Achieving sub-electron readout noise in Skipper CCDs
电荷耦合器件（CCD）的读出噪声一直是使用这些探测器测量小幅度信号时的主要限制。本文介绍了一种新型科学级低噪声CCD读出系统。讨论了Skipper CCD结构及其在低噪声应用中的优势。本文提出了一种获得亚电子读出噪声电平的方法，并导出了它的噪声和信号特性。我们证明了一个非常低的读出噪声的$0.2e^{-}$ RMS。此外，我们显示的结果使用探测器在低能量X射线探测实验。
2011-06-14 astro-ph.IM physics.ins-det
Comparison of Measurements of Charge Transfer Inefficiencies in a CCD with High-Speed Column Parallel Readout
在过去的二十年里，电荷耦合器件（CCD）已成功地用于几个高能物理实验。它们的高空间分辨率和薄敏感层使其成为研究短寿命粒子的绝佳工具。线性对撞机味道识别（LCFI）合作一直在为未来线性对撞机的顶点检测器开发列并行CCD，其读取速度比标准CCD快许多倍。最近的研究是设计，以减少CCD的门间电容和时钟电压所需的驱动it.A的比较研究的测量电荷转移效率低的值之间的工作温度范围内的我们以前的和新的结果。
2009-11-30 physics.ins-det
Radiation Hardness Studies in a CCD with High-Speed Column Parallel Readout
在过去的二十年里，电荷耦合器件（CCD）已成功地用于几个高能物理实验。它们的高空间分辨率和薄敏感层使其成为研究短寿命粒子的绝佳工具。线性对撞机味道识别（LCFI）合作正在为国际线性对撞机（ILC）的顶点探测器开发列并行CCD（CPCCD）。CPCCD的读取速度比标准CCD快许多倍，大大提高了它们的操作速度。详细的模拟结果的电荷转移效率（CTI）的原型CPCCD的报告和研究的栅极电压上的CTI的影响。通过模拟两个电子陷阱能级0.17和0.44 eV，在不同浓度和工作温度下的影响，研究了体辐射损伤对CPCCD的CTI的影响。还研究了CTI对不同占用水平（命中像素的百分比）和读出频率的依赖性。CPCCD的最佳工作温度，其中的电荷捕获的影响是在最低限度，被发现是约230 K的读出速度的范围内提出的ILC。完整的模拟结果进行了比较，一个简单的分析模型。
2007-11-22 physics.ins-det
Skipper CCD readout time optimization for astronomical applications
Universität Zürich（苏黎世大学）
研究针对天文应用中Skipper CCD读出时间长的问题，提出从第一原理推导的通用优化方案，基于传感器固有噪声功率谱密度建模权衡，可预测最佳工作点，指出最小化每次采样电荷转移时间是实现快速读出的关键。
2026-07-23 astro-ph.IM physics.ins-det
A cryogenic readout integrated circuit with analog pile-up and in-Pixel ADC for high frame rate Skipper CCD-in-CMOS Sensors
Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）
该研究开发了一款带模拟堆积和像素内ADC的低温读出集成电路SPROCKET2，适配高帧频Skipper CCD-in-CMOS传感器，实现低噪声、低功耗与高吞吐量。
2026-08-19 physics.ins-det
Optical Readout of a Two Phase Liquid Argon TPC using CCD Camera and THGEMs
本文介绍了一个初步的研究，使用CCD成像的二次闪烁光厚气体电子倍增器（THGEMs）在两相LAr TPC。将Sony ICX 285 AL CCD芯片安装在40升两相LAr TPC的气相中的双THGEM上方，其中大部分照相机电子器件经由馈通定位在外部。Am-241源安装在可旋转的运动馈通上，允许将α源定位在场笼的内部或外部。为TPC设计而开发并集成的是一种具有LAr绝缘特性的新型高压馈通。此外，还测试了一系列网络摄像头作为内部检测器监控工具在低温下的操作。在测试的网络摄像头中，Microsoft HD-3000（型号：1456）网络摄像头在噪音和最低工作温度方面表现出色。在环境温度和大气压力为1 ppm的纯氩气中，THGEM增益约为1000，并且使用1毫秒曝光，CCD捕获单个α轨迹。CCD相机在两相低温模式下的成功操作也实现了。首次用10秒曝光拍摄到Am-241源在LAr中引起的二次闪烁光。
2014-02-20 physics.ins-det
CCD Readout Electronics for the Subaru Prime Focus Spectrograph
我们提出的斯巴鲁望远镜主焦点摄谱仪（PFS）的CCD读出电子设计的细节。光谱仪由四个相同的光谱仪模块组成，每个模块收集大约600个光谱。光谱仪模块通过使用三个独立的光学通道提供从380 nm到1260 nm的整个波段的同时波长覆盖：蓝色、红色和近红外（NIR）。每个通道中的相机将多对象光谱成像到4k x 4k，15 μ m像素的检测器格式上。两个可见光摄像头使用一对Hamamatsu 2k x 4k CCD，由定制电子设备提供读数，而NIR摄像头使用单个Teledyne HgCdTe 4k x 4k探测器和ASIC Sidecar读取设备。CCD读出系统是由三个电气子系统组成的定制设计：后端电子（BEE），前端电子（FEE）和前置放大器。BEE是一台现成的PC 104计算机，带有辅助Xilinx FPGA模块。计算机作为斯巴鲁消息中心的主要接口，控制与相机相关的其他外围设备，而FPGA用于生成必要的时钟并从CCD传输图像数据。FEE板设置时钟偏置、衬底偏置和CDS偏置。它还监控偏置电压、失调电压、电源轨电压、衬底电压和CCD温度。该板将LVDS时钟信号转换为偏置时钟，并通过LVDS返回数字化模拟数据。使用标准串行接口将监控和控制消息从BEE发送到FEE。前置放大器板位于探测器后面，充当两个Hamamatsu CCD的接口。前置放大器将时钟和偏置传递到CCD，模拟CCD数据在返回到F…
