[论文解读] Effects of Temperature Anneal Cycling on a Cryogenically Proton Irradiated CCD

S. Parsons, Thomas W. Buggey+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2021

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 20被引用 3

一句话总结

本研究调查了在153 K至188 K温度范围内对低温质子辐照的CCD280进行退火处理的影响，模拟SMILE空间任务的条件。尽管在热循环过程中陷阱分布发生显著变化，平行电荷转移不充分性（CTI）保持不变，表明在此温度范围内CTI校正算法无需考虑热历史。

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.

研究动机与目标

• 评估在代表地球轨道任务的低温条件下，热退火对辐照损伤CCD的影响。
• 确定温度循环是否改变质子辐照CCD中的电荷转移不充分性（CTI）。
• 在等温退火过程中绘制陷阱分布的演化情况，并评估其对CTI和暗电流的影响。
• 通过验证CTI校正可独立于热历史应用，支持任务设计。
• 为SMILE任务SX1等低通量X射线仪器中使用的空间级CCD提供准确的飞行前表征数据。

提出的方法

• 在153 K下用7.4 MeV质子辐照CCD280，达到SMILE任务预期寿命终点通量的70%。
• 以5 K为增量，从153 K至188 K进行等温退火，每一步骤后进行周期性测量。
• 在每次退火步骤后于153 K下执行X射线CTI测量，以评估平行CTI性能。
• 采用陷阱泵浦技术，表征该温度范围内陷阱能级分布和发射时间常数。
• 在每个温度步骤测量暗电流，以评估热退火对噪声的影响。
• 将辐照前与退火后的数据进行对比，以隔离热历史对器件性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 从153 K至188 K的等温退火如何影响质子辐照CCD280的平行电荷转移不充分性（CTI）？
• RQ2 在热退火过程中陷阱分布如何演化？陷阱能级分布与CTI退化之间存在何种关系？
• RQ3 在153–188 K范围内热退火是否显著改善暗电流？
• RQ4 由于退火导致的陷阱发射时间常数变化在多大程度上影响CTI性能？
• RQ5 在该温度范围内，CTI校正算法是否可独立于热历史应用，适用于空间任务？

主要发现

• 在153 K至188 K的所有退火温度下，平行CTI保持不变，表明对电荷转移性能无显著影响。
• 尽管陷阱分布发生显著演化，包括从连续缺陷向双空位陷阱峰迁移，但CTI不受影响，因为发射时间常数保持相似。
• 大多数陷阱不受退火影响，而那些发生退火的陷阱则转变为附近陷阱种类，其发射时间常数相近。
• 在退火范围内暗电流变化极小，未观察到统计学上显著的改善。
• 在173 K下升温后于153 K下进行15周的退火并未改变CTI，证实了在长时间热暴露下性能的稳定性。
• 这些结果支持在153–188 K温度范围内无需考虑热历史即可应用CTI校正，简化了在轨数据处理。