朱玥張子良楊彥佶薛榮峰2)崔葦葦陸波王娟陳田祥王于仨李煒韓大煒霍嘉胡渭李茂順張藝祝宇軒劉苗趙曉帆陳勇?

1)(中國科學院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室,北京 100049)

2)(吉林大學無線電物理系,長春 130012)

硬X射線調制望遠鏡低能探測器量子效率標定?

朱玥1)張子良1)楊彥佶1)薛榮峰1)2)崔葦葦1)陸波1)王娟1)陳田祥1)王于仨1)李煒1)韓大煒1)霍嘉1)胡渭1)李茂順1)張藝1)祝宇軒1)劉苗1)趙曉帆1)陳勇1)?

1)(中國科學院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室,北京 100049)

2)(吉林大學無線電物理系,長春 130012)

(2017年3月1日收到;2017年3月16日收到修改稿)

低能X射線望遠鏡是硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星的主要載荷之一,探測器采用CCD236.探測器的量子效率會影響能譜擬合和絕對流量,有必要對其進行標定.利用55Fe放射源,以硅漂移探測器為標準探測器,標定了CCD236在Mn-Kα(5.899 keV)和Mn-Kβ(6.497 keV)能量點處的量子效率,此能段在Fe線附近,對X射線天文觀測有重要價值.考慮探測器的分裂事例后,Mn-Kα和Mn-Kβ處的量子效率分別為71%和62%.在?95—?30?C工作溫度范圍內,CCD量子效率與溫度無關.利用CCD236的結構及實測的量子效率,不考慮溝阻影響,得到耗盡層厚度為38μm.對CCD236施加不同的電壓,其量子效率基本不變,表明其在兩相驅動下高低電平的耗盡層厚度相等,進而說明CCD236一直工作在深耗盡狀態(tài),其耗盡層到了外延層和襯底層邊界,已達最大值.

電荷耦合器件,量子效率,耗盡層

1 引言

硬X射線調制望遠鏡(hard X-ray modulation telescope,HXMT)衛(wèi)星是我國第一顆自主研發(fā)的X射線天文衛(wèi)星,可實現(xiàn)高精度硬X射線巡天及定點觀測[1,2].低能X射線望遠鏡(low energy X-ray telescope,LE望遠鏡)是HXMT的重要載荷,工作在0.7—15 keV能區(qū),用以觀測X射線雙星的能譜和時變,研究其動力學和輻射過程,還可用于研究宇宙軟X射線背景[3].LE望遠鏡的探測器使用掃式電荷器件(swept charge device,SCD).SCD改進了電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)的讀出方式,同時具有優(yōu)秀的能量分辨和時間分辨性能[4].LE望遠鏡探測器型號為CCD236,探測面積為4 cm2,是目前探測面積最大的SCD.CCD236由中國科學院高能物理研究所和e2v公司合作研制,前者負責完成性能測試及中子質子等輻照實驗[5,6].

量子效率(quantum efficiency,QE)指入射光子轉化為電子空穴對后,被CCD收集的光子數(shù)與入射光子總數(shù)的比,是衡量CCD性能的一個重要參量[7].QE與入射能量相關.對LE望遠鏡的科學研究而言,QE影響能譜擬合和流量計算,因此需要進行標定.CCD的QE由阻擋層和耗盡層厚度決定,一般阻擋層厚度約為1μm,對3 keV以上的光子透過率大于95%.通過測量QE,可以得到探測器耗盡層的厚度.

測量QE的方法有兩種[8]:1)已知入射光子數(shù),與CCD探測到的光子數(shù)作對比,如文獻[9]通過BESSY II同步輻射源,標定了CCD236在0.2—1.9 keV范圍內的量子效率;2)入射光子數(shù)未知,CCD與標準探測器觀測同一個源,得到CCD的量子效率,如文獻[7]用X光管,以Si(Li)為標準探測器,得到CCD54(與CCD236結構類似)在1—9 keV范圍內的量子效率,文獻[10]用電子束離子阱(EBIT),以高純鍺探測器為標準探測器,標定了CCD236在6.7—13.3 keV范圍內6個能量點的相對量子效率.

本文利用55Fe放射源,以硅漂移探測器(silicon drift detector,SDD)作為標準探測器,對CCD236進行量子效率的標定.實驗用X射線源能量點為Mn-Kα(5.899 keV),Mn-Kβ(6.497 keV),與文獻[9,10]的能量測量點不同.在X射線天文觀測中,Fe線在這兩個能量點附近,因此這一能段的效率標定具有重要意義.此能量點的X射線光子會部分穿透耗盡層,可以用于測量耗盡層厚度.實驗方法簡單有效,實驗過程中放射源的流量變化可精確計算,探測效率不受X射線源與探測器的相對位置影響,可以得到比較精確的量子效率.本文通過CCD236的量子效率計算其耗盡層厚度,并討論了量子效率與溫度的關系.

