An Analytical Model of Radiation-Induced Charge Transfer Inefficiency for CCD Detectors
欧洲航天局的盖亚任务计划于2013年发射。它将在L2运行5年，缓慢旋转以扫描天空，使其两个光学望远镜将重复观测超过10亿颗恒星。由此产生的数据集将迭代减少，以解决每个观察到的恒星的位置，视差和自行。焦平面包含106个大面积硅CCD，连续工作在线路传输速率和卫星旋转同步的模式下。任务面临的最大挑战之一是对CCD的辐射损伤，这将导致电荷延迟和图像形状失真。这一点特别重要，因为飞行任务对精确度的要求极高。尽管在硬件层面采取了措施以尽量减少辐射的影响，但在管道数据处理期间仍需要校准残余失真。由于所涉及的数据量和不均匀性，这需要一个模型来描述辐射损伤的影响，该模型在物理上是真实的，但速度足够快，可以在管道中实现。由此产生的电荷畸变模型是专门为盖亚CCD操作模式开发的。然而，本文提出了一个广义的版本，这已经被应用在更广泛的背景下，例如，研究辐射损伤对欧几里得暗能量任务数据的影响。
2013-02-06 astro-ph.IM
An optical test bench for the precision characterization of absolute quantum efficiency for the TESS CCD detectors
凌日系外行星调查卫星（TESS）将搜索Ic<13的行星。TESS已被美国宇航局选为2018年发射的天体物理学探测器任务，预计将发现1000颗或更多比海王星小的行星。TESS将使用四个宽视场光学电荷耦合器件（CCD）相机，带通为650 nm-1050 nm，以检测由于行星凌日而导致的恒星亮度暂时下降。1050 nm限值由CCD的量子效率（QE）设定。探测器组件由四个背照式MIT林肯实验室CCID-80设备组成。每个CCID-80设备由2048 x2048成像阵列和2048 x2048帧存储区域组成。对CCD探测器进行非常精确的地面校准和定性，将大大有助于分析在空间获得的科学数据。CCD探测器的绝对QE的表征是表征过程的关键部分，因为QE在TESS将工作的较红波长上显著影响CCD的性能。已经开发出具有显著高光度稳定性的光学测试台，以执行精确的QE测量。的测试设置以及关键硬件，方法和测试活动的结果的设计。
2019-11-21 astro-ph.IM physics.ins-det
Intrapixel effects of CCD and CMOS detectors
像素内非均匀性存在于CCD和CMOS图像传感器中，尽管背照式（BSI）CCD中的影响太小，以至于大多数天文观测都不关心。然而，像大型综合巡天望远镜这样的项目需要对探测器特性有精确的了解，像素内效应可能需要更多的关注。通过扫描CCD和CMOS相机与一个小光点（未解决的光学），我们发现在图像中的斑点的通量，质心位移，和椭圆率周期性变化的像素尺度上，在大多数情况下。变化幅度不仅取决于检测器，还取决于像素对光斑的采样程度。当测量的光斑半径为2个像素（包围80%能量）时，从BSI CCD相机提取的通量和椭圆率分别变化0.2-0.3%（rms）和0.005（rms），而质心位置的偏差（rms ~ 0.01像素）与像素不相关。BSI CMOS相机的影响更为明显，正面照明CMOS相机的影响甚至更糟。结果表明，需要更仔细地检查像素内的影响，精密天文学。
2017-07-22 astro-ph.CO astro-ph.IM
Optimization of a CCD-in-CMOS TDI detector's operating clock voltages by Taguchi based Grey relational analysis
近年来，CMOS中的CCD TDI图像传感器在许多小型卫星任务中变得越来越受欢迎，以确保对低地球观测的快速和负担得起的空间访问。我们的单片CCD-in-CMOS TDI成像仪采用专门开发的技术，结合了传统CCD TDI的优势和CMOS片上系统（SoC）设计的优势。与CCD一样，该检测器也由大量时钟电压控制。优化这些电压允许通过改善多个特性参数（诸如全阱容量（FWC）、暗电流、线性度、暗信号非均匀性（DSNU）和电荷转移效率（CTE））来提高检测器的性能。传统上，标准做法是通过试错法调整CCD电压以获得更好的图像。由于大的参数空间，这样的主观过程可能产生远离最佳性能。本文报道了一种应用于时钟电压的实验设计（DOE）技术，以改善检测器的多个性能参数。该方法利用田口的正交实验阵列，以减少不同的电压组合的实验的数量。最后，通过将检测器的多个性能参数转化为单一的灰色关联度，得到最优的时钟电压组合。在该过程中，根据性能特性对获取参数值的序列进行分类。越高越好的条件用于FWC和CTE等参数，而越低越好的条件用于暗电流、线性误差和DSNU等参数。
2021-10-01 astro-ph.IM physics.ins-det
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
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
UV anti-reflection coatings for use in silicon detector design
