Design of a Skipper CCD Focal Plane for the SOAR Integral Field Spectrograph

We present the development of a Skipper Charge-Coupled Device (CCD) focal plane prototype for the SOAR Telescope Integral Field Spectrograph (SIFS). This mosaic focal plane consists of four 6k $\times$ 1k, 15 $\mu$m pixel Skipper CCDs mounted inside a vacuum dewar. We describe the process of packaging the CCDs so that they can be easily tested, transported, and installed in a mosaic focal plane. We characterize the performance of $\sim 650 \mu$m thick, fully-depleted engineering-grade Skipper CCDs in preparation for performing similar characterization tests on science-grade Skipper CCDs which will be thinned to 250$\mu$m and backside processed with an antireflective coating. We achieve a single-sample readout noise of $4.5 e^{-} rms/pix$ for the best performing amplifiers and sub-electron resolution (photon counting capabilities) with readout noise $\sigma \sim 0.16 e^{-} rms/pix$ from 800 measurements of the charge in each pixel. We describe the design and construction of the Skipper CCD focal plane and provide details about the synchronized readout electronics system that will be implemented to simultaneously read 16 amplifiers from the four Skipper CCDs (4-amplifiers per detector). Finally, we outline future plans for laboratory testing, installation, commissioning, and science verification of our Skipper CCD focal plane

Gain calibration and nonlinearity analysis in single photon sensitivity Skipper CCD

The Skipper CCD allows pixel measurements with sub-electron noise levels. The gain of the CCD, that relates the number of electrons to the number of analog to digital units (ADU) is almost linear but with some degree of nonlinearity.This article uses the charge quantization allowed by the SkipperCCD to estimate the gain with different strategies. Linear and quadratic models are analyzed and differential and integral nonlinearity (DNL and INL) metrics are computed. Experimental results in a range of charge between 0 and 700 electrons shows that the linear model achieves an INL of 0.8e−, while the second order model reaches an INL of 0.09e−.Fil: Lapi, Agustín Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages". Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages"; ArgentinaFil: Chierchie, Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages". Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages"; ArgentinaFil: Fernández Moroni, Guillermo. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados Unidos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaReunión de Trabajo en Procesamiento de la Información y Control (RPIC 2021)San JuanArgentinaConsejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Automática. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ingeniería. Instituto de Automátic

A Digital CCD Noise Reduction Technique Experimentally Tested on a Large Batch of Scientific Sensors

In this article, a digital optimal-filtering method is proposed for reducing readout noise in charge-coupled devices (CCDs). The technique includes a number of noise sources that other methods omit but may restrict the sensor's effectiveness. A procedure is described to obtain the noise directly from the video signal under a standard readout sequence, instead of using an indirect noise measurements approach that does not capture all the interference sources. The proposed research method underwent extensive experimental testing on a large number of scientific sensors, reducing noise in comparison to standard techniques. A significant improvement in the performance comes from using a nonstationary noise model for the video signal and the calibration of the dynamics of the charge transfer signal for each sensor. The average reduction in the noise standard deviation of all tested devices was approximately 40%. Moreover, the spread of the standard deviation values was reduced compared to the standard technique. These two aspects indicate that this technique may increase the selection yield for the construction of multiple-sensor instruments.Fil: Lapi, Agustín Javier. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras; Argentina. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Chavez Blanco, Claudio Rodrigo. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras; ArgentinaFil: Chierchie, Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages". Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages"; ArgentinaFil: Fernández Moroni, Guillermo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages". Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages"; Argentina. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Paolini, Eduardo Emilio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages". Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras. Instituto de Investigaciones en Ingeniería Eléctrica "Alfredo Desages"; ArgentinaFil: Estrada, Juan. Fermi National Accelerator Laboratory; Estados UnidosFil: Tiffenberg, Javier. Universidad Nacional del Sur; Argentin