[论文解读] Sixteen Multiple-Amplifier Sensing Charge-Coupled Devices and Characterization Techniques Targeting the Next Generation of Astronomical Instruments

Agustín J. Lapi, Blas Irigoyen Gimenez+9 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2024

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用 4

一句话总结

本文提出一种用于下一代天文光谱学的16倍放大器感测电荷耦合器件（MAS-CCD），通过每个电荷包的多次非破坏性读出实现亚电子噪声，单次采样下实现约1 e⁻均方根噪声，通过最优噪声平均实现亚电子分辨率，提出新型电荷传输不完整性与放大器噪声表征模型，对未来的低噪声仪器具有关键意义。

ABSTRACT

We present a candidate sensor for future spectroscopic applications, such as a Stage-5 Spectroscopic Survey Experiment or the Habitable Worlds Observatory. This type of charge-coupled device (CCD) sensor features multiple in-line amplifiers at its output stage allowing multiple measurements of the same charge packet, either in each amplifier or in the different amplifiers. Recently, the operation of an eight-amplifier sensor has been experimentally demonstrated, and we present the operation of a 16-amplifier sensor. This new sensor enables a noise level of ~1e-rms with a single sample per amplifier. In addition, it is shown that sub-electron noise can be achieved using multiple samples per amplifier. In addition to demonstrating the performance of the 16-amplifier sensor, we aim to create a framework for future analysis and performance optimization of this type of detectors. New models and techniques are presented to characterize specific parameters, which are absent in conventional CCDs and Skipper CCDs: charge transfer between amplifiers and independent and common noise in the amplifiers and their processing.

研究动机与目标

• 开发一种适用于未来光谱巡天、要求单电子分辨率的低噪声CCD传感器。
• 解决当前CCD在读出噪声方面的限制，特别是在高天空背景的蓝光谱观测中。
• 为基于空间的系外行星探测提供快速、低噪声读出，实现每像素仅数个光子的探测。
• 表征MAS-CCD中独特的噪声源，如栅极移除不完善性与放大器特异性噪声。
• 建立理论与实验框架，以优化多放大器CCD架构的性能。

提出的方法

• 16-MAS-CCD利用串联放大器对同一电荷包执行多次非破坏性读出，通过平均降低读出噪声。
• 开发最优噪声平均算法，整合每个放大器的多个采样，最小化总噪声同时保持信号完整性。
• 引入通用噪声减去技术，以分离并消除放大器之间的相关噪声。
• 提出一种新的栅极移除不完善性（GRI）模型，量化从感测节点到串行寄存器转移过程中的电荷损失。
• 通过过扫描区域的归一化像素值对GRI与电荷传输效率进行实验表征。
• 利用理论模型与拟合算法（例如附录B中所述）从不同时钟电压与电荷水平下的实测数据中提取参数ε。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过CCD中16个放大器的多次非破坏性读出，使读出噪声低于1 e⁻均方根？
• RQ2 多放大器感测CCD中特有的主要噪声源是什么？如何建立模型并加以抑制？
• RQ3 栅极移除不完善性（GRI）如何影响电荷从感测节点到串行寄存器的传输？其对信号保真度的定量影响如何？
• RQ4 结合多个放大器采样的最优方法是什么，以实现亚电子噪声性能？
• RQ5 如何优化时钟电压配置以提高电荷传输效率并减少GRI？

主要发现

• 16-MAS-CCD在每个放大器单次采样下实现约1 e⁻均方根读出噪声，满足第五阶段光谱巡天实验（Spec-S5）的目标。
• 通过每个放大器的多次采样，实现了亚电子噪声性能，最优平均方法显著将总噪声降低至1 e⁻以下。
• 识别并建模了一种新的电荷传输不完整性来源，称为栅极移除不完善性（GRI），其ε值在不同时钟电压设置下介于<5×10⁻⁵至3×10⁻⁴之间。
• GRI模型显示其与电荷水平成正比，极端情况下表达式为ε = 2.26×10⁻⁶Q + 3×10⁻⁴，表明感测节点放电过程中存在可测量的电荷损失。
• 实验数据证实，即使在严重的GRI条件下，每个放大器的第一个过扫描像素也未显示可见电荷残留，支持GRI特异性地源于读出后的电荷传输过程的假设。
• 研究表明，将时钟电压降低至-10 V以下可进一步改善GRI性能，为未来硬件优化提供了可行路径。