学术报告

研究团队与发表信息

本文的研究由Leon K. Harding、Richard T. Demers、Michael Hoenk、Pavani Peddada、Bijan Nemati等科学家完成，他们分别隶属于美国加州理工学院的Jet Propulsion Laboratory（JPL），英国Open University的Center for Electronic Imaging，以及其他相关机构。该研究成果发表于2016年的《J. Astron. Telesc. Instrum. Syst.》期刊上，论文标题为“Technology Advancement of the CCD201-20 EMCCD for the WFIRST Coronagraph Instrument: Sensor Characterization and Radiation Damage”。

研究背景与目标

这项研究聚焦于NASA的广域红外巡天望远镜(WFIRST, Wide Field Infrared Survey Telescope)任务——一个旨在探索暗能量、进行近红外（NIR）大视场巡天以及研究系外行星（Exoplanet）的2.4米级空间望远镜。特别地，该任务中分配给JPL的高对比度成像设备：日冕仪（CGI, Coronagraph Instrument）的关键传感器技术——电子倍增电荷耦合器件（EMCCD, Electron Multiplying Charge-Coupled Device）的研究与开发工作具有重要意义。

为了满足极低光通量条件下探测系外行星所需的低噪声性能，电子倍增电荷耦合器件（例如CCD201-20）被选定为CGI中的成像相机与积分场光谱仪的核心传感器。本文研究的核心目标在于通过实验与仿真，提高EMCCD技术的成熟度，尤其是解决在L2轨道运行的极端空间环境中该传感器可能面临的辐射损伤问题。研究的主要方向包括传感器的噪声表现优化、辐射环境生存测试，以及其对探测效率的综合评估。

研究流程与方法

此项研究分为几个主要步骤，详细流程如下：

1. 传感器性能表征与噪声评估

研究团队在NASA预期的空间条件下评估了CCD201-20 EMCCD的关键性能指标。核心测试包括： - 读出噪声（Read Noise）：在不同的操作频率与模式下，通过光子转移曲线测量传感器的读出噪声。 - 暗电流（Dark Current）：通过在低温条件（最低至-105°C）下进行测试，评估其在不同温度下的暗电流水平。 - 时钟引起电荷噪声（CIC, Clock Induced Charge）：通过零积分时间条件下的实验，测量传感器的CIC噪声分量。 每一项测试过程均基于高增益放大模式以抑制本底噪声，同时结合冷却系统支持深冷测试。

2. 辐射环境测试

辐射损伤测试分为两阶段： - 第一阶段（Phase I）：CCD201-20样品在室温下接收与6年L2轨道任务辐射等效的质子辐照剂量。此阶段的目标是评估设备是否能够在此环境中幸存。 - 第二阶段（Phase II）：在冷温度（－108°C）下对传感器进行多次质子辐照，观测辐射累积效应，以及在任务周期内性能逐步下降的过程。

此外，还利用了“陷阱抽样法（Trap Pumping）”等技术对辐射诱导的电荷陷阱进行表征，探索如何通过时钟波形优化来缓解陷阱效应对传感器信号传输效率的影响。

3. 数据分析与后处理算法验证

数据后处理中，研究使用了陷阱补偿算法（如基于Shockley-Read-Hall理论的算法）来校正因辐射诱导电荷陷阱造成的偏差。特别地，通过结合地球物理背景（例如宇宙射线噪声），研究团队探讨了如何最优化数据采集和累积的时间区间，以降低陷阱引起的噪声叠加。

主要研究结果

1. 噪声表现数据

研究表明，CCD201-20在深冷条件下的暗电流水平能够满足WFIRST的科学需求（≤5 × 10^-4 e^- pix^-1 sec^-1）。CIC随时钟频率增加而减少，且在10 MHz水平时降至最低（1.25 × 10^-3 e^- pix^-1 frame^-1）。

2. 辐射损伤结果

在辐射测试中，设备的电荷转移效率(CTE)随着辐照剂量逐步下降，但通过优化时钟波形和注入电荷等方法可显著减缓此类性能衰退。研究确认空间辐射环境（如高能质子）主要通过生成电荷陷阱（如氧-空位复合体）来降低性能，但对比模拟结果表明，合理的屏蔽设计能够有效控制此类损伤。

3. 总噪声来源及优化

通过分离分析噪声来源，研究指出仪器的总噪声主要来自于暗电流与CIC，并进一步提出了优化方法，例如调整传感器操作电压和时钟波形；天线遮罩设计与电子多工放大（EM gain ~450）相结合也被证实能够满足距离目标信噪比需求。

研究结论与应用意义

本文研究确认CCD201-20 EMCCD为WFIRST-CGI任务的首选传感器，其具有极高的信噪比性能、低光通量条件下的高效率和对极端空间辐射环境的适应性。其应用价值包括： 1. 为高对比度成像与直观系外行星光谱分析提供核心技术支持。 2. 提供了未来在L2轨道及其他深空任务中使用EMCCD的验证数据。 3. 开发了有效的辐射损伤缓解方法及数据处理算法，具有推广适用性。

研究亮点

1. 首次实验证明：本文为CCD201-20首次在L2轨道相关的高能辐射环境下的综合测试研究。
2. 新型技术应用：利用“陷阱抽样法”等独特仪器表征方法，为后续高灵敏度空间测量提供了技术储备。
3. 明确性能目标优化路径：通过详细量化暗电流、CIC与CTE贡献，为多参数权衡提供了数据支持。

该研究对于提升下一代空间观测技术装备的可靠性与科学潜力具有重要意义。