Gaia Data Release 1 Documentation release 0

Figure 1.3: Normalised First-Pixel-Response (FPR) results for the AF7 CCD on row 4. The steps due to the Solar
flares are readily apparent.
36

---

Figure 1.4: The predicted absolute end-of-mission FPR for each AF1–RP CCD (in electrons). The CTI e
ffects are
now expected to be approximately an order of magnitude less than was feared pre-launch.
scan transfer ine
fficiences for these devices that were already measured pre-launch. Also apparent in this figure
is a pattern showing higher FPR values towards the centre of the focal plane, which is a result of the shielding.
However, the most important result that can be derived from these data is that the now-predicted end-of-mission
CTI values are approximately an order of magnitude less than was feared before launch.
Furthermore, o
ffline studies of the image shapes as a function of the time since charge injection have confirmed
that the e
ffects of CTI in the along-scan direction are low. A full analysis of the effects of CTI on the science
data will become possible with time as more calibrations are carried out in the iterative data processing. Note that
no periodic charge injection occurs in the SM and RVS devices, however. The CTI in the along-scan direction in
these (and the other) devices is monitored through special calibration activities that take place every three to four
months. The results are consistent with those presented here for the AF, BP, and RP CCDs. See Crowley et al.
(2016) for a full discussion of the e
ffects of the radiation environment on the Gaia detectors over the first two years
of the mission.
1.3.3.5
Serial Charge-Transfer Ine
fficiency
A common technique for monitoring the CTI in the serial (readout) registers of CCDs is to generate charge in
the image area and then monitor any trailing into the post-scan samples after the charge is transferred through the
serial register. Since the Gaia VPUs are not capable of generating nominal packets containing post-scan samples,
a special calibration is run periodically where five di
fferent levels of charge are injected into each science device
(apart from SM devices, where the definition of the CCD operating mode precludes the acquisition of post-scan
pixels). At the same time, ‘Virtual Objects’ (VOs) are placed over the end of the image area (in order to monitor
37

---

Figure 1.5: Across-scan charge-injection profile for the AF6 CCD in row 6 for the highest injection level. Note
the trailing from the signal in the image areas into the post-scan samples (samples greater than index 13) due to
serial-register CTI. The evolution from run-to-run is apparent, but small. Note the very large trailing e
ffect present
even for the run carried out shortly after launch; this is showing the e
ffect of the traps present in the serial register
since device manufacture.
the injected charge level) and are also used to acquire post-scan pixels. To circumvent the problem where post-scan
samples cannot be stored in nominal packets, the engineering functionality of SIF is used to gather the raw PEM
data which is subsequently down linked in a special packet with high priority. Since radiation damage has been
lower than expected, it is currently su
fficient to run this activity with a cadence of somewhere between three to
four months.
At time of writing (mid 2016), there have been seven runs of the serial-CTI calibration in-flight. These runs allow
the tracking of the evolution of the CTI in the serial register. However, it is found that the CTI is still dominated
by the traps that have been present since device manufacture. Shown in Figure 1.5 are data derived from each run
of the activity so far for the AF6 device on CCD row 6, and for the highest injection level. The co-added, high
S
/N cuts in the across-scan direction show the two pre-scan samples, followed by image-area samples showing the
injected charge, and then the trailing into the post-scan samples due to the release of the injected electrons from
traps in the serial register. In Figure 1.6, the very slow evolution of the serial CTI curve from run-to-run is readily
apparent.
This slow evolution of the serial CTI (the continued domination by pre-flight, manufacturing traps) is apparent
all across the focal plane. In summary, CTI in the serial register is still dominated by the traps inherent to the
38

---

Figure 1.6: The evolution of the serial-CTI curve for the same CCD from calibration activities. The evolution due
to radiation damage is low.
39

---

manufacturing process and the radiation-induced degradation in CTI, whilst clearly measurable, is of the order of
a few percent of the pre-flight CTI (∼1–3% for AF
/BP devices and ∼3–7% for the thicker red devices, which had
much lower native CTI to begin with). So, similar to the situation for the CTI in the along-scan direction, the CTI
e
ffects of radiation damage in the serial register are low.
1.3.3.6
Non-uniformity calibration
As discussed in detail in Section 2.3.5, the electronic readout of the Gaia CCDs su
ffers from variations within
a TDI line which have a non-trivial dependency on the exact readout scheme. Since most CCDs are operated
in a windowing mode, where the exact locations of the windows depend on the sky, it follows that a constant
reconfiguration of the readout scheme is applied to most devices. There is a model of the o
ffset variation as a
function of various readout parameters that needs to be calibrated periodically throughout the mission in order to
properly correct these o
ffsets. Some details on the various effects are discussed in Section 2.3.5; here we discuss
only the status of the special on-board calibration that is carried out to calibrate the model.
During the non-uniformity calibration activity, the VPUs are, one-by-one, taken out of operational mode and
artificial ‘Virtual Object’ (VO) detections are placed into the VPU algorithms. These detections result in empty
windows to be readout from each device as the objects are propagated across the various science CCDs in the row
controlled by that VPU. The VO patterns are designed to sample di
fferent readout configuration timings and are
used to calibrate the o
ffset non-uniformity model.
The nominal cadence of each run has settled to be between three to four months and, to date, the activity has been
performed on-board nine times. The data gathering has mostly been successful. However, some issues related to
the CCD gates and an on-chip cross-talk e
ffect during gate-activation commands resulted in some optimisations
being performed for specific devices in order to get the highest-quality data.
1.3.3.7
CCD cosmetic defects
All CCDs are manufactured with a number of non-perfect, or defected, pixels. These can be manifest in a number
of ways, but typically there will be a number of pixels which are under-responsive in comparison to the surrounding
population, and a number that exhibit elevated signal levels, even in darkness. Due to the TDI operation of the Gaia
CCDs, such pixel defects will be smeared out in some form due to the fact that the signal has been integrated over
all 4500 CCD image-area pixels in the column before reaching the serial register. Of course, for gated observations,
the e
ffective integration distance is shortened, so it may be that a defect pixel far from the serial register produces
an e
ffect in the non-gated data, but not in (all or some of) the gated data. In addition to these fabrication cosmetics,
there are radiation-induced defects created and evolving in-orbit.
For Gaia, apart from the standard need to characterise CCD defects for the processing of the science data, it is also
important to take them into account in order to ensure correct operation of the on-board detection (the SM CCDs)
and confirmation (the AF1 CCDs) chains. Defects and evolution in dark-signal non-uniformity (DSNU) need to
be tracked and updated on-board.
The locations and characteristics of these defects were diagnosed pre-flight and stored in the VPU memories for
the on-board processing of the SM, AF1, and RP windows (the RP-window data is used on-board to provide a red
magnitude for each object which is used as input when deciding whether an RVS window should be assigned for
an object or not). So far, only one on-board change has been required in order to update the DSNU table for one
SM CCD which contains a weak (∼15 ADU), radiation-induced hot column.
40

---