1  

 

CIRCE Detector Information 

Stephen Eikenberry 

19 February 2014 

 

Summary 

We present some information regarding the CIRCE engineering‐grade detector array.  In particular, we note that: 

We have always planned to use an engineering grade array for CIRCE, since the inception of the project with GTC more than 10 years ago.  The current CIRCE array has ~87% functional pixels, which is quite good (most engineering arrays have ~50‐75% responsive pixels). 

Even with the non‐responsive columns and pixels in the upper left corner, CIRCE's "uninterrupted" field of view is >20x larger than NIRC/Keck ‐ the only competing instrument on a 10‐meter telescope at this time. 

CIRCE's usable field is also >2x larger than NIRI on Gemini‐North (>3x greater A*Omega product as well).  Thus, CIRCE will be not only competitive with current instruments on large northern telescopes, but in fact better than most facility instrument currently at such telescopes. 

The geometry of the unresponsive regions is such that normal near‐IR dithering patterns will effectively remove any systematic impact on processed images, and even the impact on signal‐to‐noise versus array position will be small.  We provide simulations to confirm this statement. 

We present measurements of the delamination rate in the upper left corner, which is a fractional rate of 0.0005 per cooldown.  Over the planned usage timescale of CIRCE, this will result in a loss of <0.5% of the detector pixels, which will have a virtually negligible impact on scientific performance. 

This delamination rate is <1/2 of the rate we have measured in previous science‐grade HAWAII‐2 devices, indicating that the device is relatively stable.  While the CIRCE array ‐ like all IR hybrid arrays ‐ has some possibility of failure during thermal cycles, as a HAWAII‐2RG device with low delamination rate, it presents a relatively low risk of such an event compared to science‐grade HAWAII‐2 devices, such as those planned to be used in FRIDA and EMIR at GTC. 

 

 

 

 

 

 

2  

I. Field of View Comparisons 

 

Figure 1 ‐ CIRCE Ks "flatfield" image, including the a region of unresponsive pixels in the upper left, two unresponsive columns near the right, and some vignetting at the focal plane at the right edge.  For comparison, we superpose the "footprint" of the NIRC instrument on Keck ‐ the only competing NIR instrument on a 10‐meter telescope.   

NIRC/Keck 

 

38x38

CIRCE/GTC

3  

 

Figure 2 ‐ CIRCE Ks "flatfield" image, including the a region of unresponsive pixels in the upper left, two unresponsive columns near the right, and some vignetting at the focal plane at the right edge. For comparison, we superpose the "footprint" of the NIRI instrument on Gemini‐North ‐ CIRCE has >2x the 

usable field, and >3x the "A" product of NIRI.   

NIRI/Gemini‐N 

 

 

 

 

 

 

119x119 

CIRCE/GTC

4  

 

 

Figure 3 ‐ CIRCE Ks "flatfield" image.  For comparison, we superpose 20 copies of the "footprint" of the NIRC instrument on Keck ‐ demonstrating that CIRCE will be not only competitive with current instruments on large northern telescopes, but in fact better than most facility instrument currently at such telescopes.       

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

NIRC/Keck 

 

38x38 

5  

II. Dithering Impacts  To simulate the impacts of the CIRCE unresponsive pixel regions, we took a high signal‐to‐noise NIR image (Figure 4).  We then simulated a random 45‐position dither pattern over this image, adding Gaussian noise to simulate background‐limited observations ‐ as expected for CIRCE on GTC.  We then did a standard dithered median combination of these images ‐ first with an "ideal" detector array (zero unresponsive pixels), and then applying the CIRCE bad‐pixel mask.  We then median‐combined the two different sets of 45 images, resulting in the images shown in Figure 5.  Note that the imprint of the unresponsive pixel pattern is effectively eliminated by this random dither pattern ‐ confirming that there is no expectation of a systematic impact from this pattern (beyond the unavoidable ~13% reduction in background measurements).   

