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

स्टैनफोर्ड XOC ग्रुप ने, MIT के सहयोग से, यह प्रदर्शित किया है कि कस्टम ASICs द्वारा रीड आउट किया गया एक पूर्ण-स्तरीय 16-चैनल CCD डिटेक्टर (CCID-100), AXIS जैसी अगली पीढ़ी की एक्स-रे वेधशालाओं के लिए आवश्यक उच्च-गति और निम्न-शोर की आवश्यकताओं को पूरा करता है।

मूल लेखक: Haley R. Stueber, Tanmoy Chattopadhyay, Peter Orel, Steven W. Allen, Marshall W. Bautz, Michael Cooper, Kevan Donlon, Catherine E. Grant, Sven Herrmann, Jill Juneau, Beverly J. LaMarr, Christopher Lei

प्रकाशित 2026-07-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Haley R. Stueber, Tanmoy Chattopadhyay, Peter Orel, Steven W. Allen, Marshall W. Bautz, Michael Cooper, Kevan Donlon, Catherine E. Grant, Sven Herrmann, Jill Juneau, Beverly J. LaMarr, Christopher Leitz, Eric D. Miller, R. Glenn Morris, Declan O'Neill, Abigail Y. Pan, Tonya L. Peshel, Artem Poliszczuk, Gregory Y. Prigozhin, Keith Warner

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, शोर-शराबे वाला कॉन्सर्ट हॉल है। कुछ तारे और ब्लैक होल इतनी ज़ोर से चिल्ला रहे हैं (एक्स-रे में) कि वे ब्रह्मांड के बाकी हिस्सों के शांत, फुसफुसाते रहस्यों को दबा देते हैं। उन फुसफुसाहटों को सुनने के लिए, खगोलविदों को ऐसे कानों की आवश्यकता है जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ और अविश्वसनीय रूप से शांत हों। यदि उनके "कान" बहुत धीमे हैं, तो तेज़ चीखें एक साथ जमा होकर धुंधली हो जाती हैं; यदि वे बहुत शोर वाले हैं, तो बैकग्राउंड का स्टैटिक (शोर) हल्के संकेतों को छिपा देता है। यह अगली पीढ़ी के एक्स-रे टेलीस्कोप बनाने की चुनौती है: ऐसे कैमरे बनाना जो बिना एक भी ताल चूके या बिना एक भी दाना शोर जोड़े, ब्रह्मांड की सबसे चरम घटनाओं की तस्वीरें खींच सकें।

आप जो शोध पत्र पढ़ने जा रहे हैं, वह एक नए प्रकार का कैमरा सेंसर बनाने के बारे में है जिसे CCD (चार्ज-कपल्ड डिवाइस) कहा जाता है। एक CCD को प्रकाश के लिए डिजिटल 'बकेट ब्रिगेड' (बाल्टी की कतार) के रूप में सोचें। जब एक एक्स-रे फोटॉन सेंसर से टकराता है, तो वह "पानी" (इलेक्ट्रिक चार्ज) की एक छोटी सी मात्रा को बाल्टी में गिरा देता है। फिर सेंसर को इन बाल्टियों को एक लाइन में, एक-एक करके, कंप्यूटर तक पहुँचाना होता है जो उन्हें गिनता है। समस्या यह है कि बाल्टियों को तेज़ी से चलाने से आमतौर पर वे छलक जाती हैं (जिससे शोर पैदा होता है), और यदि आपके पास बाल्टियों का एक विशाल समूह (लाखों पिक्सेल) है, तो वह लाइन बहुत लंबी और धीमी हो जाती है। यह वैज्ञानिकों की टीम एक ऐसी बकेट ब्रिगेड बनाने की कोशिश कर रही है जो विशाल और बिजली जैसी तेज़ हो, फिर भी इतनी शांत हो कि आप एक पिन गिरने की आवाज़ भी सुन सकें। वे एक नए, सुपर-एडवांस्ड वर्जन के सेंसर का परीक्षण कर रहे हैं ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह अगले बड़े अंतरिक्ष मिशन के लिए तैयार है।