2014-08-14 astro-ph.IM physics.ins-det
Analog pile-up circuit technique using a single capacitor for the readout of Skipper-CCD detectors
使用Skipper-CCD检测器，可以对每个像素上收集的电荷包进行多个采样。在对样本进行平均之后，可以极大地降低噪声，从而允许对每个像素的电子进行精确计数。在这项工作中，我们提出了一种模拟电路，具有最小数量的组件，适用于双斜率积分（DSI），并在同一时间，它平均的多个样本在其输出的像素值与子电子噪声。为此，我们介绍了利用DSI积分电容来增加跳跃样本的技术。文中给出了用分立元件进行实验验证的方法，并分析了其噪声来源和局限性。在平均400个样品后，可以达到0.2 μ l的读出噪声，$e^-_{RMS}/pix$，与其他可用的读出系统相当。由于它的简单性和显着减少的采样要求，这种电路技术是特别感兴趣的粒子实验和相机与高密度的跳跃式CCD。
2021-08-20 hep-ex physics.ins-det
First results from a multiplexed and massive instrument with sub-electron noise Skipper-CCDs
我们提出了一种新的仪器组成的大量的亚电子噪声跳跃CCD操作的两阶段模拟多路复用读出方案适合缩放到数千个通道。来自新代工厂的新型厚$1.35$ Mpix传感器被粘在陶瓷基板上的多芯片模块（MCM）印刷电路板上，每个电路板上有16个传感器。该仪器可以容纳多达16个MCM，总共256个Skipper-CCD传感器（称为具有$\approx 130$克活性质量和$346$ Mpix的超级模块），是OSCURA实验的R $\&$ D工作的一部分，该实验将具有$\approx 94$超级模块。本文给出了$10$ MCMs和$160$ Skipper-CCD传感器的实验结果。这已经是有史以来最大的仪器与单电子灵敏度CCD使用无损读出，无论是在有效质量和通道数量。
2022-11-02 physics.ins-det
X-ray speed reading: enabling fast, low noise readout for next-generation CCDs
目前，最先进的CCD接近能够提供未来战略X射线任务的所有关键性能数据，除了所需的帧速率。我们的斯坦福团队正在寻求通过与麻省理工学院（MIT）和麻省理工学院林肯实验室（MIT-LL）合作开发的微电子，信号处理和新型检测器设备的多管齐下的方法来缩小这一技术差距。在这里，我们报告的结果，从我们的（集成）读出电子的发展，数字信号处理和新的SiSeRO（单电子灵敏读出）设备表征。
2022-08-02 astro-ph.HE astro-ph.IM hep-ex
A Sub-electron-noise Skipper-CCD Readout ASIC with Improved Channel-to-channel Isolation and an Integrated Cryogenic Voltage Reference
Instituto Balseiro（巴尔塞罗研究所）；Instituto de Nanociencia y Nanotecnología INN (CNEA-CONICET)（纳米科学与技术研究所（CNEA-CONICET））；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Universidad Nacional de Córdoba（科尔多瓦国立大学）；Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA)（国家原子能委员会）；CONICET（阿根廷国家科学研究委员会）
本文提出一种改进通道间隔离的跳过型CCD读出ASIC，采用65nm低功耗CMOS工艺，通过双斜积分器实现相关双采样信号处理链，实现从室温到84K的低温工作，改进性能并集成低温电压参考。
2026-03-19 physics.app-ph physics.ins-det
Design of a Non-vacuum-cooling Compact Scientific CCD Camera
CCD于1969年诞生于贝尔实验室，目前已广泛应用于各个领域。它的超低噪声和高量子效率使其在粒子物理、高能物理、核物理和天体物理等领域都有很好的应用。如今，越来越多的CCD相机被开发用于医疗诊断、科学实验、航空航天、军事探测等领域。针对CCD相机种类繁多的特点，研制了一种非真空冷却紧凑型（NVCC）科学CCD相机，包括基于FPGA的低噪声时钟和偏置驱动电路、数据采集电路、基于STM32的温度控制设计。同时，重点研究了成像系统的读出噪声。提出了用超低噪声LDO产生CCD时钟和偏置驱动电路的方案。该相机在多种环境下进行了测试，测试结果表明，当CCD读出速度为500 K pixels/s时，系统可以以最高5 M pixels/s的速率运行，读出噪声低至9.29e^-。最后，对摄像系统进行了一系列的稳定性测试。
2018-05-28 eess.IV physics.ins-det
Effects of Proton Irradiation on the Performance of Skipper CCDs
该研究通过217-MeV质子辐照实验，初步验证了Skipper CCD在超过L2轨道6年累积NIEL剂量后仍能正常工作，并利用其低噪声特性精确表征了辐照引起的性能退化参数。
2024-07-17 physics.ins-det