 Figure 4 ‐ Original NIR image used for the simulations. 

 

6  

      

Figure 5 ‐ Median combination of the same 45 randomly‐dithered images: (Left) Idealized array; (Right) Same, but with CIRCE unresponsive pixel mask applied.  Note that there is no residual systematic effect of the CIRCE unresponsive pixel pattern in the right‐hand image.  We show the mask in Figure 6, and examples of the simulated images in Figures 7‐9.    

  

Figure 6 ‐ Map of unresponsive pixels in the CIRCE array.  

 

7  

      

Figure 7 ‐ Simulated individual dithered exposures: (Left) Idealized array; (Right) Same, but with CIRCE unresponsive pixel mask applied. 

 

      

Figure 8 ‐ Simulated individual dithered exposures: (Left) Idealized array; (Right) Same, but with CIRCE unresponsive pixel mask applied.  

  

8  

      

Figure 9 ‐ Simulated individual dithered exposures: (Left) Idealized array; (Right) Same, but with CIRCE unresponsive pixel mask applied.  We then calculated noise maps for each pixel in the median combination stacks for each set.  Note that there is some small residual impact on noise in the upper left corner and on the right hand side for the "CIRCE‐masked" images.  

      

Figure 10 ‐ Noise maps for the median combination of the same 45 randomly‐dithered images: (Left) Idealized array; (Right) Same, but with CIRCE unresponsive pixel mask applied.   

 

We show plots of the noise ratio (masked noisemap divided by idealized noisemap) in Figure 11.  As we 

can see the impacts of the CIRCE unresponsive pixel pattern are rather small ‐ typically <10%, and 

essentially always <20% in even the worst locations. 

9  

 

Figure 11 ‐ Ratio of the noisemap (masked divided by idealized) versus position for a row near the middle of the array (top) and near the top of the array (bottom).  

This confirms that the geometry of the unresponsive regions is such that normal near‐IR dithering 

patterns will effectively remove any systematic impact on processed images, and even the impact on 

signal‐to‐noise versus array position will be small.  

 

III. Delamination Issues  We have measured the number of unresponsive pixels in the CIRCE detector array over 3 consecutive cooldowns at UF.  We find that just under 87% of the array pixels are responsive ‐ well above the ~50‐75% typical for most engineering grade arrays.  We also find that the delamination rate is exceedingly slow ‐ fractionally, approximately 0.0005 per cooldown.  We extrapolate this delamination through the 

10  

number of cooldowns expected for the future of CIRCE.  These include 2 post‐shipment cooldowns for array alignment, 1 contingency cooldown, and 2 servicing/maintenance cooldowns ‐ one each in 2015 and in 2016.  We show these results in Figure 12.  We present them again in Figure 13, with a large "zoom factor", since the effect is so small that it is hard to see when plotted at full scale.   

 

Figure 12 ‐ Fractional delamination rate for the CIRCE detector array versus cooldown ‐ both past and projected for the future of CIRCE through 2016. 

 

 

   

PAST  FUTURE

TYPICAL ENGINEERING GRADE FRACTION

11  

 

Figure 13 ‐ Fractional delamination rate for the CIRCE detector array versus cooldown ‐ both past and projected for the future of CIRCE through 2016, with z "zoomed‐in" Y‐axis.  Over the planned usage timescale of CIRCE, this will result in a loss of <0.5% of the detector pixels, which will have a virtually negligible impact on scientific performance.  This delamination rate is <1/2 of the rate we have measured in previous science‐grade HAWAII‐2 devices, indicating that the device is relatively stable.  While the CIRCE array ‐ like all IR hybrid arrays ‐ has some possibility of failure during thermal cycles, as a HAWAII‐2RG device with low delamination rate, it presents a relatively low risk of such an event compared to science‐grade HAWAII‐2 devices, such as those planned to be used in FRIDA and EMIR at GTC.