Ogólna systematyka detektorów (odbiorników) promieniowania EM.

Ogólna systematyka detektorów (odbiorników) promieniowania EM. Podział ze względu na rejestrowaną wielkość: detekcja pola elektrycznego (radioteleskop, odbiorniki dalekiej IR), * * * rejestracja pełnej energii niesionej przez fale EM (kalorymetr, bolometr), rejestracja fotonów (nie zawsze znaczy zliczanie!) (PP, PM, CCD). Podział ze względu na kanałowość (moŝliwość próbkowania w przestrzeni danego parametru strumienia astrofizycznego F (α, δ, t, λ, p (polaryzacja),...): * odbiorniki całkujące (jednokanałowe) (np. fotometr PM w dziedzinie α, δ, λ i p ; CCD w dziedzinie λ, t i p), * odbiorniki niecałkujące (wielokanałowe) (np. fotometr PM w dziedzinie t ; CCD w dziedzinie α, δ ; spektro-polarymetr obrazujący w dziedzinie α, δ, λ i p) Podział ze względu na zjawisko fizyczne wykorzystywane do detekcji: * efekt fotochemiczny (PP), * efekt fotowoltaiczny (fotoogniwo), * indukcja EM (radioteleskop), * zewnętrzny efekt fotoelektryczny (fotokomórka, PM, wzmacniacz obrazu, MCP), * wewnętrzny efekt fotoelektryczny (CCD) 189

Płytka mikrokanałowa MCP (Micro Channel Plate) Jest wielokanałową wersją uŝywanego od lat w badaniach jądrowych detektora mikrokanałowego wykorzystującego zewnętrzny efekt fotoelektryczny. Tak MCP wygląda w rzeczywistości. Zasada działania: wpadający do kanalika foton wybija fotoelektron, ten po rozpędzeniu przez zewnętrzne pole elektryczne wybija lawinę wtórnych elektronów z których kaŝdy wybija lawinę wtórnych elektronów i.t.d. Charakterystyczne parametry: Średnica kanału rzędu 10 0-10 1 µm, Długość kanału rzędu 10 0 mm, PrzyłoŜone napięcie rzędu 10 2-10 3 V, Wzmocnienie (przyrost liczby e - ) rzędu 10 2-10 3. Sama MCP nie jest detektorem! W połączeniu z ekranem luminescencyjnym stanowi wzmacniacz obrazu. Wstępuje jako wejściowy stopień detektora w połączeniu z EBCCD (Electron bombardment CCD) lub matrycą wielo-anodową MAA (Multi Anode Array). Matryca ta dzięki odpowiedniemu adresowaniu pojedynczych anod moŝe określić połoŝenie trafiającego w nią pęku elektronów wtórnych produkowanych przez MCP. 190

Detektor MCP+MAA W MCP zastosowano kanały zakrzywione by zwiększyć efektywność wybijania elektronów wtórnych. MAA o bezpośrednim adresowaniu elektrod MAA o osobnym adresowaniu wierszy liczba kanałów rzędu 10 3-10 4 i kolumn (zwykle hierarchicznie) liczba kanałów rzędu 10 5-10 6. MCP+MAA wyposaŝone w pompę jonową utrzymującą próŝnię. 191

A jak wygląda technologia wykonania MCP? (czyli jak zdolny majsterkowicz moŝe sobie zrobić taką płytkę) Proces produkcji polega na wytworzeniu rurki szklanej na rdzeniu. Rurki są wyciągane na gorąco i sklejane w sześciokątne sekcje. Te z kolei są wyciągane i sklejane w zespoły sekcji. Następuje cięcie na pojedyncze płytki i wytrawianie rdzeni oraz obróbka chemiczna wewnętrznej powierzchni kanalików. Ich ścianki pokrywane są związkiem ołowiu o własnościach półprzewodnikowych. Płytki MCP mogą być łączone kaskadowo w kilka dając wzmocnienia rzędu 10 6. MCP połączone z MAA stanowi detektor zliczający pojedyncze fotony (zwykła CCD tego nie potrafi). Dodatkowo moŝna stosować fotokonwersję umoŝliwiającą detekcję fal EM z zakresu niedostępnego przeciętnemu CCD (np. daleki UV). Powiększony obraz powierzchni gotowej płytki 192

