[論文レビュー] Modeling charge coupled device readout: Simulation overview and early results

Paul Bristow, A. Alexov|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2002

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ハッブル宇宙望遠鏡搭載の宇宙望遠鏡イメージングスペクトログラフ（STIS）に特化した、現代のキャパシティブ・カップルド・デバイス（CCD）における電荷移動の物理的モデルを提示する。放射線誘発欠陥をシリコン格子に組み込み、フィリブリッジのトラッピングおよび放出モデルを用いることで、シミュレーションは実際のSTISキャリブレーションデータとよく一致し、モデル詳細に関する未解決の不確実性が残るものの、物理ベースのキャリブレーション改善の可能性を示している。

ABSTRACT

The Calibration enhancement effort for the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) aims to improve data calibration via the application of physical modelling techniques. We describe here a model of the Charge Transfer process during read-out of modern Charge Coupled Devices, and its application to data from STIS. The model draws upon previous investigations of this process and, in particular, the trapping and emission model developed by Robert Philbrick of Ball Aerospace. Early comparison to calibration data is encouraging. Essentially, a physical description of the STIS CCD combined with the physics of known defects in the silicon lattice expected to arise in a hostile radiation environment, is enough to yield results which approximately match real data. Uncertainties remain, however, in the details of the model and the physical description of STIS.

研究の動機と目的

• 物理的モデリングを用いて、宇宙望遠鏡イメージングスペクトログラフ（STIS）のデータキャリブレーションを改善すること。
• CCDリードアウト中の電荷移動非効率性をモデル化することで、現在のキャリブレーション手法の限界を克服すること。
• 宇宙空間に設置されたCCDにおける電荷移動に及ぼすシリコン格子内の放射線誘発欠陥の影響を調査すること。
• 実際のSTISキャリブレーションデータと比較してモデルの正確性と信頼性を検証すること。
• 将来の宇宙機器用に、軌道上でのCCD性能モデリングの忠実性を向上させること。

提案手法

• ロバート・フィリブリッジのトラッピングおよび放出モデルを用いて、CCDにおける電荷移動非効率性を記述する。
• シリコン格子内の放射線誘発欠陥の物理的記述を、CCD電荷移動モデルに統合する。
• 半導体欠陥理論に基づく物理的アプローチを用いて、リードアウト中の電荷移動プロセスをシミュレートする。
• 実際のSTISキャリブレーションデータにモデルを適用し、シミュレートされた出力と観測結果を比較する。
• シミュレーション結果と実データの乖離を最小限に抑えるためにモデルパラメータを調整し、STIS CCD挙動の物理的記述を精緻化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CCDにおける電荷移動の物理的モデルは、実際のSTISキャリブレーションデータを正確に再現できるか？
• RQ2 シリコン格子内の放射線誘発欠陥は、宇宙空間に設置されたCCDにおける電荷移動効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 フィリブリッジのトラッピングおよび放出モデルは、STISで観測された電荷移動非効率性をどの程度説明できるか？
• RQ4 現在のSTIS CCDの物理的記述における主な不確実性要因は何か？
• RQ5 物理的モデリングは、宇宙空間に設置された分光計器におけるキャリブレーション誤差を低減できるか？

主な発見

• STIS CCDにおける電荷移動の物理的モデルは、実際のキャリブレーションデータと概ね一致する結果をもたらした。
• 放射線誘発欠陥がシリコン格子中に存在することは、モデルが予測した通り、電荷移動挙動に顕著な影響を与える。
• シミュレーションと実データの一致は前向きな兆候であり、物理的モデリングがCCDリードアウトプロセスを効果的に記述できることを示している。
• シミュレーションとデータの乖離は、STIS CCDの物理的記述における未解決の不確実性を浮き彫りにしている。
• 不完全な欠陥分布の知識がある中でも、物理的モデリングによるキャリブレーション改善の可能性が示された。