Proton Irradiation Experiment for the X-ray Charge-Coupled Devices of the Monitor of All-sky X-ray Image mission onboard the International Space Station: I. Experimental Setup and Measurement of the Charge Transfer Inefficiency
本文研究了辐射对日本国际空间站（ISS）上的X射线天文任务（包括全天空X射线图像监视器（MAXI））中使用的CCD的损伤效应。由于低能质子主要在电荷转移通道释放能量，导致电荷转移效率降低，因此我们将实验重点放在低能质子上。一个171 keV至3.91 MeV的质子束照射到一个给定的设备。我们测量了作为增量通量的函数的电荷转移效率（CTI）的退化。292 keV质子束对CTI的降解最严重。考虑到CTI的质子能量依赖性，我们证实了转移通道具有最低的辐射耐受性。我们还开发了不同的设备架构，以减少在轨道上的辐射损伤。其中，增加了埋入沟道注入浓度的“陷波”CCD，导致比外部更深的势阱，具有比普通CCD高三倍的辐射耐受性。然后，我们估计电荷转移效率的CCD在轨道上的国际空间站，考虑质子能谱。如果采用最高辐射耐受性的装置，在最坏情况分析中，在两年的任务寿命之后，CTI值估计为每次转移1.1e-5。这个值完全在可接受的限度内，我们已经证实了用于MAXI任务的CCD的高辐射耐受性。
2002-08-26 astro-ph physics.ins-det physics.space-ph
A Binary Offset Effect in CCD Readout and Its Impact on Astronomical Data
我们发现了CCD读出电子学的异常行为，影响了它们在许多天文应用中的使用。取决于一个像素的二进制编码的CCD输出电压的数字化中的偏移被添加到在一个、两个和/或三个像素之后读出的像素。这种效应的一个结果是，在比较有和没有科学目标通量的区域时，在背景中引入了差分偏移。传统的数据简化方法不校正这种偏移。我们在调查的22台仪器中的16台中发现了这种效应，涵盖了各种望远镜和许多不同的前端电子系统。受影响的仪器包括凯克望远镜上的LRIS和DEIMOS，HST上的WFC 3-UVIS和STIS，CFHT上的MegaCam，UH 88望远镜上的SNIFS，Gemini望远镜上的GMOS，斯巴鲁上的HSC和VLT上的FORS。引入的偏移幅度高达每像素4.5 ADU，并且它与测量的ADU电平不成正比。我们开发了一个模型，可用于检测数据中的这种“二进制偏移效应”并对其进行校正。了解数据如何受到影响并对其进行校正对于精确的天文测量至关重要。
2018-02-20 astro-ph.IM physics.ins-det
Dark Matter in CCDs at Modane (DAMIC-M): a silicon detector apparatus searching for low-energy physics processes
CCD中的暗物质（DAMIC）是一种硅探测器装置，主要用于使用电荷耦合器件（CCD）的硅块作为目标来搜索低质量的暗物质。每个CCD内的硅靶为\SI{675}{\micro\meter}厚，其顶面被划分为超过1600万个\SI{15}{\micro\meter} $\times$ \SI{15}{\micro\meter}像素。DAMIC合作已经在SNOLAB安装了许多这样的CCD。截至2019年，SNOLAB的DAMIC已达到漏电流小于\SI{8.2e-22}{\ampere\per\centi\meter\squared}和读出噪声为\SI{1.6}{\electron}的工作条件，使用5个CCD实现。一个新的DAMIC设备将在几年内安装在Modane的Souterrain。Modane的DAMIC（DAMIC-M）合作将使用劳伦斯伯克利国家实验室设计的改进版CCD，其skipper放大器使用多重采样的非破坏性读出，使CCD能够实现\SI{0.068}{\electron}的读出噪声。低读出噪声，结合这些跳跃CCD的低漏电流，将允许DAMIC-M观察碰撞能量低至\SI{1}{\electronvolt}的物理过程。DAMIC-M实验将由50个大面积的skipper CCD阵列组成，每个CCD的像素超过3600万。下面将介绍SNOLAB的DAMIC装置及其结果，以及新的DAMIC-…
2020-03-05 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Single-electron and single-photon sensitivity with a silicon Skipper CCD
我们已经开发出一种非破坏性的读出系统，使用厚，完全耗尽的电荷耦合器件（CCD）上的浮栅放大器，以实现0.068 e-rms/pix的超低读出噪声。这是第一次在稳定的大面积探测器上可重复地实现了数百万像素的离散子电子读出噪声。这允许精确计数每个像素中的电子数量，范围从具有0个电子的像素到超过1500个电子。由此产生的CCD检测器因此是超灵敏量热计。它还能够在光学和近红外区计数单光子。实现这种创新的非破坏性读出系统对CCD设计和制造的影响可以忽略不计，并且几乎立即有科学应用。作为一个粒子探测器，这款CCD将对低质量暗物质粒子和相干中微子-核散射具有前所未有的灵敏度，而天文学应用则包括未来对系外行星的直接成像和光谱学研究。
2017-05-31 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.IM
Readout Optimization of Multi-Amplifier Sensing Charge-Coupled Devices for Single-Quantum Measurement
针对Skipper-CCD多次测量带来的读出时间长的问题，提出串联多浮栅放大器的MAS-CCD架构，通过两种新型读出模式优化速度，实现亚电子噪声与单光子级信号分辨。
2025-02-21 astro-ph.IM physics.ins-det