2 實驗介紹

55Fe是X射線實驗中常用的放射源,在CCD中主要產(chǎn)生5條譜線:Mn-Kα全能峰(5.899 keV),Mn-Kβ全能峰(6.497 keV),Mn-Kα逃逸峰(約4.1 keV),Mn-Kβ逃逸峰(約4.7 keV),Si特征X射線(1.8 keV).55Fe半衰期為2.7年,依據(jù)半衰期對實驗數(shù)據(jù)進行放射源流量修正.實驗用放射源活度小于100 Bq.

采用Ketek公司H80作為SDD標準探測器[11],探測面積為80 mm2,真空密封,帶有25μm Be窗,內置半導體制冷裝置.H80是一種全耗盡型探測器,耗盡層厚度為450μm,在6 keV能段Be窗影響很小,因此量子效率約為100%.

實驗在真空低溫罐[12]中進行,如圖1所示.實驗裝置如圖2所示,SDD和CCD236探測器分別放置于兩個外形一致的機盒內,通過各自的電連接器與冷板下方相應的電子學機箱連接,再通過真空罐壁的電連接器與位于真空罐外部的地檢設備連接,最后通過地檢設備將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機中.

為減小放射源放置位置不同引入的系統(tǒng)誤差,兩個機盒共用一個機蓋.機蓋的小孔中固定放置一枚55Fe放射源.放射源距離探測器約為幾毫米,放射源通過小孔后照射到探測器上的面積遠小于探測器的有效面積,因此忽略放射源與探測器距離不同及放射源方位角等位置因素造成的誤差.

實驗分兩部分進行.SDD實驗:將SDD(連同機盒)放入真空罐,抽真空,使用SDD自帶的半導體制冷裝置,使SDD降溫到?80?C左右,記錄數(shù)據(jù)1 h.根據(jù)實驗中X射線的流強,1 h的數(shù)據(jù)可以滿足統(tǒng)計分析的要求(小于1%).CCD實驗:將CCD236(連同機盒)放入真空罐的相同位置,抽真空,使CCD236降溫至100?C.待溫度穩(wěn)定后,隨著溫度緩慢回升記錄數(shù)據(jù)7 h(結束時CCD溫度約為?30?C).設定不同的電壓,進行CCD實驗多次.

圖1 實驗裝置Fig.1.Experimental setup.

圖2 實驗裝置框圖Fig.2.Block diagram of the experimental equipment.

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 能譜處理

SDD原始能譜如圖3所示,能譜中沒有噪聲峰,其最高峰為Mn-Kα全能峰,次高峰為Mn-Kβ全能峰.將能譜通過雙高斯函數(shù)擬合得到Kα和Kβ全能峰的中心位置和方差.利用Kα和Kβ全能峰的對應能量值及峰位,確定SDD的能量能道關系.

圖3 SDD原始能譜Fig.3.Raw spectrum of SDD.

CCD236原始能譜如圖4所示,其中最高峰為噪聲峰,表示能量的零點;2000道左右的兩個峰從左到右分別為Mn-Kα和Mn-Kβ全能峰.由于信號幅度會隨溫度變化而變化(變化率約0.001?C?1[8]),所以兩個峰的形狀不是高斯分布,需要對能譜進行分溫度處理.實驗溫度范圍為?95—?30?C,每間隔5?C處理一次能譜.圖5所示為不同溫度下采集的能譜,能譜顏色從右到左由深變淺,表示采集溫度由低升高,Mn-Kα和Mn-Kβ峰位明顯移動,此時譜型均為高斯型.

CCD236還需要考慮分裂事例的影響.分裂事例是由于X射線產(chǎn)生的電子云擴散到相鄰電極而產(chǎn)生的[13].連續(xù)n個事例信號讀出時間間隔都等于10μs(最小的讀出時間間隔)為n分裂事例.在CCD236中,約80%為獨立事例(不分裂事例),約20%為分裂事例.分裂事例中二分裂事例占絕大多數(shù),三分裂事例所占比例小于1/1000,四分裂及以上分裂事例是宇宙線造成的[8].在數(shù)據(jù)處理中,閾值(探測能量下限)會影響分裂事例比,分裂事例比會隨閾值增高而降低.閾值太高會丟失事例信號,減小探測效率.實驗閾值設為300 eV,數(shù)據(jù)處理時小于300 eV的事例全部丟棄.能量為5.9 keV時,二分裂事例比為0.162±0.003;能量為6.5 keV時,二分裂事例比為0.164±0.027.將n分裂事例的道數(shù)相加,減去n?1乘以噪聲峰峰位后,得到分裂事例譜,將其累加到獨立事例譜中得到總的能譜.

