Fast, low-noise CCD systems for future strategic X-ray missions

Stellen Sie sich vor, das Universum sei eine riesige, kosmische Bibliothek, die jedoch statt Büchern mit unsichtbaren Nachrichten gefüllt ist, die in Röntgenstrahlen geschrieben stehen. Diese Nachrichten stammen von schwarzen Löchern, die Sterne verschlingen, kollidierenden Galaxien und der Entstehung des Universums selbst. Um diese Nachrichten zu lesen, benötigen Wissenschaftler spezielle Kameras, die Röntgenstrahlen sehen können. Aber hier liegt der Haken: Röntgenstrahlen sind tückisch. Sie verharren nicht einfach still; sie treffen auf die Kamera und verschwinden sofort. Wenn die Kamera zu langsam ist, verschwimmen die Nachrichten ineinander wie bei einer Langzeitbelichtung eines vorbeifahrenden Autos. Wenn die Kamera zu viel Rauschen aufweist, gehen die Nachrichten im statischen Rauschen verloren, als versuche man, ein Flüstern in einem Rockkonzert zu hören.

Seit Jahrzehnten sind die besten Kameras für diesen Job ein Typ von Sensor namens CCD (Charge-Coupled Device). Denken Sie an ein CCD wie an eine Eimerkette. Wenn eine Röntgenstrahlung auf den Sensor trifft, lässt sie einen „Eimer“ an Ladung (Elektrizität) in einen Pixel fallen. Dann muss dieser Eimer dann, einen nach dem anderen, zu einer Auslesestation am Ende weitergereicht werden, um gezählt zu werden. Das Problem ist: Wenn man die Eimer zu schnell weiterreicht, verschüttet man vielleicht etwas (Rauschen), aber wenn man sie zu langsam weiterreicht, staut sich die Schlange auf und man verpasst die nächste Welle von Röntgenstrahlen. Zukünftige Weltraummissionen wollen die schwächsten, am weitesten entfernten Objekte sehen, was bedeutet, dass sie Kameras benötigen, die unglaublich schnell (um das Geschehen einzufangen) und unglaublich leise (um das Flüstern zu hören) sind. In dieser Arbeit geht es darum, eine neue, superschnelle, superleise Eimerkette für die nächste Generation von Weltraumteleskopen zu bauen.

Das Rennen um die schnellste, leiseste Kamera

Das Team hinter dieser Forschung, eine Zusammenarbeit zwischen der Stanford University und dem MIT, hat es sich zur Aufgabe gemacht, die „Eimerkette“ für zukünftige Röntgen-Weltraumteleskope aufzurüsten. Sie arbeiten an einem neuen Typ von Kamera-Chip namens CCID-93. Obwohl diese Chips bereits recht gut sind, mussten die Wissenschaftler sie schneller und leiser machen, um den Anforderungen kommender Missionen wie der AXIS-Sonde gerecht zu werden. Ihr Ziel war einfach: Die Daten so schnell auszulesen, dass die Kamera nichts verpasst, aber dies so leise zu tun, dass das Signal nicht durch statisches Rauschen übertönt wird.

Um dies zu erreichen, haben sie nicht nur die Kamera leicht angepasst, sondern das gesamte System um sie herum neu aufgebaut. Zuerst entwickelten sie eine neue „Auslesestation“ namens MCRC-Chip. Stellen Sie sich die alte Art, die Kamera auszulesen, wie einen Menschen vor, der eine lange Liste von Zahlen nacheinander laut vorliest. Der neue MCRC-Chip ist wie acht Personen, die acht verschiedene Listen exakt gleichzeitig vorlesen. Dieses parallele Auslesen beschleunigt den Vorgang massiv.

Als Nächstes kümmerten sie sich um die „Takte“, die der Kamera sagen, wann sie die Eimer bewegen soll. In der Vergangenheit mussten diese Signale von einem Computer außerhalb der Kamera zum Sensor gesendet werden, was Verzögerungen und Interferenzen verurslegte. Das Team baute einen winzigen, lokalen Taktgeber direkt neben dem Sensor selbst. Es ist, als würde man den Dirigenten eines Orchesters von der Rückseite des Saals direkt auf die Bühne zu den Musikern bewegen. Diese Änderung ermöglichte es ihnen, die Daten 20 % schneller und sauberer zu bewegen, wodurch sie die Geschwindigkeit der Kamera auf 5 Millionen Pixel pro Sekunde steigerten.

