High-speed, low-noise, multi-megapixel CCDs for next generation X-ray observatories

Stellen Sie sich das Universum als einen riesigen, lauten Konzertsaal vor. Einige Sterne und Schwarze Löcher schreien so laut (in Röntgenstrahlen), dass sie das leise Flüstern der Geheimnisse des restlichen Kosmos übertönen. Um diese Flüstern zu hören, benötigen Astronomen Ohren, die unglaublich schnell und unglaublich leise sind. Wenn ihre „Ohren“ zu langsam sind, türmen sich die lauten Schreie auf und verschwimmen ineinander; wenn sie zu verrauscht sind, verbirgt das Hintergrundrauschen die schwachen Signale. Dies ist die Herausforderung beim Bau der nächsten Generation von Röntgenteleskopen: Kameras zu erschaffen, die in der Lage sind, Bilder von den extremsten Ereignissen des Universums zu machen, ohne einen Herzschlag zu verpassen oder ein einziges Korn an statischem Rauschen hinzuzufügen.

Das Papier, das Sie gleich lesen werden, handelt vom Bau eines neuen Typs von Kamera-Sensors namens CCD (Charge-Coupled Device). Betrachten Sie ein CCD wie eine digitale Eimerkette für Licht. Wenn ein Röntgenphoton auf den Sensor trifft, lässt es eine winzige Menge „Wasser“ (elektrische Ladung) in einen Eimer fallen. Der Sensor muss diese Eimer dann nacheinander durch eine Linie an einen Computer weiterreichen, um sie zu zählen. Das Problem ist, dass das schnelle Bewegen von Eimern normalerweise dazu führt, dass sie spritzen (was Rauschen erzeugt), und wenn man eine riesige Anordnung von Eimmern hat (Millionen von Pixeln), wird die Linie sehr lang und langsam. Dieses Team von Wissenschaftlern versucht, eine Eimerkette zu bauen, die sowohl massiv als auch blitzschnell ist und gleichzeitig so leise, dass man eine Stecknadel fallen hören könnte. Sie testen eine neue, super fortschrittliche Version dieses Sensors, um zu sehen, ob er bereit für die nächste große Weltraummission ist.

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Der superschnelle, superleise Kamera-Chip

Die Wissenschaftler in diesem Papier sind wie Mechaniker, die einen Rennwagenmotor für ein Raumschiff bauen. Sie arbeiten an einem speziellen Typ von Kamera-Sensor namens CCID-100. Stellen Sie sich einen Kamera-Sensor wie ein riesiges Gitter aus winzigen Solarzellen vor. Der CCID-100 ist ein massives Gitter mit 1.440 mal 1.440 Pixeln (das sind über 2 Millionen Pixel!). Normalerweise ist das Auslesen der Daten aus einem so großen Gitter so, als würde man versuchen, einen Swimmingpool durch einen einzigen Strohhalm zu entleeren – es dauert ewig. Aber dieser neue Chip hat 16 verschiedene Strohhalme (Kanäle), die gleichzeitig arbeiten, was es ermöglicht, die Daten unglaublich schnell abzuführen.

Das Ziel ist es, diese Kameras schnell genug zu machen, um helle, energiereiche Röntgenstrahlen einzufangen, ohne dass diese sich „aufstauen“ (wo zwei Photonen denselben Punkt treffen, bevor die Kamera das erste zählen kann), aber gleichzeitig leise genug, um das ferne, geisterhafte Leuchten des Universums zu sehen.

Die Testfahrt: Ein gefrorener Vakuumraum

Um zu sehen, ob ihr neuer Motor funktioniert, baute das Team eine spezielle Teststrecke. Sie brachten die CCID-100-Chips in eine Vakuumkammer an der Stanford University und kühlten sie auf eisige −100 °C (etwa −148 °F) ab. Warum so kalt? Genau wie ein Automotor reibungsloser läuft, wenn er nicht überhitzt, laufen diese elektronischen Sensoren viel leiser, wenn sie eiskalt sind.

Sie verwendeten eine spezielle radioaktive Quelle (Eisen-55), um Röntgenstrahlen auf die Chips zu schießen, was wie eine Test-Glühbirne fungierte. Um die Daten von allen 16 Kanälen gleichzeitig auszulesen, verwendeten sie zwei winzige, maßgeschneiderte Computerchips namens MCRC V1 ASICs. Betrachten Sie diese ASICs als die Boxencrew, die die Daten von den 16 Strohhalmen sofort erfasst und sortiert, bevor sie unordentlich werden. Sie bauten auch ein „Debugging“-System, das wie ein Armaturenbrett mit Hunderten von Anzeigen ist, um die Spannung und Temperatur jedes einzelnen Teils des Motors zu überprüfen, während er läuft.