Optimizing Charge-coupled Device Readout Enabled by the Floating-Gate Amplifier
本文提出并验证了利用MAS CCD浮栅放大器优化相关双采样的新读出技术，通过逐行复位、最优滤波及独立调节积分时间，在19 μs/像素下实现0.9 e⁻噪声，读出速度提升30%，噪声降低10%。
2025-04-10 astro-ph.IM physics.ins-det
Radiation Hardness of CCD Vertex Detectors for the ILC
详细的模拟结果的原型CCD芯片的电荷转移效率低下的报告。本文研究了在未来加速器上工作的粒子探测器的辐射损伤效应，方法是检查导带底部以下0.17 eV和0.44 eV的两个电子陷阱能级。使用ISE-TCAD DESSIS程序和0.17 eV能级的分析模型的模拟之间发现良好的协议。最佳操作被预测为在约250 K的陷阱的影响是最小的，这是近似独立的读出频率。这项工作是在国际线性对撞机（ILC）项目的背景下，在线性对撞机风味识别（LCFI）合作范围内进行的。
2006-11-28 physics.ins-det
Achieving Single-Electron Sensitivity at Enhanced Speed in Fully-Depleted CCDs with Double-Gate MOSFETs
本文提出一种基于双栅 MOSFET 的新型输出放大器，用于完全耗尽厚 p 沟道 CCD，通过结耦合实现亚电子读出噪声、非破坏性读出及单电子/单光子计数，并在单次和多次采样下以至少六倍于浮置栅放大器的速度超越现有读出方案。
2023-10-20 astro-ph.EP astro-ph.IM hep-ex
Tiny-box: A tool for the versatile development and characterization of low noise fast X-ray imaging detectors
X射线电荷耦合器件（CCD）在过去的四分之一世纪里一直是软X射线天文仪器的主力。它们在软X射线中提供宽能量响应、极低的电子读取噪声和良好的能量分辨率。这些特性，加上现代CCD的大阵列和小像素尺寸，使它们成为下一代天文X射线任务的潜在候选者，这些任务配备了大收集区域，高角分辨率和宽视场，能够观测微弱，漫射和高红移的X射线宇宙。然而，如此高的收集面积（约30倍钱德拉）要求这些探测器具有比当前CCD快一个数量级的读出，以避免饱和和堆积效应。在这种背景下，斯坦福大学和麻省理工学院已经开始开发快速读出X射线相机。作为这种开发的工具，我们设计了一个快速读出，低噪声电子板（旨在以每秒500万像素的数据速率工作）与STA执政官控制器耦合，读出512 × 512 CCD（来自麻省理工学院林肯实验室）。这种多功能设置使我们能够研究许多参数和操作条件，包括数字整形选项。在本文中，我们描述了表征测试台，读出电子学的概念和发展，以及模拟结果。我们还报告了第一次测量的读取噪声，能量分辨率和其他参数，从这个设置。虽然这只是一个原型，但我们计划在未来使用更大的多节点CCD器件，并配备专用ASIC读出系统，以实现更快的CCD并行读出。
2020-12-13 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
Astronomical Spectroscopy with Skipper CCDs: First Results from a Skipper CCD Focal Plane Prototype at SIFS
本研究展示了SIFS的超低读出噪声Skipper CCD焦平面原型的首批在轨结果，优化读出时序实现亚电子级噪声，通过多类天体观测验证了其在低背景下的信噪比提升，为相关天文研究与探测器架构优化提供了支撑。
2024-06-15 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.ins-det
Imaging $^{55}$Fe Electron Tracks in a GEM-based TPC Using a CCD Readout
本文首次利用光学读出TPC和GEM/THGEM放大器件，在低压CF$_4$气体中实现了5.9 keV电子径迹的成像与能谱测量，为暗物质探测和X射线偏振测量提供了重要工具。
2020-04-24 astro-ph.IM hep-ex nucl-ex
Development of the analog ASIC for multi-channel readout X-ray CCD camera
本文介绍了一种针对新一代X射线天文卫星ASTRO-H上的X射线CCD相机系统前端电子学设计的模拟专用集成电路（ASIC）的性能。它有四个相同的通道，同时处理CCD信号。独特的模数转换能力使我们能够构建仅输出数字信号的CCD相机主体。前端电子测试的结果是，在像素速率低于100 kHz时，它可以在=<30 uV的低输入噪声下正常工作。功耗足够低，约为150 mW/芯片。720 mV的输入信号范围涵盖了典型X射线光子计数CCD的有效能量范围（高达20 keV）。综合非线性度为0.2%，与在轨常规CCD的综合非线性度相近。我们还对总电离剂量（TID）效应和单粒子效应进行了辐射耐受性试验。用~（60）Co和质子束进行的辐照试验表明，ASIC具有足够的抗TID耐受能力，耐受剂量可达200 krad，绝对超过了在低倾角近地轨道运行期间的预期剂量。以5.2x10^8 Ion/cm 2的注量照射Fe离子不会导致单粒子闭锁（SEL），尽管存在一些可能的单粒子翻转。SEL的阈值高于1.68 MeV cm ^2/mg，这足够高，SEL事件不应该成为轨道上仪器停机的主要原因之一。
2011-02-12 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
A multi-channel silicon package for large-scale skipper-CCD experiments
本文提出并验证一种可量产的多通道高密度硅基封装，用于支撑 10 kg、24000 通道的大规模 skipper-CCD 稀有事件搜索实验。