Półprzewodnikowe detektory 2-D Podstawowymi detektorami typu 2-D wykorzystywanymi do obrazowania w zakresie promieniowania widzialnego, bliskiego ultrafioletu oraz bliskiej podczerwieni są: - matryce CCD, - matryce CMOS, - płytki mikrokanałowe + matryce wieloanodowe Dwa pierwsze detektory pracują wykorzystując wewnętrzny efekt fotoelektryczny, natomiast trzeci, dzięki zewnętrznemu zjawisku fotoelektrycznemu w półprzewodnikach. W detektorach półprzewodnikowych stosuje się krzem domieszkowany pierwiastkami V grupy (typ n, nadmiar e - ) lub III grupy (typ p, nadmiar dziur ). Koncentracja domieszek jest rzędu 10-8. hv hv półprzewodnik samoistny E s pasmo przewodnictwa pasmo walencyjne e - E s e - półprzewodnik domieszkowany E s < E s Wewnętrzny efekt fotoelektryczny 193

Gdy energia kwantu jest wystarczająca: hv > E s tworzona jest para nośników elektron (fotoelektron)+dziura. Przykłady materiałów półprzewodnikowych: Materiał graniczna długość fali tworzenia par (µm) Si 1.14 InSb 5.50 Hg (1-x) Cd x Te < 20 Głębokość wnikania światła w krzem silnie spada wraz ze skracaniem się długości fali. To, plus maksymalna graniczna długość fali dla tworzenia par nośników kształtują charakterystykę czułości widmowej detektorów półprzewodnikowych. Log d [ µ m] 2 1 0-1 -2-3 200 400 600 800 λ [nm] RQE (q) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 CCD 0.0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 wave length [nm] λ max 194

Struktura detektora MOS Zarówno matryca CCD, jak i CMOS składają się z elementarnych detektorów wykonanych w technolgii MOS (Metal-Oxide-Semiconductor). KaŜdy element jest diodą pojemnościową o pojemności regulowanej przez przyłoŝone zaporowo napięcie. W strukturze Si tworzona jest studnia potencjału opróŝniona z ładunków większościowych. Tam gromadzą się fotoelektrony generowane przez padające światło. studnia potencjału Si semiconductor hv - e - metalowa anoda + półprzepuszczalna metalowa katoda metal SiO 2 oxide Studnia potencjału jest w stanie pomieścić do 10 5-10 6 ładunków. Przepełnienie studni potencjału powoduje rozpływanie się ładunku do sąsiednich pixli (bleeding, blooming). Nawet dla umiarkowanej liczby fotoelektronów część z nich jest w stanie tunelować się do najbliŝszych elementów poprzez barierę potencjału studni. 195

Struktura matrycy CCD Matryca CCD to czuła na światło wersja pamięci analogowej, wynalazku z roku 1969 (W. Boyle i B. Smith, AT&T Bell Labs). Pamięci takie (bubble memory) stosowane były w analogowych maszynach liczących. Na monokrysztale krzemu poprzez odpowiednie domieszkowanie tworzona jest struktura kolumn. Wiersze oddzielone zostają sterowanymi barierami potencjału. Skrajny wiersz to rejestr przesuwny (równoległy) transportujący ładunki do zewnętrznej elektroniki kamery. Skrót CDD (Charge Coupled Device), czyli urządzenie ze sprzęŝeniem ładunkowym podkreśla istotę transportu ładunku. Przykład transportu pakietów ładunku w odczycie trójfazowym (3P). KaŜdy pixel składa się z trzech subpixli. Rys. 1 to sytuacja po zakończeniu ekspozycji. 0 5 10 1 2 10 0 5 5 10 0 3 Liczby przy szynach łączących oznaczają napięcie w V. 196

