observación astronómica

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  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica1

    INSTRUMENTACIN ASTRONMICAINSTRUMENTACIN ASTRONMICA MsterMster AstrofsicaAstrofsica

    DetectoresDetectoresCCDCCD

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica2

    DETECTORES CCD

    Descripcin

    Funcionamiento

    Variacin espacial de la sensibilidad

    Mosaicos de CCD

    Criostatos

    Rango dinmico y saturacin

    Defectos cosmticos

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica3

    Detectores de estado slido

    Array bidimensional de unidadessensibles a la luz (pxeles)

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica4

    Detectores de estado slido CCD

    Aos 60 y 70: Detectores electrnicos (vidiconetctera)

    1969: CCDs (del ingls Charge Coupled Device, dispositivo de carga acoplada)Willard Boyle y George Smith (Bell Tech journal 48, 587, abril 1970).Sistema de 1x8 pxeles

    Comienzos 70: varios grupos de investigacin

    1973: JPL, NASA y Texas Instruments (TI) desarrollan un CCD para Galileo

    (diseo 1981, lanzamiento en 1989, en Jpiter XII-1995)

    1973: Sistema de 100x100

    1976: CCD + telescopio de 61cm (JPL)

    (Jpiter, Saturno, Urano)

    Finales de los 70: NASA decide CCDs en lugar de vidicon para el HST

    512x320 de RCA

    1980: 800x800 (Texas Instruments)

    1980: primer CCD permanente en el 1.5m de Mount Hopkins

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica5

    CCDs en la actualidad (1)

    Primeros de los 80: TI (800x800)RCA (muy sensibles pero ms ruidosos)KPNOFairchild

    1985: RCA deja de producir CCDs por razones econmicas Primeros de los 80: la astronoma inglesa origina GEC (futuro EEV) 1985: Entra en el mercado Tektronix 1988: 1024x1024 de Tektronix Finales de los 80: Silicon Imaging Technologies (SITe) absorbe Tektronix Aos 90: Entran en el mercado Ford y Loral En adelante Mosaicos cada vez mayores

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica6

    CCDs en la actualidad (2)

    Tamaos estndar 1024x1024 y 2048x2048

    Mosaicos 8192x8192CCDs profesionales: Loral, SITe, Orbit, EEV y ThomsonCCDs aficionados: TI y Kodak

    MegaCAM 40 x (2048x4612) CCDs1x1 FOV @ CFHT

    Aficionados 1024x1024 por unos 1500

    Cmaras de vdeo CCDs de formatos rectangulares

    Dimensiones fijadas en potencias de 2

    no hay razn fundamental para ello

    salvo el tamao de las imgenes:

    210 = 1024 2 bytes x 1024 x 1024 = 2 Mbytes (formato enteros) 4 Mb (reales)

    211 = 2048, 216 = 65536 2 bytes x 2048 x 2048 = 8 Mbytes (formato enteros) 16 Mb (reales)

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica7

    Detectores de estado slido CCD

    100-500 m de grosorunos pocos cm de lado

    Pxeles de 20 m

    Array bidimensional de unidadessensibles a la luz (pxeles)

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica8

    Construccin de CCDs

    Obleas de Silicio en las que se graban los chips Se obtienen simultneamente varios de distintos tamaos Se adelgazan mediante ataques con cido

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica9

    Principios bsicos de un CCD

    Las impurezas suponen nivelesintemedios permitidosEn el Silicio, tomos en forma de red cristalina

    Banda de valencia llena

    Banda de conduccin vaca

    GAPDiagramade energas

    Metal conductor: Ambas bandas estn mezcladas

    Metal aislante: El GAP es muy grande y la banda de conduccin est completamente vaca

    Metal semiconductor: Unos pocos electrones de la banda de valencia pueden pasar a la de

    conduccin por calor o efecto fotoelctrico

    El material se hace conductor

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica10

    flujo de fotones a profundidad z coficiente de absorcina menor , ms penetra la luz