對總能譜的噪聲峰、Mn-Kα和Mn-Kβ全能峰的峰位作線性擬合,利用能量能道關系將能道轉換為能量.

圖4 CCD236原始能譜Fig.4.Raw spectrum of CCD236.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)CCD236分溫度能譜Fig.5.(color online)CCD236 spectra in di ff erent temperature intervals.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)SDD和CCD236的能譜(計數(shù)時間為1000 s)Fig.6.(color online)Comparison between SDD and CCD236 spectra in 1000 s.

圖6為CCD236處理后的總能譜與SDD能譜的比較(歸一到相同的時間,設為1000 s).基于處理后的能譜,對Mn-Kα和Mn-Kβ全能峰分別作高斯擬合,得到峰中心位和標準差σ.峰面積等于峰中心位±3σ內事例數(shù)的和,將峰面積除以時間得到計數(shù)率.

3.2 量子效率

量子效率由探測器結構和材料決定.SDD與CCD236均為硅探測器,假設其電荷轉移效率為100%,則QE的理論計算公式為[14,15]

式中d代表探測器各層的厚度,l為不同能量的光子在各層材料中的衰減長度[16],N為總層數(shù),下標j表示阻擋層,下標Si表示耗盡層.

SDD結構如圖7所示.外置Be窗厚度為25μm,Al電極厚度0.15μm,耗盡層厚度為450μm[11].通過(1)式計算得到5.9及6.5 keV處的理論量子效率分別為0.9836和0.9877.

圖7 SDD結構Fig.7.Structure of SDD.

式中nCCD(E)和nSDD(E)分別為CCD236和SDD探測器在能量E下的計數(shù)率,QESDD(E)為根據(jù)SDD結構算出的理論量子效率.實驗中由于放射源照射到探測器上的面積遠小于探測器的有效面積,因此不需要考慮SDD和CCD有效面積對量子效率的影響.

3.3 CCD236耗盡層

CCD236的耗盡層厚度與所加電壓及摻雜濃度有關.一般情況下,摻雜濃度不能準確知曉,所以無法確定耗盡層厚度.在已知各層結構及量子效率的情況下,可以通過(1)式擬合得到耗盡層的厚度.

CCD236是科學級CCD,特征為具有n型埋溝[17].其結構如圖8所示,SiO2保護層厚750 nm,多晶硅電極厚300—400 nm,絕緣層Si3N4和SiO2厚度各為85 nm[8].擬合得到的平均耗盡層厚度為(38.07±1.10)μm.

圖8 CCD236結構Fig.8.Structure of CCD236.

3.4 量子效率與溫度的關系

CCD236的實驗溫度范圍為?95—?30?C,可以研究其量子效率與溫度之間的關系.對量子效率與溫度的關系進行線性擬合,得到能量值為5.9 keV時,斜率為(?0.0002±0.0002)?C?1,能量為6.5 keV時,斜率為(?0.0001±0.0009)?C?1,兩者斜率在1σ內均為0,可以認為量子效率不受溫度影響.圖9所示為溫度與量子效率之間的關系,紅色虛線為擬合直線.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)量子效率與溫度的關系(a)5.9 keV;(b)6.5 keVFig.9.(color online)Relationship between temperature and quantum efficiency:(a)5.9 keV;(b)6.5 keV.

4 討論

4.1 與EBIT實驗的交叉驗證

文獻[10]利用復旦大學電子束離子阱,以高純鍺探測器為標準探測器,標定了CCD236在6.7,8.3,9.1,10.4,11.9,13.3 keV 6個能量點的相對量子效率(relative quantum efficiency,RQE),將能量值為6.7 keV時的RQE定為100%,其他能量點的RQE見表2第1行[10].當耗盡層厚度為38μm時,CCD236在能量E下的理論量子效率見表2第2行.設6.7 keV處的量子效率為,a為歸一化因子,其他能量點的RQE按比例變化,擬合理論值得到a=0.9335,從而得到EBIT各能量處的),見表2第3行.