Transport ładunku odbywa się wzdłuŝ kolumn o jeden pixel, a pakiety ładunkowe ze skrajnego wiersza trafiają do rejestru równoległego, skąd wyprowadzane są do elektroniki kamery. Głównymi elementami w tym torze są przetwornik prąd/napięcie (lub ładunek napięcie) i układ kwantujący dający na wyjściu informację cyfrową (Analog to Digital Units - ADU). q n-4 q n-3 q n-2 q n-1 q n I/U A/D ADU Jakość transferu ładunku opisuje czynnik efektywności transferu (Transfer Efficiency - TE) określający jaka część pełnego ładunku przeŝywa przerzucenie z pixla do pixla (zwykle rzędu 0.999999). Efektywność przetwarzania ładunku w sygnał cyfrowy określa współczynnik konwersji (Conversion Factor - CF zwykle rzędu 1 e - /ADU) zaleŝny od wzmocnienia przedwzmacniacza (tzw. GAIN (z ang.)). Stopień wypełnienia całego pixla przez strukturę czułą na światło określa współczynnik wypełnienia (Filling Factor - FF). Zwykle bliski 1.0, zwiększane np. przez uŝycie mikrosoczewek. Liniowość charakterystyki matrycy CCD zaburzana jest dla małych sygnałów zjawiskiem samoistnej rekombinacji fotoelektronów z dziurami. Dla duŝych sygnałów charakterystyka nasyca się przez ograniczoną pojemność studni potencjału lub ograniczony zakres dynamiczny przetwornika analogowo-cyfrowego. 197

Czas odczytu pełnego obrazu (frame) uzaleŝniony jest od stałej czasowej diody pojemnościowej MOS. Dylemat: duŝa pojemność pixla + duŝa ilość pixli (do 10 7 ) + przetwornik A/D o duŝej liczbie bitów to plusy matrycy CCD, ale wiąŝą się z długim czasem odczytu (do 10 2 sec). Inne typy transferu ładunku przyspieszające odczyt matrycy lub umoŝliwiające odczyt podczas eksponowania: - transfer ortogonalny (w kierunku jednego z rogów matrycy, 2 rejestry równoległe, jeden wzdłuŝ wierszy, drugi wzdłuŝ kolumn), - frame transfer (przerzucenie ładunku z jednej połowy matrycy do drugiej, gdy druga, zaślepiona połowa jest odczytywana, pierwsza jest eksponowana), - interline transfer (przerzucenie ładunku do co drugiej kolumny, która jest zaślepiona i odczytywana, gdy co druga kolumna czuła na światło jest eksponowana), hv hv hv 198

Podstawowe źródła szumów matryc CCD 1. Szum odczytu. (Read-Out Noise - RON) Generuje go przepływ ładunku zgromadzonego w pixlach, przepływ mający miejsce w fazie odczytywania obrazu. Głównym źródłem jest przedwzmacniacz. Dyspersja tego szumu jest rzędu kilku e - : σ Q ( ktc) 1 2 gdzie: σ Q - szum ładunku, k - stała Bolzmanna, T - temperatura By dla minimalnych sygnałów szum ten nie powodował powstania ujemnych wartości ADU oraz by pracować na liniowej części charakterystyki przetworników stosuje się podbicie elektroniczne - BIAS mające stałą, stabilną wartość. 2. Szum termiczny. Wymuszona przez drgania sieci krystalicznej generacja par nośników powoduje pojawienie się w pixlach ładunku niezwiązanego z oświetleniem matrycy. Wielkość tego ładunku (sygnał ciemny - DARK) jest proporcjonalna do czasu integracji (od jednego do drugiego momentu odczytu matrycy). Średnia wielkość tego sygnału silnie zaleŝy od temperatury matrycy:. ( ) ( ) 22 1 5 j = 194. 10 wa t T exp 7615 T gdzie: j -śr. prąd ciemny [e - s -1 ] Dla ustalonego czasu integracji sygnał ten (Ne - ) ma rozkład Poissona. 199

Sygnał ciemny spada ogólnie eksponencjalnie z temperaturą ( pi oko dwukrotnie na kaŝde 5-6 C). Średni DARK [ADU] 1000 100 Gain 2 Texp = 500 sec -60-50 -40-30 Temperatura [ C] 100 10 Średni szum DARK [ADU] Przykładowa zaleŝność sygnału ciemnego [ADU] i dyspersji jego szumu dla kamery firmy PHOTOMETRICS. Chłodzenie termoelektryczne + obieg płynu chłodniczego. Temperaturę -63 C uzyskano dla temperatury otoczenia -15 C. By obniŝyć sygnał ciemny i umoŝliwić wykonywanie długich ekspozycji konieczne jest chłodzenie matrycy i stabilizacja jej temperatury. Najczęściej stosowane systemy chłodzenia to: - kriogeniczne (ciekły azot T~ -100 C, ciekły hel dla CCD IR T~ 10 0 K), - pompy cieplne (chłodzenie gazu (najczęściej He) przez wykonywanie pracy T~ 10 1 K), - termoelektryczne - zjawisko Joula-Peltiera (chłodzenie wielostopniowe + płyn chłodzony (uwaga na punkt rosy!) przez chłodziarkę (T~ -30-100 C). 200

