[論文レビュー] On-orbit performance of the Gaia CCDs at L2

C. Crowley, R. Kohley+20 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2016

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、Gaiaの106個のCCDがL2ラグランジュ点で最初の2年間の運用において、軌道上での性能を分析している。スキャン方向における放射線由来の電荷転送非効率性（CTI）が生じるが、放射線環境が良好で電子捕獲サイトが埋まり込むため、CTIの劣化は打ち切り前の予測のおよそ1桁低い水準に抑えられており、ミッションの星像調査目標のための高いアストロメトリック精度を確保している。

ABSTRACT

The European Space Agency's Gaia satellite was launched into orbit around L2 in December 2013 with a payload containing 106 large-format scientific CCDs. The primary goal of the mission is to repeatedly obtain high-precision astrometric and photometric measurements of one thousand million stars over the course of five years. The scientific value of the down-linked data, and the operation of the onboard autonomous detection chain, relies on the high performance of the detectors. As Gaia slowly rotates and scans the sky, the CCDs are continuously operated in a mode where the line clock rate and the satellite rotation spin-rate are in synchronisation. Nominal mission operations began in July 2014 and the first data release is being prepared for release at the end of Summer 2016. In this paper we present an overview of the focal plane, the detector system, and strategies for on-orbit performance monitoring of the system. This is followed by a presentation of the performance results based on analysis of data acquired during a two-year window beginning at payload switch-on. Results for parameters such as readout noise and electronic offset behaviour are presented and we pay particular attention to the effects of the L2 radiation environment on the devices. The radiation-induced degradation in the charge transfer efficiency (CTE) in the (parallel) scan direction is clearly diagnosed; however, an extrapolation shows that charge transfer inefficiency (CTI) effects at end of mission will be approximately an order of magnitude less than predicted pre-flight. It is shown that the CTI in the serial register (horizontal direction) is still dominated by the traps inherent to the manufacturing process and that the radiation-induced degradation so far is only a few per cent. Finally, we summarise some of the detector effects discovered on-orbit which are still being investigated.

研究の動機と目的

• Gaiaの106個の大型フォーマットCCDの、過酷なL2放射線環境下での軌道上性能を評価すること。
• 平行（スキャン）方向および直列（水平）方向における放射線誘発電荷転送非効率性（CTI）のモニタリングと特性評価。
• 時間経過に伴う読み出しノイズ、電子オフセット、およびホットピクセルの進化の安定性を評価すること。
• 運用中のデータとキャリブレーションを用いて、打ち切り前の放射線モデルを検証すること。
• 異常な検出器効果（例：電荷ブロッキングゲート、クロストーク）の特定と追跡を行い、データ処理における緩和を図ること。

提案手法

• 定期的な軌道上キャリブレーション活動（電荷注入を含む）を活用し、CTIの進化をリアルタイムで診断。
• 専用のキャリブレーションシーケンスを用いて電子オフセットと読み出しノイズをモニタリングし、焦点面温度変動と相関をとった。
• 2年間の運用を通じて、イオン化放射線の追跡とホットピクセルのモニタリングを用いて放射線損傷を分析。
• 運用中のCTI測定値を、地上で放射線照射されたCCDからの打ち切り前のFPR（フルピクセル応答）データと比較し、ミッション終了時の性能を推定。
• ESA/ESTECのGaiaテスタンブスを用いて、運用中の観測結果を検証し、欠陥ピクセルの追跡を支援。
• 結果をグローバルキャリブレーションパイプラインに統合し、科学データにおける非一様性および系統的バイアスを補正。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L2における放射線は、打ち切り予測と比較して、GaiaのCCDのスキャン方向における電荷転送効率（CTE）をどの程度劣化させたか。
• RQ2 直列レジスタ内の放射線誘発トラップがCTIに与える影響は何か。また、製造関連欠陥と宇宙放射線の寄与度はそれぞれどの程度か。
• RQ3 読み出しノイズおよび電子オフセットの時間的変化は何か。また、温度変動とどのように相関しているか。
• RQ4 太陽プロトンイベントおよび宇宙線は、機載自動検出チェーンおよび検出器性能にどのような影響を与えるか。
• RQ5 ホットピクセルの形成およびイオン化放射線損傷の長期的傾向は何か。また、データ品質に脅威をもたらすか。

主な発見

• 106個すべてのCCDにおける読み出しノイズ性能は優れており、最初の2年間で顕著な劣化は観測されなかった。
• 電子オフセットは安定しており、観測されたドリフトは焦点面温度変動と強く相関していた。
• 定期的なキャリブレーション活動により、ライン内読み出し依存のオフセット非一様性が効果的に緩和された。この活動は9回実施された。
• 定期的な電荷注入を用いた診断により、平行スキャン方向における放射線誘発CTIが明確に特定され、太陽プロトンイベントに起因する2回の段階的上昇が確認された。
• ミッション終了時のスキャン方向CTIは、打ち切り予測のおよそ1桁低い水準に抑えられており、太陽活動が低く、電子捕獲サイトが埋まったことが要因である。
• 直列レジスタのCTIは、主に既存の製造欠陥に起因しており、アストロメトリックデバイスでは放射線誘発劣化が1–3%、厚さの大きい赤色検出器では3–7%にとどまっている。