK として、

Gain E

MnK

PH

MnK

(6.31)

と定義した ^Gain である。この ^Gain が一致するように、つまり^PHMnK がデータとシミュ レーションで一致するように以下で定義する ^a というパラメータを調節する。

PH

MnKは、^MnKに相当するエネルギー^EMnKでの平均解離エネルギーを^WSi(EMnK)、 光電吸収で生成された電荷のうち集めることのできる電荷の割合^f を用いて、

PH

MnK

(ch)=f E

MnK

W

Si (E

MnK )

2a (6.32)

と書くことができる。この中で ^f は、シミュレータの内部で自動的に決定される⁶。したがっ て、データとシミュレーションの^PeakPHが一致するように我々が調節できるのは、 ^a

W

Si (E

MnK )

の値である。ここで^WSi(EMnK)を独立に決定する方法は存在しないので、本論文では^WSi(EMnK)

3:654138eV と仮定した。よって、我々が^MnKのデータとシミュレーションの比較で決定する

のは、^aというパラメータである。^a はいわばアナログ回路の増幅率に相当する量で、入射^X線 のエネルギーに依らない量である⁷。

このように、^MnK での ^Gain を用いて ^a を決定すると、^a はエネルギーによらないので、

他のエネルギーでのシミュレーションにも同じ値を用いることができる。このときの^PHの^Peak は、

PH(ch) =f(E

X )

E

X

W

Si (E

X )

2a (6.33)

となる。

電荷の^Split の仕方について、シミュレーションが正しく行われていると仮定すると、^f(EX)

は自動的に正しい値に調整されるはずである。したがって、もしあるエネルギー ^EX でデータと シミュレーションの^PeakPH(ch) が異なるとすれば、シミュレーションで仮定した^WSi(EX)が 実際と異なることを意味する。シミュレーションでは ^WSi(EX) の初期値として、^[21] の計算値 を用いたが、実際に ^OK、^{Mg K} などのデータと比較した時点でデータを再現する ^WSi(EX) の 値を決定し、その値を以降用いた。

表^6.4 の変換係数を用いて、電子数 ^{! PH} の変換を行なった。

6

f は、シミュレータ内部でスプリットが⁰の空乏層イベントだけを取り出した^PHスペクトルの^Peakと、^Split も考慮した^PH スペクトルの^Peakを比較することで得られる

7回路の線形性は完全であると仮定している

Sensor a [ch/electron]

S0-C 1.108

S1-A 1.059

表^6.4: 電子数から ^PH への変換係数

ドキュメント内 thesis.dvi (ページ 98-102)