Das Tuning des Motors: Die perfekten Einstellungen finden

Eine der größten Herausforderungen war es, die perfekten „Spannungseinstellungen“ (Bias) zu finden. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Gitarre zu stimmen; wenn die Saiten zu fest oder zu locker sind, klingt der Ton falsch. Das Team stellte fest, dass sich das Rauschen des Sensors je nach Temperatur und Spannungseinstellungen änderte.

Sie entdeckten eine seltsame Eigenart: Als sie den Sensor abkühlten, wurde das Rauschen nicht einfach immer leiser und leiser. Stattdessen erreichte es einen optimalen Punkt und wurde bei sehr niedrigen Temperaturen wieder lauter, wie ein Radio, das ein seltsames statisches Summen aufnimmt. Dies geschah aufgrund winziger Fallen im Silizium, die Elektronen einfangen und wieder freisetzen.

Um dies zu beheben, führten sie einen automatisierten „Tuning“-Prozess durch. Sie scannten über 1.300 verschiedene Kombinationen von Spannungseinstellungen in weniger als 3 Stunden. Es war, als würde ein Roboter eine Million verschiedene Akkorde spielen, um den einen zu finden, der am perfektsten klingt. Sie fanden heraus, dass für einen Typ von Chip (genannt W6) die besten Einstellungen bei −40 °C lagen, während es für den anderen Typ (W16) bei −100 °C der Fall war.

Die Ergebnisse: Ein klares Bild

Nach dem Tuning der Chips machten sie Bilder von einer Metallmaske, aus der die Buchstaben „XOC“ ausgeschnitten waren. Das Ergebnis? Ein klares, scharfes Bild des Logos, was bewies, dass die Kamera die Daten korrekt auslesen konnte.

Dann maßen sie das „Rauschen“ (Statik) und die Schärfe der Energiemessungen. Hier ist, was sie fanden:

• Geschwindigkeit: Es gelang ihnen, den gesamten 2-Millionen-Pixel-Sensor mit einer Rate von 2 MPixel/s (2 Millionen Pixel pro Sekunde) auszulesen, was eine Bildrate von etwa 6,7 Bildern pro Sekunde ergab. Das ist schnell genug, um schnelle kosmische Ereignisse einzufangen, ohne dass sie verschwimmen.
• Rauschen: Sie maßen das „Ausleserauschen“, also wie viel statisches Rauschen die Kamera zum Bild hinzufügt. Für den W6-Chip hatten 11 von 16 Kanälen ein Rauschen von weniger als 3,0 Elektronen, und 15 Kanäle lagen unter 3,2 Elektronen. Für den W16-Chip hatten 4 Kanäle weniger als 3,0 Elektronen und 10 Kanäle weniger als 3,5 Elektronen.
• Klarheit: Als sie die Energie der Röntgenstrahlen betrachteten (speziell die 5,9 keV-Linie von Eisen-55), hatten 12 Kanäle auf dem W6-Chip und 14 Kanäle auf dem W16-Chip eine Schärfe (genannt FWHM) von besser als 150 eV.

Was dies für die Zukunft bedeutet

Das Papier kommt zu dem Schluss, dass diese CCID-100-Chips die ersten ihrer Art sind, die zeigen können, dass sie sowohl groß (Multi-Megapixel) als auch schnell genug für die nächste Generation von Röntgenteleskopen sind. Sie haben bewiesen, dass diese Sensoren mit der richtigen Kühlung und der richtigen Spannungstuning die strengen Anforderungen zukünftiger Weltraummissionen, wie dem AXIS-Konzept, erfüllen können.

Obwohl das Team feststellte, dass der „W16“-Chip etwas verrauschter war als der „W6“-Chip, haben sie gezeigt, dass die Technologie funktioniert. Sie haben nicht nur geraten; sie haben gemessen. Sie haben demonstriert, dass sie durch den Einsatz schneller, paralleler Ausleseelektronik und automatisierten Tunings eine Kamera bauen können, die bereit ist, den nächsten großen Sprung in der Beobachtung der extremsten Umgebungen des Universums zu machen. Der Motor ist gebaut, das Tuning ist abgeschlossen, und es sieht so aus, als sei er bereit für das Rennen.