Caracterización de aparatos de carga acoplada (CCDS) con sistema de lectura skipper

Abstract

Este proyecto de fin de grado comprende la primera puesta en marcha del montaje experimental IRONMAN, un montaje experimental de CCDs situado en una sala limpia en el IFCA (Instituto de Física de Cantabria). Los componentes principales de este montaje incluyen una cámara de vacío, un criocooler, y un controlador y sistema de lectura de CCDs. Utilizando este montaje, se ha caracterizado un Dispositivo de Carga Acoplada (CCD) no científico con sistema de lectura skipper, específicamente el modelo CCD P52-U. Dada el amplio campo que involucra la caracterización de las CCD, este estudio se ha centrado en la optimización de sus parámetros de configuración para lograr la mejor resolución de un solo electrón y en el estudio de la influencia de la temperatura en las diferentes manifestaciones de trampas generadas por los defectos de silicio. Durante el proceso de caracterización, los efectos del ruido electromagnético en las imágenes de CCD dieron lugar a una investigación adicional de su impacto en las imágenes. El análisis de la influencia del ruido electromagnético en la calidad y el ruido de lectura de las imágenes de CCD P52-U ha revelado la alta sensibilidad del montaje experimental al ruido electromagnético y ha proporcionado información sobre varias fuentes de ruido electromagnético. Basándose en estos hallazgos, se han propuesto varias ideas de mejora para mitigar la influencia del ruido electromagnético y mejorar la calidad general y el ruido de lectura de las imágenes de la CCD. Se ha optimizado de forma satisfactoria los parámetros de configuración de la CCD, lo que ha mejorado la eficiencia de los procesos de recopilación, transferencia y lectura de carga. Esta optimización es esencial para reducir y calibrar con precisión la corriente oscura, de tal forma que puedan obtenerse estimaciones más precisas del ruido de lectura de los píxeles. Además, se ha estudiado la generación de trampas por defectos de silicio y su impacto en las imágenes de la CCD. Estas trampas pueden manifestarse en forma de columnas defectuosas, píxeles calientes, píxeles supercalientes y columnas calientes en las imágenes. A medida que se eleva la temperatura, se ha observado su aparición progresiva y se ha estudiado específicamente el comportamiento cambiante de las columnas calientes.

This final degree project comprehends the first commissioning of the IRONMAN setup, a CCD experimental setup established in a clean room at IFCA (Instituto de Física de Cantabria). The main components of this setup involve a vacuum chamber, a cryocooler and a CCD controller and readout system. Using this setup, a non-scientific Charge Couple Device (CCD) with skipper readout system, specifically the CCD P52-U model, has been characterized. Given the broad nature of CCD characterization, this study has focused on optimizing its configuration parameters to achieve the best single electron resolution and in the study of the influence of the temperature on the different manifestations of traps generated by the silicon defects. During the characterization process, the effects of electromagnetic noise on CCD images resulted in an additional investigation of its impact on the images. The analysis of the influence of electromagnetic noise on the quality and readout noise of CCD PP52-U images has revealed the high sensitivity of the experimental setup to electromagnetic noise and has provided insights into various electromagnetic noise sources. Based on these findings, several ideas for improvement have been proposed to mitigate the influence of electromagnetic noise and enhance the overall quality and readout noise of the CCD images. CCD configuration parameters have been satisfactorily optimized, resulting in an improvement of the charge collection, transfer, and readout processes. This optimization is essential for reducing and accurately calibrating the dark current, leading to more reliable estimations of the pixel readout noise. Furthermore, the generation of traps by silicon defects and their impact on CCD images has been studied. These traps can manifest on the images in the form of bad columns, hot pixels, super hot pixels, and hot columns. As the temperature is raised, their progressive appearance has been observed and the changing behaviour of the hot columns has been specifically studied.