我们报告的CCD检测器的涂层的发展优化用于固定色散紫外光谱仪。由于Si的折射率快速变化，单层宽带抗反射涂层不适合在所有感兴趣的波长处增加量子效率。相反，我们描述了一种创造性的解决方案，它在UV波长上提供了出色的性能。我们描述了在120至300 nm波长处理论量子效率（QE）大于60%的CCD探测器的发展进展。这种高效率可以通过用一系列薄膜抗反射涂层涂覆背面照明的、减薄的、δ掺杂的CCD来实现。测试的材料包括MgF 2（针对120- 150 nm的最高性能进行了优化）、SiO2（150- 180 nm）、Al 2 O3（180- 240 nm）、MgO（200- 250 nm）和HfO 2（240- 300 nm）。各种沉积技术进行了测试，并选择的涂层，最大限度地减少硅测试晶片上的反射率被施加到生活设备。我们还讨论了未来的用途和改进，包括梯度和多层涂层。
2011-02-10 astro-ph.IM
Large-format imaging systems based on solid-state detectors in optical astronomy
本文综述了光学天文中固态探测器技术，分析CCD和CMOS大幅面成像系统设计，介绍俄罗斯望远镜探测器发展及测试结果，并展望国内外制造前景。
2024-12-14 astro-ph.IM
First results for second generation SiSeRO CCD devices
Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University（斯坦福大学粒子天体物理与宇宙学 Kavli 研究所）；MIT Lincoln Laboratory（麻省理工学院林肯实验室）；MIT 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）
为满足下一代天文台项目对快速、低噪声探测器的需求，斯坦福、麻省理工学院相关团队推进SiSeRO多波段探测器技术，展示了第二代SiSeRO CCD的初步结果，并介绍了基于XOC设计的读出电子系统测试平台。
2026-07-22 astro-ph.IM
Laboratory test of the VIS detector system of SOXS for the ESO-NTT telescope
SOXS是ESO NTT望远镜的新光谱仪，由于有两个不同的臂：UV-VIS（350-850 nm）和NIR（800-2000 nm），因此能够覆盖光学和NIR波段。在这篇文章中，我们描述了最终设计的可见光摄像机低温恒温器，测试设施的CCD特性，并与科学探测器的第一个结果。UV-VIS检测器系统基于e2 v CCD 44-82，与ESO连续流动低温恒温器（CFC）冷却系统和ESO开发的新通用检测器控制器（NGC）耦合的定制检测器头。该实验室设施是基于一个光学工作台配备了氙灯，滤光轮选择波长，积分球和校准二极管测量通量。本文概述了可见光摄像机低温恒温器，CCD特性的测试设施和科学探测器在实验室和仪器集成后的第一个结果。
2022-09-15 astro-ph.IM
Measurement of the ionization produced by sub-keV silicon nuclear recoils in a CCD dark matter detector
本文报道了用电荷耦合器件（CCD）测量硅原子核在体硅中以亚keV动能反冲的电离效率。核反冲是由来自$^{124}$ Sb-$^{9}$ Be光中子源的低能中子（$<$ 24 keV）产生的，并且它们的电离信号被测量为低至60 eV电子当量。这个能量范围，以前未被探索过，与低质量暗物质粒子的探测有关。测量的效率被发现偏离外推到低能量的Lindhard模型。这一测量也证明了位于SNOLAB地下实验室的暗物质直接探测实验DAMIC所采用的CCD对核反冲的敏感性。
2016-11-10 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
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
Measurement of low energy ionization signals from Compton scattering in a CCD dark matter detector
直接寻找低质量暗物质粒子的一个重要背景来源是环境$γ$射线小角度散射的能量沉积。我们报告的详细测量的低能谱从康普顿散射的$γ$射线在体硅的电荷耦合器件（CCD）。测量了60 eV ~ 4 keV的$γ$射线从$^{57}$ Co和$^{241}$ Am放射源产生的电子反冲。所观察到的光谱同意定性与理论预测，并与硅靶的原子结构的特征光谱特征的第一次被准确地测量。一个理论上的动机参数化的数据，描述在低能量的任何入射$γ$ -射线通量的康普顿谱推导。该结果直接适用于基于硅探测器的低质量暗物质直接探测实验的背景估计，特别是对于DAMIC实验，其当前的能量阈值。
2017-06-19 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Ageing of a space-based CCD: photometric performance development of the low Earth orbiting detectors of the CoRoT mission