Profesjonalne kamery CCD (do wykorzystania w astronomii) Kamery te charakteryzują się zastosowaniem matryc wysokiej jakości, przewaŝnie kwadratowych, B/W, o wymiarach od 512x512 do 4096x4096. Rozmiary pixla od kilku do 30 µm. Przetworniki A/D 16-bitowe. Tempo odczytu matrycy umiarkowane ~ 1 MHz, by nie powodować rozmycia pakietów ładunku. shutter Głowica kamery z dewarem na ciekły azot. Głowica kamery z chłodzeniem termoelektrycznym. elektronika sterująca kamery. By zwiększyć obszar nieba obrazowany przez kamerę stosuje się: - mozaiki od kilku do dziesiątek matryc ( specjalne CCD z jednostronnymi złączami), - metodę drift scanning do otrzymywania obrazów panoramicznych (jednoczesne eksponowanie i transfer ładunku). 201

A jak uzyskać kolorowy obraz z matrycy CCD? eksponowanie trzech kolejnych zdjęć przez filtry RGB i złoŝenie barw (wymaga zewnętrznych, sterowanych filtrów i jest czasochłonne, lecz chyba jest w stanie dać najlepsze rezultaty), jednoczesne eksponowanie trzech wydzielonych barw składowych na trzech niezaleŝnych matrycach (kosztowne, bo potrzebne 3 matryce i dzielnik wiązki światła na barwy RGB), zastosowanie masek filtrów (np. maska Bayera - B. Bayer z Eastman Kodak) uczulających sąsiednie pixle na barwy składowe (efektywne, tanie ale pogarszające własności próbkujące matrycy CCD). zastosowanie trójwarstwowej matrycy X3 firmy Foever (trzy matryce jedna nad drugą selektywnie przetwarzające kolejne barwy RGB - kosztowne i nie takie rewelacyjne). Dwa ostatnie podejścia stosowane są w cyfrowych aparatach fotograficznych. Informacja o składowych RGB odnosi się do sąsiednich (ale innych pixli), dlatego wymagana jest interpolacja wartości pixla, by otrzymać właściwe złoŝenie barw. Bayer filter mask 202

Pytanie: A co by się stało gdyby nie interpolować? Odpowiedź: Inne podejścia do zagadnienia masek filtrujących: 203

Technologia CMOS a CCD Innowacją technologii CMOS w porównaniu z technologią CCD jest zastosowanie podejścia charakterystycznego dla układów cyfrowych. Inne jest adresowanie pixli i sposób odczytu obrazu. KaŜdy pixel zawiera przedwzmacniacz (pixel aktywny), a nawet moŝe mieć indywidualny przetwornik A/D. Dzięki adresowaniu bezpośredniemu moŝliwy jest nieniszczący odczyt obrazu (mamy dostęp do fragmentu obrazu nie naruszając struktury jego całości). Odczyt matrycy CCD jest odczytem niszczącym! Matryce CMOS stosowane są na razie jedynie w sprzęcie nieprofesjonalnym. Charakterystyka CCD CMOS sygnał z pixla ładunek napięcie sygnał z matrycy napięcie cyfrowy parametr wypełnienia wysoki umiarkowany szum systemu niski umiarkowany złoŝoność detektora niska wysoka złoŝoność systemu wysoka niska zakres dynamiczny wysoki umiarkowany jednorodność wysoka niska, umiarkowana szybkość umiarkowana, wysoka wyŝsza 204