利用χ2方法[18]檢驗EBIT實驗與本實驗的一致性.EBIT實驗有6個能量點,自由度為6.在顯著性α=0.005水平,臨界值

因此在顯著性α=0.005水平上,EBIT的量子效率符合耗盡層厚度為38μm的理論量子效率曲線,而此耗盡層厚度是由實驗獨立測量的,說明EBIT實驗與本實驗一致.

綜合實驗與EBIT及文獻[9]的結果,如圖10所示,可以看出三個實驗的結果十分符合,說明CCD236的耗盡層厚度約為38μm.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)實驗結論與EBIT實驗[10]及文獻[9]結果的一致性.菱形為本次實驗數(shù)據(jù),點為EBIT數(shù)據(jù),十字符號為文獻[9]結果.黑線、深藍、淺藍曲線對應耗盡層厚度分別為38,25,50μm時的CCD236量子效率理論曲線Fig.10.(color online)Consistency of EBIT[10],Ref.[9]and our experiment.The results of our experiment,EBIT,and Ref.[9]are shown in the symbol of diamond,dot and cross,respectively.The theoretical quantum efficiencies with the depletion region thickness of 38,25,50μm are shown in black,dark blue and light blue lines,respectively.

表2 EBIT實驗中CCD236的量子效率Table 2.Quantum efficiency of CCD236 in EBIT experiment.

4.2關于耗盡層厚度的進一步討論

CCD耗盡層厚度dSi的理論公式為[20]

式中εSi為硅介電常數(shù),εSi=1.04×10?12C·V?1·cm?1;q為電子電量,q=1.6×10?19C;NA為硅受主摻雜劑濃度水平,一般未知;VT為溝道電壓,具體計算公式為[9,21]

式中Φcho為空埋溝道電勢(empty buried channel potential),它是探測器的內稟參數(shù),一般情況下未知;Vg為驅動電壓,主要影響電子的讀出;VSS為基底電壓,主要影響暗電流的大小.Vg和VSS均為外加電壓.在LE望遠鏡的工作溫度范圍內(?50—?80?C),取Vg=7 V,VSS=9 V,此時CCD236具有最穩(wěn)定的性能及優(yōu)秀的能量分辨率[22].

CCD236為雙相CCD[23],驅動高電平為Vg,低電平為0 V.在探測器未全耗盡的情況下,(4)式表明高低電平對應不同深度的耗盡層,如圖11所示,探測器量子效率QE2dep(E)是兩個耗盡層共同作用的結果:

當耗盡層邊緣到達外延層(輕摻雜硅)與襯底層(重摻雜硅)的交界處時,耗盡層的厚度達到最大值,繼續(xù)增大溝道電壓VT不能增加耗盡層厚度,即(3)式不再適用.通過觀察Vg和VSS的變化對量子效率的影響,推測高低電平下的耗盡層厚度.結果如表3所示,保證探測器正常工作的情況下,對于不同的Vg和VSS,其量子效率變化很小,對應的平均耗盡層厚度在誤差范圍內可看作不變.這說明高低電平的耗盡層厚度相同,進一步表明CCD236在工作時,探測器均處于深耗盡的狀態(tài),耗盡層的厚度不變.

CCD236的工作模式一般為多點釘扎模式(multipinned phase mode)[24],這要求VSS為9—11 V;當VSS=2 V時,CCD236工作在普通模式.一般而言,多點釘扎模式能更好地抑制暗電流.兩種工作模式在?90—?70?C溫度范圍內量子效率及耗盡層厚度無明顯差異.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)雙相CCD示意圖Fig.11.(color online)Di ff erent depleted regions in two phase CCD.

與文獻[9]一致,以上計算沒有考慮CCD236溝阻(channel stop)的影響,溝阻的面積約占CCD236感光面積的6%[25],溝阻下方對此能段X射線幾乎不感光,所以實驗中測得的量子效率應為實際值的94%.經(jīng)過溝阻修正后,得到耗盡層厚度(外延層厚度)約為45μm.

表3 不同Vg和Vss下的量子效率及平均耗盡層厚度Table 3.Quantum efficiency and average depletion thickness for di ff erent Vgand VSS.

5 結論

觀測目標的絕對流量及能譜是進行天體物理研究的基礎參量,探測器的量子效率會影響流量計算和能譜擬合,因此標定LE望遠鏡探測器的量子效率具有重要意義.本文利用55Fe放射源,以SDD為標準探測器,測量了CCD236在能量點5.9和6.5 keV處的絕對量子效率.這兩個能量點是以前CCD236的標定實驗未覆蓋的能區(qū),它們在Fe線附近,對X射線觀測有重要價值.考慮分裂事例后,CCD236在5.9和6.5 keV處的量子效率分別為71%和62%.在?95—?30?C溫度范圍內,5.9和6.5 keV處的量子效率不隨溫度變化而變化.利用探測器的結構和量子效率,不考慮溝阻影響,得到耗盡層厚度約為38μm,與其他方法得到的結果進行對比,驗證了此耗盡層厚度的合理性.量子效率不隨驅動電壓和基底電壓的變化而變化,證明了CCD236在工作中,高電平或低電平時耗盡層均處于深耗盡狀態(tài),其厚度保持一致和穩(wěn)定.