द सुपर-स्पीडी, सुपर-क्वाइट कैमरा चिप

इस पेपर के वैज्ञानिक किसी अंतरिक्ष यान के लिए रेस कार इंजन बनाने वाले मैकेनिक की तरह हैं। वे एक विशिष्ट प्रकार के कैमरा सेंसर पर काम कर रहे हैं जिसे CCID-100 कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि एक कैमरा सेंसर सौर पैनलों के एक विशाल ग्रिड की तरह है। CCID-100 एक विशाल ग्रिड है जिसमें 1,440 x 1,440 पिक्सेल हैं (यानी 20 लाख से अधिक पिक्सेल!)। आमतौर पर, इतने बड़े ग्रिड से डेटा पढ़ना एक स्विमिंग पूल को एक अकेले स्ट्रॉ (नली) से खाली करने जैसा है—इसमें बहुत समय लगता है। लेकिन इस नए चिप में 16 अलग-अलग स्ट्रॉ (चैनल) एक साथ काम करते हैं, जिससे यह डेटा को अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से निकाल पाता है।

लक्ष्य इन कैमरों को इतना तेज़ बनाना है कि वे चमकदार, ऊर्जावान एक्स-रे को पकड़ सकें बिना उनके "पाइल अप" हुए (जहाँ दो फोटॉन एक ही जगह पर टकरा जाते हैं इससे पहले कि कैमरा पहले वाले को गिन सके), लेकिन इतना शांत भी कि वे दूर के ब्रह्मांड की धुंधली, भूतिया चमक को देख सकें।

टेस्ट ड्राइव: एक फ्रोजन वैक्यूम रूम

यह देखने के लिए कि उनका नया इंजन कैसे काम करता है, टीम ने एक विशेष टेस्ट ट्रैक बनाया। उन्होंने CCID-100 चिप्स को स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी में एक वैक्यूम चैंबर के अंदर रखा और उन्हें −100°C (लगभग −148°F) के ठंडे तापमान तक ठंडा किया। यह इतना ठंडा क्यों है? जैसे एक कार का इंजन अत्यधिक गर्म होने से बचने के लिए सुचारू रूप से चलता है, ये इलेक्ट्रॉनिक सेंसर भी जमने वाली ठंड में बहुत शांत चलते हैं।

उन्होंने एक विशेष रेडियोधर्मी स्रोत (आयरन-55) का उपयोग किया जो चिप्स पर एक्स-रे की बौछार करता है, जो एक टेस्ट लाइट बल्ब की तरह काम करता है। सभी 16 चैनलों से एक साथ डेटा पढ़ने के लिए, उन्होंने दो छोटे, कस्टम-मेड कंप्यूटर चिप्स का उपयोग किया जिन्हें MCRC V1 ASICs कहा जाता है। इन ASICs को एक पिट क्रू (Pit Crew) के रूप में सोचें जो तुरंत 16 स्ट्रॉ से डेटा को पकड़ता है और उसे व्यवस्थित करता है इससे पहले कि वह गड़बड़ हो जाए। उन्होंने एक "डिबगिंग" सिस्टम भी बनाया, जो एक डैशबोर्ड की तरह है जिसमें सैकड़ों गेज (मापक) हैं, जो इंजन के चलने के दौरान हर एक हिस्से के वोल्टेज और तापमान की जांच करते हैं।

इंजन की ट्यूनिंग: सही सेटिंग्स खोजना

सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक सेंसर के लिए सही "वोल्टेज सेटिंग्स" (बायस) का पता लगाना था। कल्पना कीजिए कि आप एक गिटार को ट्यून करने की कोशिश कर रहे हैं; यदि तार बहुत कसकर या बहुत ढीले हैं, तो स्वर गलत सुनाई देगा। टीम ने पाया कि सेंसर का शोर तापमान और वोल्टेज सेटिंग्स के आधार पर बदलता रहता है।

उन्होंने एक अजीब सा व्यवहार देखा: जैसे-जैसे उन्होंने सेंसर को ठंडा किया, शोर केवल शांत और शांत होता नहीं गया। इसके बजाय, यह एक बहुत कम तापमान पर एक 'स्वीट स्पॉट' (सही बिंदु) पर पहुँचा, और फिर बहुत कम तापमान पर फिर से तेज़ हो गया, जैसे कोई रेडियो अजीब सा स्टैटिक हम (गूँज) पकड़ रहा हो। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि सिलिकॉन के भीतर सूक्ष्म जाल (traps) होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को पकड़ते और छोड़ते हैं।

इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक स्वचालित "ट्यूनिंग" प्रक्रिया चलाई। उन्होंने 3 घंटे से भी कम समय में 1,300 से अधिक विभिन्न संयोजनों को स्कैन किया। यह एक रोबोट की तरह था जो एक मिलियन अलग-अलग कॉर्ड्स बजाकर वह एक ढूंढ रहा था जो सबसे सटीक ध्वनि दे। उन्होंने पाया कि एक प्रकार के चिप (जिसे W6 कहा जाता है) के लिए, सबसे अच्छी सेटिंग्स −40°C पर थीं, जबकि दूसरे प्रकार (W16) के लिए, सबसे अच्छी सेटिंग −100°C थी।

परिणाम: एक स्पष्ट तस्वीर

चिप्स को ट्यून करने के बाद, उन्होंने "XOC" अक्षर कटे हुए एक धातु के मास्क की तस्वीरें लीं। परिणाम क्या था? लोगो की एक स्पष्ट, तीक्ष्ण छवि, जो साबित करती है कि कैमरा डेटा को सही ढंग से पढ़ सकता है।

फिर, उन्होंने "शोर" (स्टैटिक) और ऊर्जा की स्पष्टता को मापा। यहाँ उन्होंने क्या पाया:

गति (Speed): वे पूरे 2-मिलियन-पिक्सेल सेंसर को 2 MPixel/s (2 मिलियन पिक्सेल प्रति सेकंड) की दर से पढ़ने में सफल रहे, जिससे लगभग 6.7 फ्रेम प्रति सेकंड की फ्रेम रेट प्राप्त हुई। यह बिना धुंधला किए तीव्र ब्रह्मांडीय घटनाओं को पकड़ने के लिए पर्याप्त तेज़ है।
शोर (Noise): उन्होंने "रीड नॉइज़" को मापा, जो यह बताता है कि कैमरा तस्वीर में कितना स्टैटिक जोड़ता है। W6 चिप के लिए, 16 में से 11 चैनलों का शोर 3.0 इलेक्ट्रॉन्स से कम था, और 15 चैनल 3.2 इलेक्ट्रॉन्स से नीचे थे। W16 चिप के लिए, 4 चैनल 3.0 इलेक्ट्रॉन्स से नीचे थे, और 10 चैनल 3.5 इलेक्ट्रॉन्स से नीचे थे।
स्पष्टता (Clarity): जब उन्होंने एक्स-रे की ऊर्जा (विशेष रूप से आयरन-55 की 5.9 keV लाइन) को देखा, तो W6 चिप के 12 चैनल और W16 चिप के 14 चैनल की स्पष्टता (जिसे FWHM कहा जाता है) 150 eV से बेहतर थी।

इसका भविष्य के लिए क्या अर्थ है

पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि ये CCID-100 चिप्स पहले ऐसे चिप्स हैं जिन्होंने दिखाया है कि वे विशाल (मल्टी-मेगापिक्सेल) और अगली पीढ़ी के एक्स-रे टेलीस्कोप के लिए पर्याप्त तेज़ दोनों हो सकते हैं। उन्होंने साबित किया कि सही कूलिंग और सही वोल्टेज ट्यूनिंग के साथ, ये सेंसर भविष्य के अंतरिक्ष मिशनों, जैसे कि AXIS कॉन्सेप्ट, की सख्त आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं।

हालाँकि टीम ने नोट किया कि "W16" चिप "W6" चिप की तुलना में थोड़ी अधिक शोर वाली थी, लेकिन उन्होंने दिखाया कि तकनीक काम करती है। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने इसे मापा। उन्होंने प्रदर्शित किया कि तेज़, समानांतर रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स और स्वचालित ट्यूनिंग का उपयोग करके, वे एक ऐसा कैमरा बना सकते हैं जो ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरण को देखने के लिए अगला बड़ा कदम उठाने के लिए तैयार है। इंजन बन चुका है, ट्यूनिंग पूरी हो गई है, और यह दौड़ के लिए तैयार लग रहा है।

द सुपर-स्पीडी, सुपर-क्वाइट कैमरा चिप

टेस्ट ड्राइव: एक फ्रोजन वैक्यूम रूम

इंजन की ट्यूनिंग: सही सेटिंग्स खोजना

परिणाम: एक स्पष्ट तस्वीर

इसका भविष्य के लिए क्या अर्थ है

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