Gaia Data Release 1 Documentation release 0

When analysing the whole focal plane using the analysis of defect pixel evolution as described in Section 2.3.4, it
is found that the number of radiation-induced defects is low. The sensitivity of the analysis to weak defects will
increase during later data-processing cycles and more detailed statistics will become available with progressing
mission duration (for further detail on defect pixel evolution, see Crowley et al. 2016).
1.3.3.8
Flat-band voltage shift
Radiation-induced generation of electron-hole pairs in the CCDs cause a gradual accumulation of positive charge
on the CCD gate oxide layers over time. The end result is an e
ffective change in the potentials under the gates
of each of the CCDs, which is termed a ‘flat-band voltage shift’. The CCD operating point is set to tolerate the
maximum expected end-of-mission flat-band voltage shift of 0.5 V, but the trend over time needs to be monitored
in case steps need to be taken to avoid any degradation in the performances of the devices. In principle, any e
ffect
can be compensated for by changing the operating voltages of the devices by an appropriate amount. A periodic
run of a special calibration activity on-board is required to monitor the evolution.
During this activity, charge-injection data is acquired from every CCD and the potential under the injection drain
(V
ID
) is successively increased from a low value of 12.5 V in order to find the V
ID
value at which charge stops
being injected (this point, the turn-o
ff voltage, corresponds to the point at which the V
ID
equals the potential under
the injection gate). The potential under the gate will evolve with increased charge accumulation in the oxide, but
the potential under the drain should remain unaltered since it is connected directly to the silicon. Thus, the change
in operating point over time diagnoses the flat-band voltage shift. The activity is being run throughout the mission
with a cadence of ∼6–12 months; so far, it has been run on-board three times, including a dry-run of the activity
shortly after launch.
The average and standard deviation for the on-ground-measured turn-o
ff voltages for the 106 flight devices is
15.574±0.258 V. A comparison with in-orbit data so far shows no clear evidence for a measurable flat-band voltage
shift beyond the measurement noise for any one device. However, the mean shift over all devices between the on-
ground measurement and the June 2015 on-board measurements is
+0.005±0.027 V. Therefore, after extrapolation,
it is currently expected that flat-band voltage shifts will not cause detector performance issues before the end-of-
mission. It should be noted that for future runs of this activity, the V
ID
sampling will be optimised for each CCD
in order to reduce measurement noise.
1.3.3.9
Prompt particle events
The object detection algorithms running on-board Gaia scan the images coming from each Sky-Mapper (SM)
CCD in search for local flux maxima. For each local maximum, spatial-frequency filters are applied over the flux
distribution within a 3 × 3 samples window centred around the local flux maximum. Objects failing to meet star-
like PSF criteria (too sharp or too smooth PSF) are rejected. For full details on the object rejection strategy, see de
Bruijne et al. (2015).
This filtering mechanism takes place at the SM CCDs but is followed by a confirmation stage in the AF1 CCDs
that further removes those objects that, having been detected in SM, do not re-appear in AF1, typically cosmic rays
or Solar protons. Detection-process statistics (e.g., the rejected number of cosmics) are telemetered to ground in
the form of auxiliary-science-data packets. These are only counters (in fact a ‘by-product’ of the detection chain)
and neither energy nor nature of the impacting radiation particles are provided.
Figure 1.8 shows the typical prompt-particle-event rates extracted from the auxiliary science telemetry. The
prompt-particle-event time lines contain two main features, namely (1) ‘peaks’ of counts (expectedly) concen-
41

---

Figure 1.7: Prompt particle events (green circles) highlighted in a full-frame engineering mode SM CCD image.
Stellar objects are in blue boxes. Shapes are for illustration purposes only and do not reflect on-board windowing.
42

---

Figure 1.8: Prompt-particle-event rates extracted from auxiliary science data.
trated around times of increased radiation activity, and (2) a ‘background’ count rate (at ∼40 counts s
−1
) which is
present at all times, on top of which Solar activity shows up.
The predicted background rate measured at each CCD (SM or AF) produced by an incident isotropic flux of
cosmics can be estimated using Sullivan (1971) and is given by:
R
CCD
=
F
CCD
· A
2
[counts s
−1
]
(1.1)
where A is the e
ffective detection area of the given detector in cm
2
(A
17.1 cm
2
for SM CCDs) and F is measured
in particles cm
−2
s
−1
. For a typical (Barth et al. 1999; Catalano et al. 2014) particle background at L
2
of 5 protons
cm
−2
s
−1
, the expected prompt-particle-event rate measured by Gaia at L
2
should be
42.75 counts s
−1
, which is
in good agreement (<10% di
fference) with actual measured rates. The peaks in the prompt-particle-event coun-
ters are clearly correlated with increased Solar activity. We thus compared Gaia prompt-particle-event counters
against other spacecraft’s radiation monitoring instruments data (ACE: http://www.srl.caltech.edu/ACE/;
and GOES: http://www.swpc.noaa.gov/products/goes-proton-flux) over the same time scales to per-
form an external consistency check. Figure 1.9 shows a couple of such qualitative comparisons for ‘strong’ Solar
events. We found systematically that Gaia prompt-particle-event counters are following the increase in the Solar
radiation particles (protons) measured by the other dedicated radiation monitoring instruments. The Gaia focal
plane being shielded inside the thermal tent structure of the spacecraft should systematically measure lower parti-
cle fluxes than the other instruments, as a good fraction of the incident particles on the spacecraft will be blocked
by the thermal-tent materials. Both analyses give confidence on the robustness of the Gaia on-board autonomous
detection
/rejection algorithms.
Cosmics impacting on a CCD produce (displacement) radiation damage. The traps created in this process degrade
the nominal charge-transfer times of the photo-electrons during the readout in TDI mode as charge is trapped and
released. This degradation in the charge-transfer e
fficiency – or CTI effect (CTE = 1−CTI) – is known to introduce
43

---