[논문 리뷰] Effects of Temperature Anneal Cycling on a Cryogenically Proton Irradiated CCD

S. Parsons, Thomas W. Buggey외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 18.

CCD and CMOS Imaging Sensors참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 SMILE 우주 임무 조건을 시뮬레이션하기 위해 고체 수소로 냉각된 153 K에서 188 K로의 열처리가 프로톤 조사된 CCD280에 미치는 영향을 조사한다. 153 K에서 188 K로의 열 사이클링 중에 트랩 구조가 크게 변화함에도 불구하고, 평행 전하 이송 비효율성(CTI)은 변화하지 않아, 이 온도 범위에서는 열역학력의 영향을 고려하지 않아도 CTI 보정 알고리즘이 작동함을 시사한다.

ABSTRACT

Throughout a typical Earth orbit a satellite is constantly bombarded by radiation with trapped and solar protons being of particular concern as they gradually damage the focal plane devices throughout the mission and degrade their performance. To understand the impact the damage has on CCDs and how it varies with their thermal history a proton radiation campaign has been carried out using a CCD280. The CCD is irradiated at 153 K and gradually warmed to 188 K in 5 K increments with Fe55 X-ray, dark current and trap pumping images taken at 153 K after each anneal step. The results show that despite the trap landscape changing throughout the anneal it has little impact on parallel charge transfer inefficiency. This is thought to be because most traps are unaffected and a lot of those that do anneal only move from the continuum between distinct trap species and into a nearby divacancy trap 'peak' whose emission time constant is similar enough to still impact the CTI. In terms of using a CCD280 or similar devices in a mission the CTI being unaffected by thermal annealing up to 188 K means that any CTI correction needed as the radiation damage builds up does not have to take into account the thermal history of the focal plane. However, it is possible that a significant amount of annealing will occur at temperatures greater than 188 K and care should be taken when a mission is operating in this range to gather accurate pre-flight data.

연구 동기 및 목표

• 지구 궤도 임무의 조건을 반영하는 냉각 조건에서 방사선 손상된 CCD의 열처리 영향을 평가하기 위해.
• 온도 사이클링이 프로톤 조사된 CCD의 전하 이송 비효율성(CTI)에 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 동온 열처리 중 트랩 구조의 변화를 맵핑하고, CTI 및 어둠의 전류에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이 실험 범위 내에서 열역학력과 무관하게 CTI 보정을 적용할 수 있음을 검증하여 임무 설계를 지원하기 위해.
• SMILE의 SXI와 같은 저유량 X선 기구에 사용되는 우주용으로 인증된 CCD의 정확한 지상 전처리 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• SMILE 임무의 예상 종료 수명 플루언스의 70%에 해당하는 7.4 MeV 프로톤을 153 K에서 CCD280에 조사하여.
• 153 K에서 188 K까지 5 K 간격으로 동온 열처리를 실시하고, 각 단계에서 주기적으로 측정을 수행하여.
• 각 열처리 단계 이후 153 K에서 X선 CTI 측정을 수행하여 평행 CTI 성능을 평가하여.
• 열처리 온도 범위 전반에서 트랩 에너지 분포 및 탈출 시간 상수를 특성화하기 위해 트랩 펌핑 기법을 사용하여.
• 각 온도 단계에서 어둠의 전류를 측정하여 열처리가 노이즈에 미치는 영향을 평가하여.
• 열역학력의 영향을 분리하기 위해, 조사 전 및 열처리 후 데이터를 비교하여.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 153 K에서 188 K로의 동온 열처리가 프로톤 조사된 CCD280의 평행 전하 이송 비효율성(CTI)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 열처리 중 트랩 구조는 어떻게 변화하며, 트랩 에너지 분포와 CTI 열화 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 153–188 K 범위에서 열처리 중 어둠의 전류가 유의미하게 향상되는가?
• RQ4 열처리로 인한 트랩 탈출 시간 상수의 변화가 CTI 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 온도 범위에서, 우주 임무의 CTI 보정 알고리즘은 열역학력과 무관하게 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 153 K에서 188 K까지의 모든 열처리 온도에서 평행 CTI가 변화하지 않아, 전하 이송 성능에 유의미한 영향이 없음을 나타낸다.
• 연속 결함에서 이중빈 트랩 피크로의 이동을 포함한 트랩 구조의 상당한 변화가 있었음에도 불구하고, 탈출 시간 상수가 유사하게 유지되어 CTI는 영향을 받지 않았다.
• 대부분의 트랩은 열처리에 영향을 받지 않으며, 영향을 받는 트랩은 유사한 탈출 시간 상수를 가진 인근의 트랩 종류로 전환된다.
• 어둠의 전류는 열처리 범위 전반에서 최소한의 변화를 보이며, 통계적으로 유의미한 향상은 관측되지 않았다.
• 173 K로 온도를 상승시킨 후 153 K에서 15주간의 열처리가 CTI를 변화시키지 않아, 장기적인 열 노출 조건에서도 안정성을 확인하였다.
• 이 결과들은 153–188 K 범위에서 열역학력의 영향을 고려하지 않고도 CTI 보정을 적용할 수 있음을 뒷받침하며, 궤도상 데이터 처리를 단순화한다.