2025-01-12 astro-ph.IM physics.ins-det
Characterization of Spurious Charge in SENSEI Skipper-CCDs
C.N. Yang Institute for Theoretical Physics, Stony Brook University（纽约州立大学石溪分校杨振宁理论物理研究所）；Department of Physics and Astronomy, Stony Brook University（纽约州立大学石溪分校物理与天文学系）；Department of Physics and Institute for Fundamental Science, University of Oregon（俄勒冈大学物理与基础科学研究所）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Département de Physique, Université de Montréal（蒙特利尔大学物理系）；Instituto de Inv. en Ing. Eléctrica (IIIE), Dpto. de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras (DIEC), Universidad Nacional del Sur (UNS)-CONICET（国立苏尔大学电气与计算机工程系电气研究研究所（IIIE）-阿根廷科学与技术研究委员会）；Department of Astronomy and Astrophysics, University of Chicago（芝加哥大学天文与天体物理学系）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；School of Physics and Astronomy, Tel-Aviv University（特拉维夫大学物理与天文学学院）
通过表征SENSEI Skipper-CCD中活性区和串行寄存器的杂散电荷，提出三电平时钟方案将串行寄存器单电子密度降低约7倍。
2026-05-28 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Absolute measurement of the Fano factor using a Skipper-CCD
跳跃式CCD可以实现深亚电子读出噪声，使得可以在大范围内，从0到1900以上的电子的电离电子的确切数目的绝对确定。在这项工作中，我们提出了一种新的技术，利用这种独特的能力，使自我校准和硅性能的最终确定。我们对$^{55}$ Fe X射线产生的电荷分布的方差和平均数进行了绝对测量，得到了Si在123 K和5.9 keV下的Fano因子绝对测量值。发现0.119 $\pm$ 0.002的值，并且确定电子-空穴对产生能量为（3.749 $\pm$ 0.001）eV。该技术为在低能量下直接测量Fano因子提供了机会。
2020-11-06 physics.ins-det
Physics of reverse annealing in high-resistivity Chandra ACIS CCDs
钱德拉X射线天文台上的一个焦平面仪器-高级CCD成像光谱仪在发射后，由于在穿过地球辐射带的过程中暴露于软质子而受到辐射损害。损坏的影响是增加前照式CCD的电荷转移效率（CTI）。作为初始损坏评估的一部分，焦平面从-100 ℃的工作温度加热到+30 ℃，这意外地进一步增加了CTI。我们报告的ACIS CCD照射实验结果在实验室中，旨在更好地了解这种反向退火过程。六个CCD冷照射的能量范围从100 keV到400 keV的质子，然后在三个退火周期之一进行模拟烘烤。我们提出了这些实验室实验的结果，将它们与我们以前在地面和飞行中的经验进行比较，并推导出退火时间常数的限制。
2008-07-10 astro-ph physics.ins-det
Background Rejection in the DMTPC Dark Matter Search Using Charge Signals
暗物质时间投影室（DMTPC）合作正在开发用于测量WIMP-核子相互作用的低压气体TPC探测器。CCD相机的光学读出允许在暗物质风的方向上检测日常调制，而几个电荷读出通道允许测量额外的反冲特性。在这篇文章中，我们表明，除了电荷读出分析的CCD允许我们也获得一个南极极限90%的C. L。对于能量在40和200 keV之间的反冲$_{\mathrm{ee}}$，$e^-$抑制因子的上限为$5.6\times10^{-6}$。此外，要求电荷信号与CCD中的光之间的重合将CCD特定背景减少了两个数量级以上。
2011-09-15 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Radiation tolerance of FPCCD vertex detector for the ILC
精细像素CCD（FPCCD）是ILC顶点检测器的候选传感器技术之一。顶点探测器位于相互作用点附近，因此需要高的辐射耐受性。辐射损伤在CCD像素中形成陷阱，降低了CCD的电荷传输效率。我们测量了中子辐照FPCCD原型的电荷转移效率（CTI）。我们观察到的CTI的降解相比，非辐照CCD。为了提高辐照CCD的CTI，我们采用了零电荷注入填充陷阱。在本文中，我们报告了CTI改进的现状。
2017-03-16 hep-ex physics.ins-det
Enhancing spatial resolution of soft x-ray CCD detectors by single-photon centroid determination
