Wstęp do astrofizyki I

Transkrypt

1 Wstęp do astrofizyki I Wykład 8 Tomasz Kwiatkowski Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Wydział Fizyki Instytut Obserwatorium Astronomiczne Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 1/24 Plan wykładu Efekt fotoelektryczny wewnętrzny Matryca CCD Budowa piksela Odczyt ładunku z piksela Budowa i działanie CCD Rodzaje matryc CCD Kamera CCD Schemat budowy Przykład: Andor DZ436 Wzrost rozmiarów matryc CCD OT CCD i L3CCD Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 2/24

2 Pasmowa budowa ciał stałych Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 3/24 Efekt fotoelektryczny wewnętrzny W krzemie odstęp między pasmem walencyjnym, a pasmem przewodnictwa wynosi 1.1 ev Fotony o energii ev powodują przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa Fotony o większej energii wybijają dwa i więcej elektronów pojawia się nieliniowość Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 4/24

3 Budowa piksela By gromadzić swobodne elektrony, na płytce krzemu nałożona jest warstwa izolatora, a na niej elektrody, na ogół po 3 na piksel Po przyłożeniu dodatniego potencjału do elektrod, pod nimi powstaje dodatnia studnia potencjału Gdy foton wniknie do krzemu, przekazuje energię elektronowi walencyjnemu, a ten zaczyna poruszać się swobodnie w krzemie w kierunku dodatniej elektrody trafia do studni Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 5/24 Transfer ładunku między pikselami Cykliczne zmiany potencjału sąsiednich elektrod przesuwają zgromadzone ładunki między sąsiednimi pikselami Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 6/24

4 Budowa matrycy CCD CCD to matryca pikseli, z których każdy zawiera najczęściej 3 elektrody Piksele oddzielone są izolatorem (channel stop diffusions) Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 7/24 Odczyt matrycy CCD Ładunki pikseli przesuwane są cyklicznie w kolumnach w stronę rejestru odczytowego (output register) Rejestr odczytowy to dodatkowy wiersz pikseli, osłoniętych od światła Piksele rejestru odczytowego przesyłane są pojedynczo do układu odczytującego, w którym ładunek przepływa przez miniaturowy tranzystor, powodując spadek potencjału rzędu 1µV/e Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 8/24

5 Digitalizacja sygnału Spadki potencjału są wielokrotnie wzmacniane i przesyłane na przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D), który zamienia wolty na jednostki cyfrowe Przykład: Studnia potencjału piksela: W = e Szum odczytu: σ r = 5 e Zakres dynamiczny kamery: W/σ r = Do takiego zakresu dynamicznego wystarczy 16 bitowy przetwornik, dający 2 16 = poziomów jasności Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 9/24 Matryca CCD wewnątrz kamery SBIG ST-7 Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 10/24

6 Rodzaje matryc CCD Frontside illuminated (oświetlone od strony elektrod, tanie, mniej czułe) Backside illuminated (oświetlone od tyłu, drogie, bardzo czułe, płytka krzemowa znacznie cieńsza, stąd pierścienie interferencyjne) Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 11/24 Architektura matryc CCD Full-frame (po zakończeniu ekspozycji cała matryca jest zajęta odczytem ładunków trzeba długo czekać) Frame transfer (połowa matrycy osłonięta od światła, po zakończeniu ekspozycji szybkie przerzucenie ładunku z części naświetlanej, do części odczytowej) Interline transfer (dodatkowe kolumny pikseli, osłoniętych od światła, tylko do odczytu ładunku; możliwe ekspozycje z dużą częstotliwością) Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 12/24

7 Podstawowe parametry matrycy CCD Wydajność kwantowa QE (stosunek liczby wykrytych fotonów do liczby padających fotonów) Szum odczytu σ RN [e /pix] (szum powstający w czasie odczytu obrazu z CCD) Prąd ciemny d[e /pix/h] (elektrony wzbudzane w krzemie bez udziału światła, na skutek drgań sieci krystalicznej w T > 0 K; proporcjonalny do czasu naświetlania) Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 13/24 Schemat budowy kamery CCD Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 14/24

8 Budowa kamery CCD Matryca CCD Komora CCD (próżnia lub suchy gaz) Układ chłodzący komorę CCD: ciekły azot (LN2), odbierając ciepło paruje, trzeba dopełniać średnio raz na dobę CryoTiger (efekt Joule-Thompsona, taki sam, jak w lodówkach sprężarkowych) chłodzenie termoelektryczne (stos Peltiera), wymaga odbierania ciepła (wentylator bezpośrednio na kamerze lub zewnętrzne chłodzenie cieczowe) Układ elektroniczny odczytu CCD, digitalizacji, transferu do komputera Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 15/24 Kamera Andor DZ436 E2V CCD , piksel µm 2 Cienka matryca CCD oświetlona od tyłu, maks. wydajność kwantowa QE = 95% dla λ = 500 nm Chłodzenie 5. stopniowym układem Peltiera do 100 C Prąd ciemny d 1 e /pix/h Szum odczytu σ RN = 2.1 e /pix Odczyt całej matrycy w ciągu 120 s Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 16/24

9 10 10 Wzrost rozmiarów matryc CCD Uaktualniony wykres Gery Luppino Całkowita ilość pikseli PanSTARRS LSST CFHT MegaCam CFH12K mozaiki UH4K pojedyncze macierze 2k x 2k JPL Travelling CCD Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 17/24 Orthogonal transfer CCD (OTCCD) Ładunki w czasie ekspozycji mogą przesuwać się poziomo i pionowo, podążając za ruchem obrazu Możliwość korygowania drgań powodowanych seeingiem atmosferycznym Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 18/24

10 Orthogonal Transfer CCDs Array (OTA) W astronomii OT CCD montowane są w tzw. OTA Orthogonal Transfer CCDs Array (np. w teleskopach PanStarrs) Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 19/24 Moduł 8 8 matryc CCD, każda pikseli Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 20/24

11 Macierz 60 modułów OTCCD (8 8, brakuje czterech w rogach) Detektor zbudowany dla teleskopu PanStarrs na Hawajach Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 21/24 Low Light Level CCD (L3CCD) Zwane także Electron Multiplying CCD: EMCCD Pracują w trybie dwuwymiarowego licznika fotonów Niski szum odczytu, krótki czas odczytu (nawet kilkadziesiąt Hz) Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 22/24

12 Odczyt klasyczny vs. EM, 1s Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wst ep do astrofizyki I, Wykład 8 23/24 Odczyt klasyczny vs. EM, 0.1s Tomasz Kwiatkowski, OA UAM Wst ep do astrofizyki I, Wykład 8 24/24