First results for second generation SiSeRO CCD devices
本文展示了第二代单电子敏感读取（SiSeRO）电荷耦合器件（CCD）的初步结果，并描述了一个包含多通道读取芯片（MCRC）专用集成电路（ASIC）的测试平台，该平台旨在支持用于未来 X 射线至近红外天文观测站的下一代亚电子噪声探测器。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正试图在一间充满喧闹人群的房间里，聆听一个微弱的、细小的耳语。在天文学的世界里，那声耳语是来自遥远黑洞或垂死恒星的一颗微弱的X射线光子，而喧闹的人群则是拍摄相机内部的电子“噪声”。几十年来，科学家们一直在制造更好的相机来捕捉这些宇宙耳语，但他们遇到了一个瓶颈：为了看到最微弱的事物，他们需要既能极快（以捕捉快速闪烁的光线）又极静（以免相机的自身嗡鸣声淹没信号）的相机。于是，一种名为 SiSeRO 的新型相机传感器诞生了。你可以把传统的相机传感器想象成传递水桶的接力队；如果你传得太快，水就会洒出来（噪声），如果你停下来检查水位，你可能会掉落水桶。SiSeRO 则不同；它像是一个神奇的水桶，让你可以在不洒出一滴水的情况下，窥视内部并测量水量。你可以窥视任意多次，通过对所有这些窥视进行平均，背景噪声就会消退，留下清晰、锐利的信号。这项技术是下一代空间望远镜的关键，这些望远镜需要以比以往更清晰的细节来观察宇宙。
现在，让我们来看看这群制造这些“神奇水桶”的团队的最新进展。斯坦福大学、麻省理工学院林肯实验室以及麻省理工学院卡维研究所的研究人员刚刚推出了他们的第二代 SiSeRO 传感器，他们称之为 CCID93++。如果说第一版是证明该理念行之有效的原型机，那么这个全新的设备家族就是旨在应对未来太空任务巨大需求的“重型劳动力”。
团队不仅仅制造了一个新传感器；他们还建立了一个完整的工具包，用来测试各种让这些传感器变得更优秀的方案。首先，他们制造了 CCID93++B，这就像是有 16 个微型相机在并排工作，而不是只有一个。在传统设置中，传感器一次只读取一行像素，就像一次只读一本书中的一个词。而这个新设备可以同时读取 16 行，速度提升了 16 倍。为了确保找到最佳设计，他们将这 16 条通道分为四个不同的组，每组都有略微不同的“引擎”（例如移动内部栅极或改变电阻）。这就像是在同一辆赛车中测试四种不同的汽车发动机，看看哪一个的油耗表现最好。
其次，他们制造了 CCID93++C，它采用了另一种方法。这些 16 个传感器不是并排运行，而是排成单列，一个接一个地排列。想象一下，把一张秘密纸条传给一排 16 个朋友。每个朋友都读一下纸条，写下他们听到的内容，然后把纸条传给下一个人，而不改变纸条的内容。因为有 16 个人都读了同一张纸条，最终的信息会比只有一个人阅读时更加清晰和安静。这种设计旨在将噪声降低 4 倍，使“耳语”更容易被听见。
最后，团队迈出了通往未来的一小步，制造了一个 3x3 像素矩阵，这是“主动像素传感器”的第一个原型。这就像是建造一个由单个相机组成的微型网格，每个像素都有自己的“大脑”。这种设计非常特殊，因为它不需要将信号沿长线传递，这使得它在面对太空辐射时更加坚韧，并且非常适合拍摄天空中变化极快的超高速电影。
为了测试所有这些新奇的小玩意，团队构建了一个名为“测试平台”的定制“游乐场”。他们使用了一个名为 MCRC（多通道读取芯片）的特殊芯片来同时读取所有 16 个通道的信号，这比使用 16 根笨重的单独导线要高效得多。他们将传感器冷却到零下 105°C（168 开尔文），以阻止它们因热噪声而“发抖”，并用 X 射线对它们进行了照射，以观察它们的性能表现。
那么，他们的发现是什么呢？结果是令人期待的，但仍处于“调优”阶段。他们发现新并行传感器中的 16 个放大器中有 15 个工作正常，能够对信号做出应有的响应。有一个放大器表现得很固执，没有做出响应，团队目前正在对此进行调查。当他们测量传感器将电荷转换为信号的能力（一个被称为“转导”的属性）时，发现平均值为 18.42 微西门子，而表现最好的设计（即降低了电阻的设计）达到了 21.32 微西门子。
这篇论文并不声称这些传感器已经完美无缺。事实上，他们注意到电气信号中存在一些“泄漏”，这可能是由于栅极偏置方式导致的，这增加了一些额外的电流。他们目前正在进行测试，以寻找能够修复这一问题的完美电压设置。然而，他们能够并行读取 16 个通道，且这种新的“传纸条”设计确实奏效，这本身就是一个巨大的进步。他们已经证明了这些第二代设备是可以制造并读取的，现在他们正在微调这些“旋钮”，以使它们尽可能地安静和快速。这还不是下一台空间望远镜的最终成品，但它是我们目前所见过的该技术中最先进、功能最完备的版本，为即将扫描宇宙的超灵敏“眼睛”铺平了道路。
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