在电荷耦合器件（CCD）检测器中，在吸收单个X射线光子时激发的电子快速扩散并产生通常大于像素尺寸的电荷点。在软X射线范围内，无论像素大小如何，这种现象都将有效空间分辨率限制在约25μm。对于非常低的注量，可以在每个单独的点上使用电荷云质心确定来以亚像素精度估计实际光子撞击位置。读出噪声和速度以及电荷和空间欠采样是限制商业设备中该过程的准确性的主要因素。我们已经开发并广泛测试了一种算法，有效的质心重建图像采集的低噪声探测器不设计用于单光子计数。因此，我们测量了6-7μm的CCD与13.5μm和20.0μm像素大小，约1 keV光子能量的位置不确定性。我们已经分析了质心计算性能的光斑生成过程建模。我们展示了分辨率如何受到随机不确定性的影响，主要归因于读出噪声，和系统误差，由于欠采样的电荷点。本研究的动机是在共振非弹性（软）X射线散射（RIXS），出射同步辐射为基础的光谱学的高分辨率，高灵敏度的二维位置敏感探测器的需求不断增长。
2014-10-06 astro-ph.IM physics.ins-det
Multiple-Amplifier Sensing Charged-Coupled Device: Model and improvement of the Node Removal Efficiency
本研究细化了多放大器传感电荷耦合器件（MAS-CCD）中节点去除低效（NRI）机制的数学描述，提出量化方法与低改动操作策略，经16放大器器件实验验证可将NRI效应降至与其他失真源相当的水平。
2025-02-21 astro-ph.IM physics.ins-det
Infrared photon-number-resolving imager using a Skipper-CCD
在具有高信噪比的宽光强范围内成像是量子精密测量和天文学等不同领域的关键能力。在量子成像中实现高信噪比导致在参数估计中超越经典极限。在天文探测中，寻找可居住的系外行星需要在其大气层中进行红外成像，以寻找生物特征。这些光学应用受到检测噪声的阻碍，这严重限制了它们的潜力，因此需要光子数和空间分辨率探测器。在这里，我们报告的红外波长范围内的成像设备，能够任意降低读出噪声。我们建立了一个测量曝光跳跃CCD传感器仪器配备了厚背照式传感器，具有光子数分辨能力在一个宽的动态范围内，空间分辨率，高量子效率在近红外和超低暗计数。该设备使我们能够在同一帧内以广泛的强度对物体进行成像，并通过将读出噪声降低到小于0.2e $^-$，甚至可以区分每个像素不到两个光子的形状，揭示先前隐藏在噪声中的东西。这些结果为基于Skipper-CCD的高标准红外成像仪的研制奠定了基础。
2023-01-26 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Development and testing of integrated readout electronics for next generation SiSeRO (Single electron Sensitive Read Out) devices
针对第一代SiSeRO放大器的技术成熟需求，斯坦福大学等合作开发新型SiSeRO探测器及专用MCRC读出ASIC，首次测试了SiSeRO CCD与MCRC结合的性能，推动下一代器件发展。
2025-08-19 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
Output-Stage Design Optimization for High-Sensitivity SiSeRO CCDs and SiSeRO Active Pixel Sensors
Kavli Institute of Astrophysics and Cosmology, Stanford University（斯坦福大学天体物理与宇宙学 Kavli 研究所）；MIT Lincoln Laboratory（麻省理工学院林肯实验室）；Department of Physics, Stanford University（斯坦福大学物理系）；SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院天体物理与空间研究 Kavli 研究所）
研究针对高灵敏度SiSeRO CCD和有源像素传感器的输出级设计优化。通过模拟优化传感晶体管及其内部栅极几何结构提升噪声和速度性能，目标是结合两者优势开发新传感器，还讨论了器件模拟框架及第一代器件设计参数优化。
2026-07-28 astro-ph.IM physics.ins-det
Background Rejection in the DMTPC Dark Matter Search Using Charge Signals
暗物质时间投影室（DMTPC）合作正在开发一种用于探测弱相互作用大质量粒子（WIMP）-核子相互作用的低压气体TPC。CCD摄像机的光学读数允许检测暗物质风方向的日常调制。为了达到WIMP探测所需的灵敏度，探测器需要最小化来自电子反冲的背景。本文表明，一个简化的CCD分析实现了$7.3\times10^{-5}$拒绝电子反冲，而电荷分析产生的$3.3\times10^{-4}$的电子排斥因子的事件与$^{241}$上午等效电离能损失40 keV和200 keV之间。结合电荷和CCD分析产生了$1.1\times10^{-5}$（90%置信水平）的背景限制上限，用于拒绝$γ$和电子事件。通过引入围绕TPC中的敏感区域的否决电极来消除来自场笼的α衰变的背景。当需要与电荷读出重合时，CCD特定背景减少了两个数量级以上。
2013-01-28 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Towards a quantum realization of the ampere using single-electron resolution Skipper-CCDs
本文展示了具有单电子计数能力的Skipper-CCD传感器作为电子泵电流源实现技术的概念验证，通过自校准电荷包等功能及实验验证其在安培量子实现中的潜力。
2025-02-11 physics.ins-det quant-ph
Measurements of Charge Transfer Efficiency in a Proton-irradiated Swept Charge Device
