Photon Factory Activity Report 2014 #32(2015) B

BL-11B/2013G184

X 線望遠鏡に用いる X 線反射鏡の光学特性測定
Optical characterization of X-ray reflectors for X-ray telescopes
古澤彰浩 1,*, 倉嶋翔 2, 前田良知 3, 佐藤寿紀 2, 菊池直道 2, Okajima Takashi4, 森英之 4,
松本浩典 1, 石橋和紀 1, 宮澤拓也 1, 岩瀬 敏博 1, 前島将人 1, 吉川駿 1,飯塚亮 3, 林多佳由 1,田村啓輔 11
名古屋大学, 〒464-8602 名古屋市千種区不老町2
首都大学東京, 〒192-0397 東京都八王子市 南大沢 1 丁目 13
宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所, 〒252-5210 神奈川県相模原市中央区由野台 3-1-1
4NASA/Goddard Space Flight Center, MD 20771, USAAkihiro Furuzawa1,*,, Sho Kurashima2, Yoshitomo Maeda3, Toshiki Sato2, Naomichi Kikuchi2,Takashi Okajima4, Hideyuki Mori4, Hironori Matsumoto1,Kazunori Ishibashi1, Takuya Miyazawa1, Toshihiro Iwase1, Masato Maejima1,
Shun Yoshikawa1, Ryo Iizuka3, Takayoshi Hayashi1, and Keisuke Tamura1
1
Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8602, Japan
2
Tokyo Metropolitan University, Tokyo 192-0397, Japan
3
ISAS/JAXA, 3-1-1 Yoshinodai, Chuo-ku, Sagamihara, Kanagawa 252-5210, Japan
4
NASA/Goddard Space Flight Center, MD 20771, USA
1 はじめに
我々は現在 JAXA や国内外の複数の大学、機関と共同で開発を行っている次期 X 線天文衛星 ASTROH（2015 年度打ち上げ予定）[1]に搭載する X 線望遠鏡の地上較正実験ならびに軌道上での性能予測評
価 を 行 っ て い る 。 ASTRO-H に は 硬 X 線 望 遠 鏡(HXT)と軟 X 線望遠鏡(SXT)が各 2 台搭載されるが、そのうち一台の軟 X 線望遠鏡の焦点面にはエネルギー分解能 約 5eV を誇る X 線カロリーメータ(SXS)が世界で初めて搭載される。この軟 X 線望遠鏡とカロリーメータを組み合わせた X 線撮像分光システムは、従来使用されて来た回折格子をもちいた分散型分光システムと異なり、空間的に広がった天体に対して詳細な分光観測を行うことが出来る画期的なシステ
ムであり、X 線天文学において X 線望遠鏡が実用化された時に匹敵する革新的な進歩を天文学にもたらすものと期待されている。
天体からの X 線スペクトルに見られる特性 X 線の輝線は、温度や密度、重元素の存在量といった、天体の物理状態、化学的進化を解明する上で非常に重要な情報をもたらす。カロリーメータは微弱な輝線の検出能力、近接した輝線を分離する能力が従来の検出器に比べて格段に高く、これまでこれらの物理量の測定が不可能であった非常に暗い天体や、非常に遠方の天体についても精密な測定が可能となる。
しかし、観測スペクトルに現れる、特に望遠鏡由来の吸収端などの構造を正確に把握しておかなければ、この構造付近の微弱な輝線の検出や輝線強度の測定が困難となり、カロリーメータの性能を活かすことが出来ない。SXT に用いる反射鏡の鏡面には金の単層膜が使用されており、カロリーメータの観測波長帯にはこの金の M 吸収端構造が含まれる。この吸収端付近ではケイ素、硫黄、アルゴンといった天文学上重要な輝線が観測されるため、X 線反射率の正確な予測が特に要求される。
反射率は鏡面物質の光学定数と表面粗さによって決まる。また、この光学定数は密度の関数でもあるため、鏡面物質の深さ方向の密度分布にも依存する。
表面粗さや密度分布は反射鏡基板や成膜法、成膜条件によって異なるため、実際に使用する反射鏡の反射率測定からこれらのパラメータを求める事が、反射率の正確な予測に不可欠となっている。実際に光学定数や吸収端のエネルギーが文献によって異なる事は良く知られている。本課題は SXT に使用されている反射鏡と同等のサンプルについて、金の M吸収端付近の X 線反射率の詳細測定を行い、光学定数を実験的に決定することを目的としている。
2 結晶分光器	 