    A 300K, 5.0 m-1 para =4000 Si 0.1 m-1 para =8000

    A 77K, 4.0 m-1 para =4000 Si 0.005 m-1 para =8000

    B C N O Ejemplos de semiconductores: Si, Ge, In-Sb, Ga-As, Hg-Cd-TeAl Si P S

    Zn Ga Ge As SeCd In Sn Sb Te Hg Tl Pb Bi Po

    Los fotones ms rojos penetranms en el semiconductor antes

    de ser absorbidos

    ____

    +

    electrodo

    Corriente deoscuridad

    Fotn quegenera un e-y un hueco

    Fotn no absorbido

    Fotnreflejado

    EficienciaCuntica

    _++

    ( ) (0) zI z I e =

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica11

    El GAP de un semiconductor suele ser de 1 eV (30 veces la energa tpica de T=20C)

    A mayor GAP, menor sensibilidad a la temperatura, y por eso es mejor el Silicio al Germanio

    Si el material se enfra, el paso por calor de e- a la banda de conduccin se elimina

    longitud de onda DE CORTE

    EG es la energa del GAP

    Material T(K) EG (eV) c (m)

    Sulfuro de Cd CdS 295 2.40 0.5

    Silicio S 295 1.12 1.11

    Germanio Ge 295 0.67 1.85

    Antimoniuro de In InSb 295 0.18 6.9

    77 0.23 5.4

    MerCadTel HgCdTe 77 0.50 2.5

    cG

    chE

    =4 27, 021 101,557

    1108GTE

    T

    = +

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica12

    %EficienciaCuntica

    1

    10

    100

    Longitud de onda ()

    3 4 5 6 7 8 X 1000

    CCD

    Fotmetro

    Fotografa

    Ojo

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica13

    Es necesario un campo elctrico externopara evitar recombinacin

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  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica15

    Estructura de un CCD

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    Columnas de un CCD

    Silicio contaminado con Borocomo material dopante

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica17

    Elec

    tric

    pote

    ntia

    l +V

    n p

    Zona de mximo +V donde se

    concentran los e-

    Masa(pol -)

    Campo elctricoen un CCD

    ElectrodoSiO2 (0.02 )Silicio tipo n

    Silicio tipo p

    Estructura de Buried Channel

    Masa(pol -)

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    Filas de un CCD

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    Funcionamiento:CCD de tres electrodos

    100-500 m de grosorunos pocos cm de ladoPxeles de 10-20 m

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    Integracin

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica21

    Integracin

    n p

    Elec

    tric

    pote

    ntia

    l +V Incremento +V

    motivado por el electrodo

    Patrn de carga elctrica

    Region de mximopotencial

    Electrodo +V

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica22

    Imagen latente

    Ver animaciones

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica23

    Registro de salida

    Registro de salida

    - Zona sin bandas de dopaje- Pxeles mayores

    para evitar saturacin

    Dispositivo decarga acoplada

    Columnas malas

    CTEEficiencia de Transferencia de carga0,980,99997 (3 e- de 1e5)

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica24

    Registro de salida

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica25

    Lectura

    Registro de lectura(registro paralelo)

    Registro de salida(registro serie)

    Lectura completa en 0,5 3 minutos

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica26

    Transferencia de carga en un CCD

    La carga se transfiere modulando los voltajes de los electrodosCCD de tres fases:

    123

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica27

    +5V

    0V

    -5V

    123

    2

    +5V

    0V

    -5V

    1+5V

    0V

    -5V

    3

    Instante de tiemporepresentado en el diagrama

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica28

    +5V

    0V

    -5V

    2

    +5V

    0V

    -5V

    1+5V

    0V

    -5V

    3

    123

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observacin Astronmica29

    +5V

    0V

    -5V

    123

    2

    +5V

    0V

    -5V

    1+5V

    0V

    -5V

    3

  • Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Observa