I CCD in Astronomia Cenni sulla struttura e sul funzionamento dei CCD Simon Tulloch smt@ing.iac.es
(adattamento Enrico Maria Corsini corsini@pd.astro.it)
I CCD in Astronomia Cenni sulla struttura e sul funzionamento dei CCD Simon Tulloch smt@ing.iac.es
(adattamento Enrico Maria Corsini corsini@pd.astro.it)
Cosa è un CCD ? I CCD (Charge Coupled Devices) sono stati inventati negli anni ’70. La loro eccezionale sensibilità ha fatto sì che in campo astronomico abbiano sostituito completamente le lastre fotografiche come dispositivi di acquisizione delle immagini. I CCD convertono i fotoni in cariche elettriche all’interno di uno strato di silicio. Queste cariche vengono misurate, digitalizzate e salvate in un file immagine su un computer.
Effetto fotoelettrico L’effetto fotoelettrico è alla base del funzionamento dei CCD. Gli elettroni negli atomi di silicio si trovano in livelli quantizzati di energia. Il livello di energia più bassa si chiama banda di valenza, mentre il livello più alto si chiama banda di conduzione. La maggior parte degli elettroni si trova nella banda di valenza, ma possono passare alla banda di conduzione se il sistema viene riscaldato o assorbe fotoni. L’energia neccessaria alla transizione è di 1.26 eV. Una volta che l’elettrone raggiunge la banda di conduzione è libero di muoversi nel silicio. L’elettrone lascia nello strato di valenza una “buca” che agisce come portatore di carica positiva. In assenza di un campo elettrico esterno l’elettrone e la buca si ricombinano rapidamente. Nei CCD si introduce un campo elettrico esterno in modo da prevenire la ricombinazione. Energia crescente Banda di valenza Banda di conduzione 1.26eV Gli elettroni di origine termica sono indistinguibili dai fotoelettroni, cioè dagli elettroni originati
dall’assorbimento dei fotoni. Essi costituiscono una sorgente di rumore che va sotto il nome di “correnti oscure” E di cui bisogna tenere conto. Per ridurre la presenza delle correnti oscure i CCD sono tenuti a temperature molto ba...
Analogia tra fotoni e pioggia Per capire il funzionamento di un CCD possiamo ricorrere a questa semplice analogia tra I fotoni e le gocce di pioggia:
Alcuni secchi (pixel) sono distribuiti in un campo (piano focale del telescopio) e sono appoggiati su una serie di nastri trasportatori (colonne del CCD) .
I secchi raccolgono la pioggia (fotoni) che cade sul campo. I nastri trasportatori inizialmente sono fermi. La pioggia cade e riempie i secchi (esposizione).
Finita la pioggia (chiusura dell’otturatore) i nastri trasportatori si muovono e fanno sì che l’acqua sia raccolta in un contenitore graduato (amplificatore) collocato in uno degli angoli del campo (angolo del CCD).
Nelle prossime diapositive il funzionamento dei nastri trasportatori viene schematizzato con una animazione:
PIOGGIA (FOTONI) SECCHI (PIXEL) NASTRI TRASPORTATORI
VERTICALI
(COLONNE DEI CCD) NASTRO TRASPORTATORE
ORIZZONTALE
(REGISTRO SERIALE) CONTENITORE GRADUATO
(AMPLIFICATORE IN USCITA) I secchi raccolgono la pioggia (durante la posa i pixel raccolgono i fotoni)
Al termine i secchi contengono una certa quantità di acqua (al termine della posa i pixel contengono una certa quantità di carica)
I nastri trasportatori entrano in funzione e spostano i secchi. La prima fila di secchi sui nastri verticali viene spostata sul nastro orizzontale.
I nastri verticali si fermano. Il nastro orizzontale travasa il contenuto del primo secchio nel contenitore graduato.
` Il contenuto di pioggia del primo secchio viene misurato. Il contenitore viene svuotato ed è pronto a ricevere la pioggia contenuta nel secondo secchio. La procedura è ripetuta per tutti i secchi della fila.
Una nuova fila di secchi viene spostata sul nastro orizzontale e la procedura di misura è ripetura per tutte le file di secchi.
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