持ち込み真空槽	 

図 1 : BL-11B に接続した真空槽。左が上流側。

Photon Factory Activity Report 2014 #32 (2015) B

図２ : 上から見た持ち込み真空槽内部。
（右）模式図	  青：サンプル位置調整 XYZ ステージ、黄：サンプル、茶：2 軸回転ステージ、緑：電子増倍管、赤：光路）
2 実験
X 線反射率測定は BL-11B において 2014 年 11 月に実施した。ビームライン後端よりダクトを追加延長して持ち込んだ真空槽を接続し（図 1）、その内部に測定サンプルおよびサンプル位置合わせ用の平行移動ステージと電子増倍管（浜ホト製 R515）を取り付けた 2 軸回転ステージを設置して行った（図2）。回転軸は鉛直方向となるため、P 偏光に対する反射率測定となっている。X 線のビームサイズは 2結晶分光器の下流側備え付け 4 極スリットとチェンバー内に設置した 0.3 mm 幅のスリットにより成形した。実験は、エネルギー５点（2.1, 2.6, 3.0, 3.3, 4.1keV）において角度スキャンおよび、入射角 5 点（0.5, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 度）において波長スキャン（2.1 – 4.1 keV / 2 eV 刻み、2.2 – 2.35 keV / 0.2 eV 刻み）を行った。
3 結果および考察	  エネルギースキャンによって得られた反射率（図3）が示すように、MV, MIV, MIII, MII, MI の各吸収端を含むエネルギー領域において詳細な構造を高い統計精度で得ることが出来ている。しかし、2 eV 刻み、0.2 eV 刻みとも複数回の測定で 5 〜10% 程度の食い違いが見られた。これまでのデータ解析から、実験中の電子増倍管の検出効率の低下や各スキャン中に検出強度の変動があったことが分かっており、原因と補正法について検討を行っているが、現時点ではこの食い違いが反射率の系統誤差となっている。
180602014kek
SuzakuHenke
402000

2500

3000
3500
Energy [eV]4000

図 4 : 原子散乱因子 f1。黒：本実験データより導出、赤：Suzaku 衛星に用いられた金の反射鏡の反射率測定より得られた f1 (Tamura et al. 2006[3])、緑：Henke et al. 1993
4 まとめ
次期 X 線天文衛星 ASTRO-H 搭載の軟 X 線望遠鏡(SXT)に使用されている反射鏡と同等のサンプルについて反射率測定を行い、金の M 吸収端を含むエネルギー領域において、高い統計精度で反射率曲線を得ることができた。しかし、測定時の検出器出力変動、検出感度変化、分光器動作時のビーム変動の影響によると思われる系統誤差が無視できないため、その原因の究明と補正法の検討を行っている。最終的にはこの結果から得られた光学定数を SXT の性能予測に用いる予定である。
謝辞
実験にあたって、BL-11B 担当の北島義典先生をはじめ PF のスタッフの皆様に大変お世話になりました。末筆ながらお礼申し上げます。

0.5Reflectivity

また、エネルギー 5 点での角度反射率測定から、2結晶の駆動に伴う入射角の変化を示唆する結果も得られており、現在それらを補正した上で光学定数の決定を試みている。補正法についてはまだ検討が続いており、最終的な結果ではないが、図 4 に反射率から得られた原子散乱因子 f1 を示す。なお、f1 を決める際、f2 については本実験データのみでは決定精度が十分でないことから Henke et al. 1993 [2] の値を用いた。最終的にはこのようにして得た f1 を用いてSXT の有効面積等、性能予測を行う。

f1

スリット	 

0.2
0.1

0.05
2500

3000
3500
Energy [eV]4000

図 3 : エネルギー反射率。反射率の高い方か
ら入射角 0.5, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 度。赤・黒:2eV
刻みスキャン、緑・青 : 0.2 eV 刻みスキャン

参考文献[1] T. Takahashi et al., Proc. SPIE, 7732, 7732Z (2010).
[2] B.L. Henke et al., At. Data Nucl. Data Tables, 54, 181(1993)[3] K. Tamura et al., Proc. SPIE, 6266, 62663D* furuzawa@u.phys.nagoya-u.ac.jp