X線とは原子中の電子が遷移を起こした際に放出される フォトンであり、ガンマ線とは原子核のエネルギー遷移に より放出されるフォトンの事です。しかしながら、 宇宙物理学の分野では 1keV程度から10keV程度のエネルギーを 持ったフォトンの事をX線と呼ぶ場合が多いです。 また10keV以上から数100keV程度までのフォトンを 硬X線という呼び方をする場合があります。またそれ以上の エネルギーを持ったフォトンはガンマ線と呼ばれる事が 多いです。以下では、宇宙物理学の慣習に則った呼び方を します。またこのページでは、筆者が偏光度検出器を専門に 開発しているため、主に偏光度検出器に関して詳しく述べます。 他に関しては、リンクを張ったページを見てみてください。

文責：山形大学理学部　郡司修一

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• 光電吸収
  原子にX線が吸収される現象であり、原子からは電子が 放出される。X線や硬X線が光電吸収を起こす確率は、 物質の原子番号の4乗から5乗に比例する。
• コンプトン散乱
  X線が原子中の電子により散乱される現象。X線はエネルギーの 一部を電子に与え、生き残る。 X線や硬X線がコンプトン散乱を起こす確率は、 物質の原子番号の1乗にほぼ比例する。
• ペアークリエーション
  ガンマ線が、原子核のクーロン場と相互 作用を起こして、電子と陽電子のペアーに変換される 現象。この相互作用は、1.022MeV以上のガンマ線でしか 起こらない。ガンマ線がペアクリエーションを起こす 確率は物質の原子番号の2乗にほぼ比例する。

　

• エネルギー情報
  エネルギー情報を正確に取得するには、エネルギー 分解能の優れた検出器を使用する事が要求されます。 高いエネルギー分解能を持った検出器に必要とされる 条件は、多数のキャリアを放出するという事です。 例えば、シンチレーション検出器でX線や硬X線が光電吸収 されると、X線のエネルギーに比例した数のフォトン(光)が 放出されます。またガス検出器の場合には、X線のエネルギーに 比例した数の電子が生成されます。 キャリアとは、この様なフォトンや電子の事を指します。 検出器のエネルギー分解能の善し悪しは、このキャリア数の 統計的なふらつきに大きく依存します。キャリア数が多ければ、 この統計的なふらつきが少なくなり、エネルギー分解能の 高い検出器が製作できます。 以下の表は、1つのキャリアを作るのにそれぞれの検出器が どの程度のエネルギーを必要とするかをまとめたものです。

  検出器の種類	キャリアの種類	1つのキャリア生成に必要なエネルギー	エネルギー分解能
  シンチレーター	光	20eV程度	〜 25% @30keV
  ガス検出器	電子	20eV程度	〜20%@6keV
  半導体検出器	電子ホールペア	数eV	〜1%@10keV
  マイクロカロリメーター	フォノン	数ミリeV以下	〜0.1%@10keV

  この表を見て分かるとおり、マイクロカロリメーターというものが 圧倒的に1つのキャリアを生成するエネルギーが小さく、 多くのキャリアを作れるのが分かると思います。 マイクロカロリメーターという検出器は、X線が入ると、 その検出器の温度が上昇し、その温度上昇でX線のエネルギーを 調べるという検出器です。極低温に冷やさなければ使用できない という欠点もありますが、今後注目の検出器です。 また、この原理を応用してさらに高感度の TES(Transition Edge Sensor)という検出器も 現在日本で開発されています。
• 時間情報
  時間情報を正確に取得するには、時間分解能の優れた検出器を 使用する事が要求されます。高い時間分解能を持った検出器とは X線が入射してから、信号が出てくるまでの時間が短いこと です。ですから、シンチレーション検出器であれば、 蛍光減衰時間の短いシンチレーター(数nsec〜数10nsec)が 有利となります。また半導体検出器も応答時間が10nsec以下と 短く、工夫次第で時間分解能の高い検出器を作る事ができます。
• 位置情報
  位置情報を正確に取得するには、位置分解能の優れた検出器を 使用する事が要求されます。現在最も位置分解能の良い検出器は X線用CCDです。CCDのピクセルサイズは、現在20ミクロンメーター 角程度のものが主流ですが、10ミクロンメーターを 切るようなサイズの CCDの開発も日本で行われています。 またCCDは半導体検出器であるため、エネルギー分解能が良く、 X線天文衛星によく搭載されている検出器です。
• 偏光情報
  偏光情報を正確に取得できる検出器は、現在ほとんど 存在せず、その開発が待たれています。X線天文学では、 円偏光の測定よりも、直線偏光の測定の方が物理的に 重要であるため、ここでは、直線偏光の検出に焦点を 当てて説明します。
  X線も電磁波の一種であるため、電場と磁場が交互に 振動しながら空間を伝わるという事に変わりはありません。 この電場の振動方向を偏光方向と呼びます。
  この振動方向を検出するために、光電吸収を利用した 検出器と、コンプトン散乱を利用した検出器が 使われます。
  
  
  • 光電吸収を使用した偏光度検出器
    以下の式は、K殻の電子でX線が光電吸収された場合の 散乱断面積です。
    
    
    この式を見て分かるのは、電子はX線の偏光方向に 沿って飛び出しやすいという事です。 つまり逆に光電吸収により飛び出した電子の方向を同定してやれば、 X線の偏光方向に対する情報が得られます。 この原理を使った検出器はX線領域に感度があります。 この原理を使用した最新の検出器はこのページを 見てください。
    
    
  • コンプトン散乱を使用した偏光度検出器
    以下の式は、コンプトン散乱の散乱断面積を示した式(Klein-Nishina Equation)です。
    
    
    この式を見て分かるのは、X線は、偏光方向に対して垂直に散乱 されやすいという事です。従って、コンプトン散乱によって 散乱されたX線の方向を同定すれば、入射X線の偏光方向に対する 情報が得られます。この原理を使った検出器は硬X線領域に 感度があります。 この原理を使用した最新の検出器はこのページを 見てください。
  この2つの原理の他にも、ブラッグ結晶を使った方法等が存在します。 しかし、ブラッグ結晶を利用した方法では、ある特定のエネルギーに 対してしか感度がないので、 広いエネルギーレンジをカバーするのには向いていません。