在这篇论文中，我们分析了时间演变的测光精度实现了天基系外行星狩猎任务CoRoT在其飞行阶段（2007年至2012年）。这项关于CoRoT光变曲线噪声水平的研究是基于Aigrain等人2009年发表的一篇论文，他们发现在前14个月的数据中，光度性能随着时间的推移逐渐退化。在此，我们分析了抗中心运行IRa01（2007）、LRa01（2008）、LRa03（2010）和LRa06（2012）。Aigrain也研究了前两次运行，因此我们能够比较我们的结果。最后两次运行使我们能够评估超过5年的光度降解趋势。我们获得低观测点到点的噪声，虽然比源光子噪声大3倍。我们发现的影响，显示老化的CoRoT CCD。在2小时的时间尺度上，我们注意到光度性能逐渐下降，在四次分析运行中噪声增加约2.1倍，相当于每年增加15%。对于最后两次研究运行LRa03和LRa06，相关噪声变得比不相关白噪声更重要。然而，最严重的退化发生在运营的第一年，噪音增加了30%，开启了两个老化时间尺度的场景。
2016-09-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
Simulation-based spectral analysis of X-ray CCD data affected by photon pile-up
本文提出了一种基于模拟的X射线CCD堆影数据谱分析方法，该方法不损失光子统计量。由于光子堆积效应表现为复杂的非线性探测器响应，我们采用详细的模拟计算了X射线观测中的重要过程，包括物理相互作用、探测器信号产生、探测器读出和一系列数据处理过程。这种模拟自然地再现了X射线类和背景类事件，作为X射线光子在单个像素或相邻像素块中合并的结果，使我们能够构建一个非线性谱分析框架，可以处理堆积影响的观测数据。为了验证，我们已经进行了数据分析的朱雀XIS观测，通过使用这个框架与各种参数的探测器模拟，所有这些都是优化的仪器。我们介绍了三个不同堆积程度的案例：PKS~2155-304（可忽略的堆积），Aquila~X-1（中度堆积）和蟹状星云（强堆积）;我们表明，非线性分析方法产生的结果与可忽略的堆积条件下的传统线性分析一致，并且对于堆积情况精确地校正公知的堆积效应，例如光谱硬化和通量减小。这些校正结果与广泛使用的核心排除方法或其他具有更高定时分辨率（无堆积）的天文台所获得的结果一致。我们的框架是适用于任何类型的CCD用于X射线天文学，包括未来的任务，如XRISM通过适当的优化模拟参数。
2021-12-28 astro-ph.HE astro-ph.IM
Low-Energy Radiative Backgrounds in CCD-Based Dark-Matter Detectors
本文针对亚GeV暗物质探测器受低能本底制约的问题，构建理论模型并模拟基于Skipper CCD的SENSEI实验的低能辐射本底，量化各过程贡献与系统不确定性，预测本底抑制后未来实验对轻质量暗物质的灵敏度将显著提升。
2023-10-04 astro-ph.IM hep-ex hep-ph
Deployment and performance of a Low-Energy-Threshold Skipper-CCD inside a nuclear reactor
本研究将首个2 g Skipper-CCD部署在热功率2 GWₜₕ核电站内距堆芯12米处，实现0.17 e⁻的亚电子读出噪声，获取了反应堆启停阶段数据，为提升CEvNS和BSM物理探测灵敏度奠定基础。
2024-03-07 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
JPCam: A 1.2Gpixel camera for the J-PAS survey
JPCam是一款14-CCD马赛克相机，使用新型e2 v 9 k x 9 k 10微米像素16通道探测器，将部署在西班牙阿拉贡OAJ（Observatorio Astrofisico de Javalambre）的专用2.55 m宽视场望远镜上。该相机的目的是执行一个重子声学振荡（BAO）调查的北部天空。J-PAS巡天策略将使用54个相对窄波段（~13.8nm）的滤光片，在370到920 nm之间等间隔，加上3个宽波段滤光片，以达到前所未有的光度红移精度，用于测量天空中约8000平方度的微弱星系。低温恒温器、探测器镶嵌和读取电子设备由e2 v根据与J-PAS的合同提供，而容纳快门和过滤器组件的机械结构由INPE（国家空间研究所）领导的巴西财团设计和建造。将四组14个滤光片放置在周围环境中，刚好在杜瓦瓶窗口上方，但直接与探测器对齐，导致每个CCD之间具有约10 mm间隙的马赛克。500毫米大光圈快门预计将由波恩的Argelander-Institut fur Astronomie提供。我们将介绍JPCam的概述，从滤波器配置到CCD镶嵌相机。将包括主要J-PAS科学项目的简要概述。
2013-01-17 astro-ph.IM
DUET: Design of a simultaneous InGaAs--CCD split-beam imager for ultra-cool dwarf exoplanet transit survey
