Euclid preparation. Overview of Euclid infrared detector performance from ground tests

Resumen Técnico: Caracterización de los Detectores Infrarrojos de Euclid en Pruebas de Suelo

1. El Problema
La misión Euclid, liderada por la Agencia Espacial Europea (ESA) en colaboración con la NASA, tiene como objetivo mapear la geometría del universo para comprender la energía y la materia oscuras. El instrumento NISP (Espectrómetro y Fotómetro de Infrarrojo Cercano) depende críticamente de una matriz de detectores infrarrojos HgCdTe (HAWAII-2RG). Para lograr la precisión científica requerida, es imperativo minimizar los sistemáticos instrumentales y maximizar la relación señal-ruido. Los desafíos principales incluyen:

• Garantizar una alta eficiencia cuántica (QE) y bajo ruido de lectura.
• Minimizar la corriente oscura, la persistencia de imagen (residuos de exposiciones anteriores) y el acoplamiento capacitivo entre píxeles (IPC), que distorsiona la función de dispersión puntual (PSF).
• Caracterizar y corregir la no linealidad de la respuesta del detector a lo largo de todo su rango dinámico.
• Validar que los 16 detectores de vuelo cumplan con los requisitos estrictos de rendimiento antes del lanzamiento.

2. Metodología
El artículo describe las campañas de caracterización en tierra realizadas en 2019 en dos instalaciones principales: el Laboratorio de Caracterización de Detectores (DCL) en NASA/GSFC, el Centro de Física de Partículas (CPPM) en Marsella y la cámara de simulación espacial ERIOS en LAM.

• Configuración de Pruebas: Se utilizaron criostatos gemelos para pruebas de píxeles individuales y una cámara de vacío térmico (TV) para el plano focal completo (FPA) integrado. El entorno se mantuvo a temperaturas criogénicas (85-100 K) con una estabilidad de 1 mK.
• Flujo de Pruebas (Test Flow): Se ejecutó un flujo de trabajo automatizado durante 14 días (24/7) con una eficiencia del 99.73%. El flujo incluyó: estabilización térmica, ajuste de registros del SCE, calibración de la unidad de calibración infrarroja (NI-CU), mediciones de ruido de reset, corriente oscura, no linealidad, persistencia y latencia.
• Modos de Adquisición: Se utilizaron modos de acumulación múltiple (MACC) tanto para fotometría (MACC 4,16,4) como para espectroscopía (MACC 15,16,11).
• Software y Correcciones: Se desarrolló software de adquisición de datos (DAS) para la recolección y verificación en tiempo real. Se aplicaron correcciones de píxeles de referencia (top, bottom, left, right) para eliminar el ruido de modo común.
• Ajuste de Parámetros: Se optimizaron los parámetros operativos (voltaje de polarización, ganancia del SCE, nivel de base) mediante algoritmos de bucle cerrado para maximizar el rango dinámico y minimizar el ruido.

3. Contribuciones Clave

• Mapas de Píxeles: Generación de mapas detallados de rendimiento por píxel (QE, ganancia, ruido, no linealidad, persistencia) que servirán como referencia para la calibración en vuelo.
• Definición de Protocolos: Establecimiento de protocolos rigurosos de medición y corrección, incluyendo el uso de píxeles de referencia para la corrección de modo común y técnicas de reseteado de píxeles individuales (SPR) para medir la IPC sin fuentes de luz.
• Validación de Algoritmos: Confirmación de la eficacia del estimador de señal basado en diferencias de grupos (likelihood estimator) implementado a bordo, que ofrece una varianza menor que el ajuste por mínimos cuadrados.
• Caracterización Integral: Primera evaluación completa de los 16 detectores de vuelo en su configuración final, incluyendo la interacción entre el sensor (SCA) y la electrónica (SCE).

4. Resultados Principales
Los detectores de Euclid cumplen con todos los requisitos de rendimiento:

• Píxeles Defectuosos: Menos del 0.2% de los píxeles científicos son no funcionales (desconectados, baja QE <1%, o fuera de rango de linealidad). La distribución es aleatoria y estable térmicamente.
• Eficiencia Cuántica (QE): El 95% de los píxeles muestra una QE superior al 80% en todo el rango espectral de la misión. La mediana supera el 90%.
• Ganancia de Conversión: Aproximadamente 0.52 ADU/e⁻, con una variación menor al 1% entre canales del mismo detector y ~3% entre detectores.
• Ruido:
  • Ruido de reset: ~23 ADU tras la corrección con píxeles de referencia.
  • Ruido de lectura (single frame): ~13 e⁻.
  • Ruido del estimador de señal: 7 e⁻ en modo fotométrico y 9 e⁻ en modo espectroscópico.
• Acoplamiento Interpíxel (IPC): El acoplamiento es mínimo, con un crosstalk inferior al 1% entre píxeles adyacentes. Las regiones "vacías" (voids) muestran desviaciones mayores pero son corregibles mediante corrección de campo plano.
• No Linealidad: La desviación de la respuesta lineal es menor al 5% para el 95% de los píxeles hasta niveles de señal de 80 ke⁻ (aprox. 60% de la capacidad de pozo completo).
• Persistencia: La amplitud mediana de la persistencia es inferior al 0.3% de la señal estimulante. La decaimiento sigue una ley de potencia ($I(t) = I_0 t^{-\beta}$) con un índice promedio $\beta \approx 0.72$.
• Corriente Oscura: Por debajo del umbral de precisión de medición en las condiciones operativas (típicamente <10⁻³ e⁻/s).

5. Significado
Este trabajo es fundamental para el éxito de la misión Euclid. Al demostrar que los detectores infrarrojos cumplen o superan los requisitos de especificación, se garantiza la integridad de los datos científicos que se utilizarán para estudiar la energía oscura.

• Calibración en Vuelo: Los mapas de características de píxeles generados en tierra son esenciales para corregir sistemáticos en los datos reales obtenidos en el espacio.
• Simulación y Procesamiento: Estos datos permiten simular con alta fidelidad el comportamiento del instrumento, lo cual es crucial para desarrollar y refinar los algoritmos de procesamiento de datos y corrección de imágenes.
• Robustez del Sistema: La estabilidad térmica y la baja tasa de fallos durante las pruebas de 14 días demuestran la fiabilidad del sistema de detección para una misión de larga duración en el punto de Lagrange L2.

En conclusión, la caracterización en tierra ha validado que el sistema de detectores de NISP está listo para operar en el espacio con la precisión necesaria para las ambiciosas metas cosmológicas de Euclid.