खगोल विज्ञान में चार्ज-कपल्ड डिवाइस

चार्ज-कपल्ड डिवाइस, या सीसीडी (CCDs), सिलिकॉन इमेजिंग ऐरे हैं जो आधुनिक खगोल विज्ञान के मुख्य ऑप्टिकल डिटेक्टर बन गए हैं, जो उच्च दक्षता और उत्कृष्ट रैखिकता के साथ प्रकाश को रिकॉर्ड करते हैं।

Definition

एक सीसीडी एक अर्धचालक डिटेक्टर है जिसमें फोटॉन संभावित कुओं (potential wells) की एक सरणी में चार्ज उत्पन्न करते हैं, चार्ज को पिक्सेल दर पिक्सेल एक आउटपुट एम्पलीफायर (output amplifier) में स्थानांतरित किया जाता है, और परिणामी डिजिटल छवि आपतित प्रकाश के स्थानिक वितरण को रिकॉर्ड करती है।

Scope

यह विषय बताता है कि सीसीडी कैसे चार्ज जमा करते और स्थानांतरित करते हैं, क्वांटम दक्षता और बैक-इलुमिनेशन (back-illumination) और एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्स (anti-reflection coatings) का उपयोग, रीड नॉइज़ (read noise) और रीडआउट आर्किटेक्चर (readout architecture), डार्क करंट (dark current) और कूलिंग (cooling), चार्ज ट्रांसफर एफिशिएंसी (charge transfer efficiency), ब्लूमिंग (blooming) और सैचुरेशन (saturation), और डेटा रिडक्शन (data reduction) के चरण जैसे बायस (bias), डार्क (dark), और फ्लैट-फील्ड करेक्शन (flat-field correction)।

Core questions

• एक सीसीडी चार्ज कैसे एकत्र और रीडआउट करता है?
• तरंग दैर्ध्य के पार एक सीसीडी की क्वांटम दक्षता क्या निर्धारित करती है?
• कौन से शोर स्रोत मंद-स्रोत का पता लगाने को सीमित करते हैं?
• सीसीडी डेटा को कम करने के लिए किन अंशांकन चरणों की आवश्यकता होती है?

Key theories

चार्ज संग्रह और स्थानांतरण

फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉन पिक्सेल संभावित कुओं में एकत्र होते हैं और एक रीडआउट एम्पलीफायर में सरणी के पार क्लॉक किए जाते हैं, जिसमें स्मियरिंग (smearing) से बचने के लिए चार्ज ट्रांसफर दक्षता लगभग इकाई की आवश्यकता होती है।

क्वांटम दक्षता और बैक-इलुमिनेशन

एक सीसीडी को पतला करना और इसे पीछे से रोशन करना, एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्स के साथ, नब्बे प्रतिशत से ऊपर चरम क्वांटम दक्षता बढ़ाता है और नीले और पराबैंगनी में संवेदनशीलता का विस्तार करता है।

शोर और अंशांकन फ्रेम

रीड नॉइज़ और डार्क करंट डिटेक्शन फ्लोर (detection floor) निर्धारित करते हैं, और बायस, डार्क और फ्लैट-फील्ड फ्रेम का उपयोग वाद्य हस्ताक्षर और पिक्सेल-टू-पिक्सेल संवेदनशीलता भिन्नताओं को हटाने के लिए किया जाता है।

Clinical relevance

सीसीडी अधिकांश ग्राउंड-आधारित और अंतरिक्ष ऑप्टिकल इमेजिंग, फोटोमेट्री (photometry) और स्पेक्ट्रोस्कोपी (spectroscopy) को आधार प्रदान करते हैं; उनकी दक्षता और रैखिकता ने सुपरनोवा ब्रह्मांड विज्ञान से लेकर एक्सोप्लैनेट ट्रांजिट फोटोमेट्री (exoplanet transit photometry) और बड़े इमेजिंग सर्वेक्षणों तक सटीक माप को सक्षम किया।

History

1969 में बेल लैब्स (Bell Labs) में आविष्कार किया गया, सीसीडी को पहली बार 1970 के दशक के अंत में खगोल विज्ञान में लागू किया गया, जिसने फोटोग्राफिक प्लेटों को तेजी से विस्थापित कर दिया। बड़े प्रारूप, मोज़ेक, और डीप-डिप्लेशन (deep-depletion) और बैक-इलुमिनेटेड (back-illuminated) वेरिएंट इसके बाद आए, और सीसीडी अब प्रमुख सर्वेक्षण दूरबीनों के फोकल प्लेन (focal planes) को कवर करते हैं।

Key figures

• Willard Boyle
• George E. Smith
• James Janesick

Seminal works

• howell2006
• rieke2003

Frequently asked questions

फ्लैट-फील्ड क्या है और इसकी आवश्यकता क्यों है?

एक फ्लैट-फील्ड एक समान रूप से प्रकाशित स्रोत की एक छवि है जिसका उपयोग यह मैप करने के लिए किया जाता है कि प्रत्येक पिक्सेल की संवेदनशीलता और ऑप्टिक्स का संचरण क्षेत्र में कैसे भिन्न होता है। विज्ञान छवियों को फ्लैट-फील्ड से विभाजित करने से इन भिन्नताओं को ठीक किया जाता है ताकि एक समान आकाश एक समान मापा संकेत उत्पन्न करे।

खगोलीय सीसीडी धीरे-धीरे क्यों पढ़े जाते हैं?

चार्ज को तेजी से पढ़ने से आउटपुट एम्पलीफायर में शोर बढ़ जाता है। मंद-वस्तु के काम के लिए सीसीडी को धीरे-धीरे पढ़ा जाता है ताकि रीड नॉइज़ कम रहे, संवेदनशीलता के लिए गति का व्यापार किया जा सके, जबकि समय-महत्वपूर्ण अवलोकन तेज मोड का उपयोग कर सकते हैं जो कुछ हद तक उच्च शोर को स्वीकार करते हैं।