Aber Geschwindigkeit allein reicht nicht aus; die Kamera muss auch perfekt abgestimmt sein. Die Wissenschaftler entwickelten einen cleveren, automatisierten „Abstimmungsprozess“. Sie scannten durch tausende verschiedene Spannungseinstellungen (wie das Drehen an Reglern bei einem Radio), um den exakten optimalen Punkt zu finden, an dem die Kamera am leisesten ist. Sie fanden heraus, dass sich die perfekten Einstellungen je nach Temperatur der Kamera ändern. Durch die Verwendung ihrer neuen Abstimmungsmethode gelang es ihnen, das „statische Rauschen“ (Ausleserauschen) unglaublich niedrig zu halten – unter 4 Elektronen – selbst während sie mit Höchstgeschwindigkeit auslasen.

Das Rätsel der „Resonanz“

Hier wird die Geschichte besonders interessant. Als das Team ihre neue, superschnelle Kamera bei verschiedenen Temperaturen testete, entdeckte es etwas Seltsames. Sie erwarteten, dass sich das Rauschen mit der Temperatur auf vorhersehbare Weise verändern würde, ähnlich wie ein Automotor lauter oder leiser wird. Stattdessen beobachteten sie eine „Resonanz“ – einen seltsamen Buckel in den Rauschpegeln, der spezifisch auftrat, wenn die Kamera zwischen 240 K und 260 K lag.

Um dieses Rätsel zu lösen, untersuchten sie die rohen elektrischen Wellen, die von der Kamera kamen, und nutzten ein Computermodell, um zu simulieren, was im Inneren geschah. Sie entdeckten, dass das Rauschen nicht einfach nur zufälliges statisches Rauschen war; es wurde wahrscheinlich durch winzige „Fallen“ in der Elektronik der Kamera verursacht. Stellen Sie sich diese Fallen wie kleine Löcher im Boden der Eimerkette vor. Manchmal bleibt ein Eimer voller Ladung in einem Loch stecken und springt später wieder heraus. Wenn die Kamera mit genau der richtigen Geschwindigkeit ausliest, erzeugen diese steckengebliebenen und wieder herausspringenden Eimer ein rhythmisches „Pochen“, das wie zusätzliches Rauschen aussieht.

Das Modell der Wissenschaftler deutet darauf hin, dass diese Fallen sehr flach und schwach sind, wahrscheinlich verursacht durch winzige Unvollkommenheiten im Siliziummaterial, in das Sauerstoffatome hineingemischt sind. Obwohl sie diese Fallen noch nicht vollständig eliminieren können, erklärt ihr Modell exakt, warum das Rauschen bei bestimmten Temperaturen ansteigt. Dies ist ein großer Fortschritt, denn nun wissen sie, warum das Rauschen auftritt, was ihnen hilft, bessere Kameras für die Zukunft zu entwerfen.

Das Fazit

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass sie durch die Kombination ihres neuen schnellen Taktgebers, des parallelen MCRC-Chips und ihres intelligenten Abstimmungsalgorithmus erfolgreich ein Kamerasystem geschaffen haben, das schnell genug für die nächste Generation von Weltraumteleskopen ist. Sie haben bewiesen, dass es möglich ist, 5 Millionen Pixel pro Sekunde auszulesen und dabei das Rauschen unter 4 Elektronen zu halten. Auch wenn sie noch nicht alle Probleme gelöst haben (die Temperaturresonanz ist immer noch ein Merkmal, mit dem sie umgehen müssen), haben sie gezeigt, dass die Technologie bereit ist. Sie wenden diese Techniken nun an, um noch größere Kameras mit 16 Kanälen und über einer Million Pixeln zu bauen, und ebnen damit den Weg für den nächsten großen Sprung beim Blick in das unsichtbare Universum.