在过去的二十年里，电荷耦合器件（CCD）已成功地应用于几颗低能X射线天文卫星。它们的高能量分辨率和高空间分辨率使其成为研究星系团形成和黑洞环境等低能天文学的理想工具。低能X射线望远镜（LE）小组正在为硬X射线调制望远镜（HXMT）卫星开发扫掠电荷装置（SCD）。SCD是一种特殊的低能量X射线CCD，其读出速度比传统CCD快上千倍，同时保持了优异的能量分辨率。建立了一种测量SCD样机电荷转移效率（CTE）的方法。电荷转移效率（CTI）的研究已经进行了在一个温度范围内的操作，与质子照射的SCD。
2013-08-07 astro-ph.IM physics.ins-det
X-ray Response of the Fully-Depleted, p-Channel SiSeRO-CCD
University of Chicago（芝加哥大学）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) & Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Universidad Nacional de Córdoba（阿根廷国家原子能委员会（CNEA）与阿根廷国家科学研究委员会（CONICET），科尔多瓦国立大学）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；MIT Lincoln Laboratory（麻省理工学院林肯实验室）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
研究全耗尽p通道SiSeRO-CCD在X射线下的响应，通过55Fe和241Am源测量，验证了其高能分辨能力和电荷收集效率，适用于宽能区X射线光谱学。
2026-06-06 astro-ph.IM physics.ins-det
Fluence Dependence of Charge Collection of irradiated Pixel Sensors
CMS像素探测器的桶区将配备“n中n”型硅传感器。它们在DOFZ材料上进行加工，使用缓和p喷雾技术并具有偏置网格。后者导致像素区域的一小部分对颗粒不太敏感。为了量化这种低效率，已经将照射到$4.7\times 10^{13}$和$2.6\times 10^{15} \Neq$之间的粒子注量的原型像素传感器凸块接合到未照射的读出芯片，并在CERN SPS的H2束线处使用高能π介子进行测试。读出芯片允许非零抑制模拟读出，因此非常适合测量传感器的电荷收集特性。在本文中，我们讨论了收集的信号和粒子探测效率的注量依赖性。进一步的位置依赖性的效率进行了研究。
2005-01-04 physics.ins-det
X-ray speed reading with the MCRC: prototype success and next generation upgrades
本文介绍用于AXIS任务的MCRC ASIC原型读出芯片，其具备8通道高速低功耗特性，性能媲美分立器件且抗辐射达25 krad，并展望下一代升级以推进片上读出方案成熟度。
2024-07-23 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
A High Pressure Time Projection Chamber with Optical Readout
质子-核散射测量和高分辨率中微子-核相互作用成像是未来实验中降低中微子振荡系统不确定性的关键。一个高压时间投影室（HPTPC）原型已经在伦敦皇家霍洛威大学和欧洲核子研究中心建成并投入使用，作为HPTPC发展的第一步，该HPTPC能够进行这些测量，作为未来长基线中微子振荡实验（如深地下中微子实验）的一部分。在本文中，我们描述的设计和操作的原型HPTPC与氩基气体混合物。我们报告成功的混合充电和光学读出，使用四个CCD相机，从Am-241源的信号。
2021-06-02 hep-ex physics.ins-det
GEM-based TPC with CCD Imaging for Directional Dark Matter Detection
本文介绍一种基于GEM的高分辨率CCD读出TPC，用于方向性暗物质探测，实现低能电子与核反冲径迹的精确测量和背景甄别。
2016-09-23 astro-ph.IM hep-ex nucl-ex
Skipper-in-CMOS: Non-Destructive Readout with Sub-Electron Noise Performance for Pixel Detectors
Skipper-in-CMOS传感器结合了Skipper-CCD的非破坏性读出与CMOS工艺的高转换增益，实现了单光子计数与高帧率读出，实验证实其读出噪声可降至0.15rms e-。
2024-11-13 astro-ph.IM physics.ins-det
High Voltage CMOS Control Interface for Astronomy - Grade Charged Coupled Devices
Pan-STARRS望远镜由一组较小的反射镜组成，由千兆像素的CCD阵列观察。这些焦平面采用正交传输CCD（OTCCD）来实现片上图像稳定。每个OTCCD都具有外部控制的高级逻辑功能。研制了一种CMOS高压接口器件，用于从读出和控制系统STARGRASP提供合适的电压信号电平。OTCCD芯片的输出电平范围为-3.3V至16.7V，根据负载电容（50 pF和1000 pF）的不同，需要两种不同的输出驱动强度，驱动电流为24 mA，上升时间为100 ns。该芯片中还包含其他测试ADC结构，以评估下一版本芯片的未来功能添加。
2008-08-12 physics.ins-det physics.space-ph
High Dynamic Range Spatial Mode Decomposition
