[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种现代电荷耦合器件（CCD）电荷转移的物理模型，特别应用于哈勃空间望远镜的哈勃空间望远镜成像光谱仪（STIS）。通过在硅晶格中引入辐射诱导缺陷，并采用Philbrick的陷阱捕获与发射模型，该模拟与真实的STIS校准数据高度吻合，表明尽管模型细节仍存在不确定性，基于物理的校准改进仍具可行性。

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.

研究动机与目标

• 使用物理建模改进空间望远镜成像光谱仪（STIS）的数据校准。
• 通过建模CCD读出过程中的电荷转移不完整性，解决当前校准方法的局限性。
• 研究硅晶格中辐射诱导缺陷对空间CCD电荷转移的影响。
• 通过真实STIS校准数据验证模型，评估其准确性和可靠性。
• 提升未来空间仪器在轨CCD性能建模的保真度。

提出的方法

• 采用Robert Philbrick的陷阱捕获与发射模型，描述CCD中的电荷转移不完整性。
• 将硅晶格中辐射诱导缺陷的物理描述整合到CCD电荷转移模型中。
• 使用基于半导体缺陷理论的物理方法，模拟读出过程中的电荷转移。
• 将该模型应用于实际STIS校准数据，比较模拟输出与观测结果。
• 调整模型参数，以最小化模拟与真实数据之间的差异，从而优化STIS CCD行为的物理描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于物理的CCD电荷转移模型能否准确再现真实的STIS校准数据？
• RQ2 硅晶格中的辐射诱导缺陷如何影响空间CCD的电荷转移效率？
• RQ3 Philbrick的陷阱捕获与发射模型在多大程度上能够解释STIS中观测到的电荷转移不完整性？
• RQ4 当前STIS CCD物理描述中主要的不确定性来源是什么？
• RQ5 物理建模能否降低空间光谱仪器的校准误差？

主要发现

• 基于物理的STIS CCD电荷转移模型产生的结果与真实校准数据大致吻合。
• 如模型预测，硅晶格中的辐射诱导缺陷显著影响电荷转移行为。
• 模型与真实数据的一致性令人鼓舞，表明物理建模能够有效描述CCD读出过程。
• 模拟与数据之间的差异凸显了当前STIS CCD物理描述中仍存在的不确定性。
• 该方法展示了通过物理建模改进校准的可行性，即使对缺陷分布的了解尚不完整。