Efekty pogarszające jakość obrazu i fotometrii CCD 1. Efekty charakterystyczne dla całej klasy detektorów. a) niestabilność i szumy poziomu BIAS, b) fluktuacje i szumy wzmocnienia przedwzmacniacza (zmienny GAIN), c) szumy termiczne - 3 miejsca generacji: - Si poza studnią potencjału (elektrony dyfundują do studni) - mało istotne, - obszar studni potencjału - bardziej istotne, - złącze Si-SiO 2 - najbardziej istotne, Prócz stosowania chłodzenia moŝna stosować mod pracy MPP. d) niejednakowa wydajność kwantowa, pojemność i zakres widmowy pixli Przyczyną są defekty sieci krystalicznej i nierównomierne domieszkowanie. e) pułapki ładunku mogące deponować ładunek (differed charge) do momentu kolejnej ekspozycji. (efekt poobrazu). Efekt moŝna zmniejszyć stosując wstępne słabe i równomierne zaświetlenie matrycy (pre-flash). f) pamięć obrazu (efekt poobrazu). Ślady silnie naświetlonego obrazu widoczne na kolejnych zdjęciach. Eksponencjalny spadek efektu z czasem i kolejnymi ekspozycjami. g) rozpływanie się ładunku wzdłuŝ kierunku transferu (blooding, blooming). Obecnie matryce posiadają system anty-blooming ograniczający ten efekt. 205

h) promieniowanie jonizujące (skały ziemskie, materiał obudowy, promieniowanie kosmiczne => razem 3.8 cm -2 min -1 ) - jedna cząstka lub foton promieniowania γ powoduje generację duŝej liczby par nośników (wypełniają pojedyncze pixle lub większe struktury w zaleŝności od energii i kąta padania) i) fringing (od fringe - frędzel) efekt interferencji światła powstający w płytce CCD oświetlanej od tyłu i ścienianej, widoczny zwłaszcza w R,I (szczególnie dla filtrów wąskopasmowych) mający postać nieregularnych struktur. 2. Efekty związane z konkretnym egzemplarzem matrycy. a) defekty punktowe, klasterowe, kolumnowe (bad pixels, clusters, columns), obszary o silnie obniŝonej wydajności kwantowej ślepe (przyczyną są defekty sieci krystalicznej i błędy wykonania struktur w Si). b) wyraźna zmienność sygnału ciemnego w obszarze obrazu. S dark =S dark (x,y) (przyczyną jest np. nierównomierny kontakt termiczny matrycy z zimną płytą systemu chłodzenia). c) gorące pixle ( hot pixels ) - pojedyncze pixle i obszary mające przez defekty struktury znacznie podwyŝszony, w porównaniu ze średnim, poziom sygnału ciemnego: S ξ, η >> S x, y ( ) ( ) MoŜe tam dojść do nasycenia pojemności pixla dla dłuŝszych czasów ekspozycji. 206

Efekty fotometryczne związane z działaniem migawki: a) efektywny czas otwarcia inny (przewaŝnie krótszy) niŝ nominalny. b) wyraźna zmienność efektywnego czasu ekspozycji od miejsca na matrycy CCD: t exp =t exp (x,y) (efekt zaleŝny od sposobu działania migawki) Podstawowe typy migawek stosowane w profesjonalnych CCD: - migawka centralna (nienajlepsza), - migawka zasłonkowa (lamelkowa): dwustronnego działania (nienajlepsza), jednostronnego działania (znacznie lepsza), - ultraszybka migawka na bazie MCP (dobra ale droga) 207

Pytanie: Jak przedstawia się wydajność kwantowa wykrycia DQE kamery CCD? Odpowiedź: Dla ustalonej wartości strumienia fotonów F [Ne - pix -1 s -1 ], ustalonego tempa tworzenia elektronów szumu termicznego (DARK) D [Ne - pix -1 s -1 ], określonego poziomu szumów odczytu - σ RON [Ne - ] i przyjętego czasu ekspozycji t exp [s] mamy: DQE wynosi: ostatecznie: S N 2 2 = DQE Ft, S = N ( qft ) exp exp 2 inp out qftexp + Dtexp + σ RON ( S N ) ( S N ) 2 out = = 2 inp DQE 2 ( qftexp ) ( 2 + + ) RON Ft qft Dt exp exp exp σ q = 2 D 1+ + qf qft σ RON Jak widać, w tej sytuacji, malejące q powoduje spadek DQE szybszy niŝ liniowy. Dla dostatecznie długich czasów ekspozycji (lub/i jasności obiektu) szum RON nie ma znaczenia i DQE dąŝy do wartości niezaleŝnej od t exp, ale rosnącej wraz ze spadkiem stosunku D/qF: ( D DQE q ) 1+ qf exp 2 208