低功率光学高阶空间模式的精确读出对于精密计量界越来越重要。模式传感器用于防止模式失配降低量子和热噪声减轻策略。直接模态分析传感器（MODAN）是一种很有前途的技术，用于实时监测任意高阶模态。我们展示了MODAN与光电二极管读出，以减轻典型的低动态范围的CCD。我们在传感器的响应中寻找不对称性，以打破MODAN和光电二极管的相对对准中的简并，从而提高模式传感器的动态范围。我们提供了一个公差分析和显示方法，可以应用于传感器超越一阶空间模式。
2020-03-03 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
First results on SiSeRO (Single electron Sensitive Read Out) devices -- a new X-ray detector for scientific instrumentation
我们提出了一种新的片上电荷检测器，称为单电子敏感读出（SiSeRO），电荷耦合器件（CCD）图像传感器的应用程序的评估。它在输出级使用p-MOSFET晶体管，p-MOSFET下方有一个耗尽型内部栅极。转移到内部栅极的电荷调制晶体管的源极-漏极电流。我们已经开发了一个漏电流读出模块来表征探测器。原型传感器实现了每电子700 pA的电荷/电流转换增益，15个电子（e-）均方根（RMS）的等效噪声电荷（ENC），和在5.9 keV的230 eV的半高全宽（FWHM）。在本文中，我们讨论了SiSeRO的工作原理，在斯坦福大学开发的读出模块，和SiSeRO原型的第一个表征测试结果。虽然目前只是一个概念验证实验，但在不久的将来，我们计划使用具有改进的噪声性能和增强的读出模块的下一代传感器。特别是，我们正在开发一个读出模块，使重复非破坏性读出（RNDR）的电荷，这可以在原则上产生亚电子ENC性能。随着这些发展，我们最终计划建立一个SiSeRO放大器矩阵，以开发一个有源像素传感器与片上基于ASIC的读出系统。这样的系统，具有快速的读出速度和亚电子噪声，可以有效地利用在需要快速和低噪声光谱成像仪的科学应用。
2021-12-09 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
Demonstrating sub-electron noise performance in Single electron Sensitive Readout (SiSeRO) devices
本文演示了SiSeRO器件的亚电子噪声灵敏度，通过优化的RNDR测量装置实现了更低的等效噪声电荷，为下一代天文X射线望远镜的有源像素传感器阵列发展铺平道路。
2024-07-23 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
Single electron Sensitive Readout (SiSeRO) X-ray detectors: Technological progress and characterization
单电子灵敏读出（SiSeRO）是一种新型的电荷耦合器件（CCD）图像传感器片上电荷检测器输出级。该技术由麻省理工学院林肯实验室开发，使用p-MOSFET晶体管，在晶体管沟道下方具有耗尽的内部栅极。晶体管的源漏电流是由电荷转移到内部栅极调制的。在斯坦福大学，我们开发了一种基于片上晶体管漏极电流的读出模块来表征器件。对具有不同器件架构的许多原型传感器进行了表征，例如内部栅极的位置、MOSFET多晶硅栅极结构以及内部栅极中的槽相对于MOSFET的源极和漏极的位置（引入槽以限制内部栅极中的电荷）。使用掩埋沟道SiSeRO，我们已经实现了每个电子> 700 pA的电荷/电流转换增益，大约6个电子均方根（RMS）的等效噪声电荷（ENC），以及在5.9 keV下在625 Kpixel/s的读出速度下大约140 eV的半高全宽（FWHM）。在本文中，我们讨论了SiSeRO的工作原理，在斯坦福大学开发的读出模块，和SiSeRO原型的表征测试结果。我们还讨论了潜在的实现重复非破坏性读出（RNDR）与这些设备和初步的结果，可以在原则上产生亚电子ENC性能。额外的测量和详细的器件模拟对于SiSeRO技术的成熟至关重要。然而，这种新的设备类提出了一个令人兴奋的技术，下一代天文X射线望远镜需要快速，低噪声，辐射硬百万像素成像仪与中等光谱分辨率。
2022-08-01 astro-ph.HE astro-ph.IM hep-ex
The On-Sky Performance of the LSST Camera CCD Array
University of Zurich（苏黎世大学）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）；National Astronomical Observatory of Japan, Chile Observatory（日本国家天文台智利观测站）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）；Sorbonne Université, Université Paris Cité（索邦大学，巴黎西岱大学）；Université Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；Harvard University（哈佛大学）；Université Savoie Mont-Blanc（萨瓦蒙布朗大学）；University of California–Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Aix Marseille Université（艾克斯马赛大学）；Duke University（杜克大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；D4D CONSULTING（D4D咨询公司）
本文报告了LSST相机CCD阵列在2024年5月接收后至运行首年的星上性能，包括处理电气短路和ADC故障、优化读出时序、增强焦平面安全措施，以及观测到的传感器特征和整体表现。
2026-07-01 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
