افزاره‌های بار-جفت‌شده در اخترشناسی

افزاره‌های بار-جفت‌شده یا CCDها، آرایه‌های تصویربرداری سیلیکونی هستند که به ابزار اصلی آشکارساز نوری اخترشناسی مدرن تبدیل شده‌اند و نور را با کارایی بالا و خطی بودن عالی ثبت می‌کنند.

Definition

CCD یک آشکارساز نیمه‌رسانا است که در آن فوتون‌ها در آرایه‌ای از چاه‌های پتانسیل بار تولید می‌کنند، بار پیکسل به پیکسل به یک تقویت‌کننده خروجی منتقل می‌شود و تصویر دیجیتال حاصل، توزیع فضایی نور فرودی را ثبت می‌کند.

Scope

این موضوع به چگونگی انباشت و انتقال بار در CCDها، بازده کوانتومی و استفاده از نوردهی از پشت و پوشش‌های ضد بازتاب، نویز خوانش و معماری خوانش، جریان تاریک و خنک‌سازی، کارایی انتقال بار، شکوفایی و اشباع، و مراحل کاهش داده مانند تصحیح بایاس، تاریک و میدان تخت می‌پردازد.

Core questions

• یک CCD چگونه بار را جمع‌آوری و خوانش می‌کند؟
• چه عواملی بازده کوانتومی یک CCD را در طول موج‌های مختلف تعیین می‌کنند؟
• چه منابع نویزی تشخیص منابع کم‌نور را محدود می‌کنند؟
• چه مراحل کالیبراسیونی برای کاهش داده‌های CCD مورد نیاز است؟

Key theories

جمع‌آوری و انتقال بار

الکترون‌های فوتوتولیدشده در چاه‌های پتانسیل پیکسل جمع می‌شوند و در سراسر آرایه به یک تقویت‌کننده خوانش منتقل می‌شوند، با کارایی انتقال بار نزدیک به یک که برای جلوگیری از محوشدگی لازم است.

بازده کوانتومی و نوردهی از پشت

نازک کردن یک CCD و نوردهی آن از پشت، همراه با پوشش‌های ضد بازتاب، بازده کوانتومی اوج را به بالای نود درصد می‌رساند و حساسیت را به سمت آبی و فرابنفش گسترش می‌دهد.

نویز و فریم‌های کالیبراسیون

نویز خوانش و جریان تاریک کف تشخیص را تعیین می‌کنند، و فریم‌های بایاس، تاریک و میدان تخت برای حذف نشانه‌های ابزاری و تغییرات حساسیت پیکسل به پیکسل استفاده می‌شوند.

Clinical relevance

CCDها زیربنای بیشتر تصویربرداری نوری، فوتومتری و طیف‌سنجی زمینی و فضایی هستند؛ کارایی و خطی بودن آن‌ها اندازه‌گیری‌های دقیق را از کیهان‌شناسی ابرنواختری تا فوتومتری گذر سیارات فراخورشیدی و بررسی‌های تصویربرداری بزرگ ممکن ساخته است.

History

CCD که در سال ۱۹۶۹ در آزمایشگاه‌های بل اختراع شد، برای اولین بار در اواخر دهه ۱۹۷۰ در اخترشناسی به کار گرفته شد و به سرعت جای صفحات عکاسی را گرفت. فرمت‌های بزرگ‌تر، موزاییک‌ها، و انواع تخلیه عمیق و نوردهی از پشت به دنبال آن آمدند، و اکنون CCDها صفحات کانونی تلسکوپ‌های بررسی بزرگ را پوشش می‌دهند.

Key figures

• Willard Boyle
• George E. Smith
• James Janesick

Seminal works

• howell2006
• rieke2003

Frequently asked questions

میدان تخت چیست و چرا مورد نیاز است؟

میدان تخت تصویری از یک منبع با نور یکنواخت است که برای نقشه‌برداری از چگونگی تغییر حساسیت هر پیکسل و انتقال اپتیک در سراسر میدان استفاده می‌شود. تقسیم تصاویر علمی بر میدان تخت این تغییرات را تصحیح می‌کند تا یک آسمان یکنواخت، سیگنال اندازه‌گیری شده یکنواختی تولید کند.

چرا CCDهای اخترشناسی به آرامی خوانش می‌شوند؟

خواندن سریع بار، نویز را در تقویت‌کننده خروجی افزایش می‌دهد. برای کارهای مربوط به اجرام کم‌نور، CCD به آرامی خوانش می‌شود تا نویز خوانش پایین بماند، که به معنای مبادله سرعت با حساسیت است، در حالی که مشاهدات حساس به زمان ممکن است از حالت‌های سریع‌تر استفاده کنند که نویز کمی بالاتر را می‌پذیرند.