Wstęp do astrofizyki I

Wstęp do astrofizyki I Wykład 8 Tomasz Kwiatkowski 24 listopad 2010 r. Tomasz Kwiatkowski, 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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 2/24

Pasmowa budowa ciał stałych Tomasz Kwiatkowski, 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 1.1 4 ev powodują przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa Fotony o większej energii wybijają dwa i więcej elektronów pojawia się nieliniowość Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 4/24

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, 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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 6/24

Budowa matrycy CCD CCD to matryca pikseli, z których każdy zawiera najczęściej 3 elektrody Piksele oddzielone są izolatorem (channel stop diffusions) Tomasz Kwiatkowski, 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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 8/24

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 = 250000 e Szum odczytu: σ r = 5 e Zakres dynamiczny kamery: W/σ r = 50000 Do takiego zakresu dynamicznego wystarczy 16 bitowy przetwornik, dający 2 16 = 65536 poziomów jasności Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 9/24

Matryca CCD wewnątrz kamery SBIG ST-7 Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 10/24

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, 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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 12/24

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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 13/24

Schemat budowy kamery CCD Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 14/24

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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 15/24

Kamera Andor DZ436 E2V CCD 2048 2048, piksel 13.5 13.5µm 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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 16/24

Całkowita ilość pikseli 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 Wzrost rozmiarów matryc CCD Uaktualniony wykres Gery Luppino 2k x 2k JPL Travelling CCD UH4K CFHT MegaCam CFH12K PanSTARRS LSST mozaiki pojedyncze macierze 1975 1980 1990 2000 2010 2020 Tomasz Kwiatkowski, 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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 18/24

Orthogonal Transfer CCDs Array (OTA) W astronomii OT CCD montowane są w tzw. OTA Orthogonal Transfer CCDs Array (np. w teleskopach PanStarrs) Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 19/24

Moduł 8 8 matryc CCD, każda 512 512 pikseli Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 20/24

Macierz 60 modułów OTCCD (8 8, brakuje czterech w rogach) Detektor zbudowany dla teleskopu PanStarrs na Hawajach Tomasz Kwiatkowski, 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, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 22/24

Odczyt klasyczny vs. EM, 1s Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 23/24

Odczyt klasyczny vs. EM, 0.1s Tomasz Kwiatkowski, Wstęp do astrofizyki I, Wykład 8 24/24