實驗設計使測量結果不受放射源與探測器的相對位置影響,探測器的堆積效應可以忽略,因此可以得到比較準確的絕對量子效率.

未來可考慮采用X光管,利用不同靶材料來標定CCD探測器在更多能量點處的量子效率.

感謝中國電子科技集團公司第四十四研究所汪朝敏高工的討論.

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PACS:29.40.Wk,95.55.KaDOI:10.7498/aps.66.112901

Quantum efficiency calibration for low energy detector onboard hard X-ray modulation telescope satellite?

Zhu-Yue1)Zhang Zi-Liang1)Yang Yan-Ji1)Xue Rong-Feng1)2)Cui Wei-Wei1)Lu Bo1)Wang Juan1)Chen Tian-Xiang1)Wang Yu-Sa1)Li Wei1)Han Da-Wei1)Huo Jia1)Hu Wei1)Li Mao-Shun1)Zhang Yi1)Zhu Yu-Xuan1)Liu Miao1)Zhao Xiao-Fan1)Chen Yong1)?
1)(Key Laborotary of Particle Astrophysics,Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
2)(Department of Radio Physics,Jilin University,Changchun 130012,China)

1 March 2017;revised manuscript

16 March 2017)

Low energy X-ray telescope,working over 0.7—15 keV energy band,is one of the main payloads in the hard X-ray modulation telescope satellite.The primary scienti fi c objectives are to survey large sky area to investigate galactic X-ray transient sources as well as the cosmic X-ray background,and to observe X-ray binaries or black holes for studying the dynamics and emission mechanism in strong gravitational or magnetic fi eld.The detector of low energy X-ray telescope is CCD236,a new generation of swept charge device,which has good time and energy resolution.Quantum efficiency(QE)of the detector has a crucial in fl uence on X-ray spectrum fi tting and absolute luminosity calculation.To provide valuable scienti fi c data,QE should be calibrated in detail.In this paper,QE calibration is accomplished with respect to a silicon drift detector(SDD),using an Fe-55 radioactive source,at energy points Mn-Kα(5.899 keV)and Mn-Kβ(6.497 keV).The energies of Mn-Kαand Mn-Kβare near that of iron-K,which is an important line in X-ray observation.Additionally,Mn-Kαand Mn-KβX-ray will partially pass through the depletion region of CCD236,and these energy points can be used to measure the depletion thickness.This experiment is set up in a vacuum cooling chamber.The X-ray source perpendicularly illuminates SDD and CCD236 through a small hole,whose area is far less than those of two detectors;therefore,QE measurements are irrelevant to neither the distance nor the azimuth angle between the X-ray source and the detector.For CCD236,split events should be corrected.Energy spectra of SDD and CCD236 are fi tted with two Gaussian distributions,respectively,to obtain peak positions and standard variations of Mn-Kαand Mn-Kβ.With known structure of SDD,the QE of CCD236 can be calculated.QE values at Mn-Kαand Mn-Kβare 71%and 62%,respectively.QE and temperature are uncorrelated with each other in a temperature range from?95?C to?30?C.According to the speci fi c structure of CCD236 and the measured QE,without considering the e ff ect of channel stop,the best- fi t thickness of depletion region is obtained to be 38μm.When CCD236 is applied with di ff erent driving or substrate voltages,no obvious variation of QE is observed.It indicates that the thickness values of depletion region with high and low level voltages are equal.Furthermore,it shows that working CCD236 is deep depleted,and the thickness of depletion region will not change because it reaches its maximum,the edge of epitaxial layer and substrate layer.

charge-coupled device,quantum efficiency,depletion region

10.7498/aps.66.112901

?國家自然科學基金青年科學基金(批準號:11403024)和中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向性項目(批準號:KZCX2-EW-J01)資助的課題.

?通信作者.E-mail:ychen@ihep.ac.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11403024)and the Main Direction Program of Knowledge Innovation of Chinese Academy of Sciences(Grant No.KZCX2-EW-J01).

?Corresponding author.E-mail:ychen@ihep.ac.cn