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室）；Astrobiology Research Unit, Université de Liège（列日大学天体生物学研究单元）；School of Physics and Astronomy, University of Birmingham（伯明翰大学物理与天文学院）
为探测超冷矮星系外行星，设计DUET双通道成像仪，用955纳米二向色分束器将光分至不同探测器实现同时测光，选近红外滤光片抑制PWV影响，还介绍了光学、机械、探测器及控制系统等设计。
2026-07-17 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
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
On-orbit performance of the Gaia CCDs at L2
欧洲航天局的盖亚卫星于2013年12月发射到L2轨道，有效载荷包含106个大尺寸科学CCD。该任务的主要目标是在五年内反复获得10亿颗恒星的高精度天体测量和光度测量。下行数据的科学价值以及机载自主探测链的运行依赖于探测器的高性能。当盖亚缓慢地旋转并扫描天空时，CCD连续地以线时钟速率和卫星旋转自旋速率同步的模式操作。2014年7月开始了名义任务操作，第一次数据发布正在准备中，将于2016年夏末发布。在本文中，我们提出了一个概述的焦平面，探测器系统，并在轨道上的性能监测系统的策略。其次是介绍的性能结果的基础上获得的数据分析在一个为期两年的窗口开始在有效载荷switch-on. Results的参数，如读出噪声和电子偏移行为，我们特别注意的L2辐射环境的影响的设备。在（平行）扫描方向上的电荷转移效率（CTE）的辐射引起的退化是明确的诊断，但是，外推法表明，电荷转移效率（CTI）的影响，在飞行任务结束时将大约一个数量级小于预测飞行前。结果表明，CTI在串行寄存器（水平方向）仍然占主导地位的固有的制造过程中的陷阱，辐射引起的退化到目前为止只有百分之几。最后，我们总结了一些探测器的影响，发现在轨道上仍在调查。
2016-09-14 astro-ph.GA astro-ph.IM
The latest results from DICE (Detector Interferometric Calibration Experiment)
Theia是2014年向欧空局提出的一项天体测量任务，其科学目标之一是探测附近太阳型恒星宜居带中的类地系外行星。这一目标要求能够以1 e-5像素的精度测量恒星质心。目前最先进的质心估计方法在两倍奈奎斯特采样时已经达到约3e-5像素的精度，这在JPL的VESTA实验中得到了证明。使用计量系统来校准像素内和像素间量子效率变化，以便校正像素误差。Theia联盟正在真空中运行一个测试平台，以实现质心估计的1 e-5像素精度。目标是为Theia航天器的精度要求提供概念验证。试验台由两个主要的子系统组成。第一种方法产生伪星：将黑体光源馈入大芯光纤，照亮物平面上的针孔掩模，由CCD上的反射镜成像。第二个子系统是测量子系统，它将年轻的条纹投射到CCD上。干涉条纹由两条单模光纤产生，光纤面对CCD并固定在反射镜上。在本文中，我们提出了最新的实验进行，并在一系列的升级后，测试台上完成的结果。校准系统产生的像素位置的精度估计在4 e-4像素。在包括像素位置信息之后，对于超过5个像素的PSF运动，获得6 e-5像素的天体测量精度。在静态模式下（小于1 e-3像素的小抖动运动），达到了3e-5像素的光子噪声限制精度。
2016-08-01 astro-ph.IM
DAMIC at SNOLAB
介绍了一种用于粒子探测器的全耗尽型电荷耦合器件（CCD）。我们展示了其低能量阈值操作，能够检测电离能沉积在一个单一的像素下降到50 eVee。我们目前的能量校准结果从0.3 keVee到60 keVee，表明CCD是一个完全活跃的探测器，具有均匀的能量响应整个硅目标，良好的分辨率（Fano ~0.16），和显着的线性响应电子能量沉积。我们展示了CCD定位硅靶内粒子相互作用深度的能力。我们讨论的操作模式和独特的CCD成像能力，以及如何利用它们来表征和抑制背景。我们提出的第一个结果，从部署250微米厚的CCD在SNOLAB，即将到来的DAMIC 100的原型。DAMIC 100的目标质量为0.1 kg，应能在一年的运行时间内直接测试CDMS-Si信号。
2014-06-30 astro-ph.IM hep-ex physics.ins-det
Charge Coupled Devices for detection of coherent neutrino-nucleus scattering
本文详细介绍了利用电荷耦合器件（CCD）通过中微子与原子核的相干散射来探测低能中微子的可能性。通过这种标准模型过程探测中微子是不可能的，因为在与探测器原子核的这种相互作用中沉积的能量很小。典型的粒子探测器具有几keV的阈值，并且从相干散射预期的大部分能量沉积远低于该水平。我们讨论的器件可以在大约30 eV的阈值下工作，使它们成为观察该信号的理想选择。例如，位于动力核反应堆旁边的52克CCD阵列上预期的相干散射事件的数量估计为大约626个事件/年。我们的研究结果表明，在99%的置信水平的检测可以达到在三个月内，这种探测器阵列。
2014-09-19 astro-ph.IM nucl-ex physics.ins-det
