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E LEKTRONIK FÜR EINE R ÖNTGEN CCD-K AMERA AIT Röntgen pn-CCDs Das CCD (Charged Coupled Device) ist heute ein weit verbreitetes Standardbauteil und der zentrale Bestandteil von jeder modernen Digitalkamera. In der Astronomie sind CCDs schon viel länger verbreitet und haben die früher verwendete Fototechnik (Fotoplatten) inzwischen vollständig abgelöst. Das CCD ist ein lichtsensitiver elektronischer Halbleiterdetektor. Es besteht aus einer Matrix mit lichtempfindlichen Zellen, die Pixel ge- nannt werden (vgl. Abbildung unten) und die sich meist im Fokus- punkt einer Optik (Teleskop/Mikroskop/Kamera) befinden. Während der Belichtung entsteht in jedem Pixel eine elektrische Ladung (Char- ge), die der auftreffenden Lichtmenge proportional ist. Nach der Be- lichtung werden die Pixelladungen von einer Ausleseelektronik so aus dem CCD ausgekoppelt (coupled), dass die Bildinformation dabei in- takt bleibt. Zum Auslesen werden die Ladungen pixelweise in ganzen Zeilen verschoben, bis sie am Rand des CCDs (der Anode) ankom- men. Dort wird die Ladungsmenge in jedem Pixel von einem Ausle- sechip gemessen und von der Elektronik zu einem Bild weiterverar- beitet. + + * Pixelgröße: 75 um x 75 um * Energie-Bereich: 0.5 - 12 keV * spektrale Auflösung: 155 eV bei 5.9 keV * Zeitauflösung: 50 ms * 256 x 256 Pixel für Bildbereich * 256 x 256 Pixel für Frame Store Bereich * 500 um Waferdicke, durchgehend depletiert Pixel 1 2 3 - e SiO 2 p SiO 2 SiO 2 channelstops channelstops Phi Steuerelektroden p p p p n - epitaxial layer n n p p p p p zur Anode Kathode Röntgenlicht pn-CCD p CCDs für Röntgenlicht unterscheiden sich leicht von CCDs für opti- sche Anwendungen, sind in ihrem Funktionsprinzip aber identisch. Mit einer Spannung von ca. 200 Volt verhält sich jedes Pixel des CCDs wie eine Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird. An der Grenzschicht zwischen dem p-leitenden und n-leitenden Bereich (der Sperrschicht) entsteht dabei ein Gebiet, in dem nahezu keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind (Verarmungszone), man spricht von Depletion. Nur in diesem Depletionsbereich ist das CCD für auftreffendes Licht empfindlich. Hier entsteht die elektrische Ladung. Aufgrund der hohen Energie von Röntgenlicht (100 eV bis 100.000 eV - optisches Licht besitzt Energien um 4 eV) muss die Depleti- onszone auf den vollen Querschnitt des CCDs ausgedehnt werden, damit genügend Signal erzeugt wird. Solche Röntgen-CCDs werden vollständig depletiert betrieben und als pn-CCDs bezeichnet. Das Halbleiterlabor des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching entwickelt pn-CCDs für Röntgendetekto- ren. Unser Institut beteiligt sich seit vielen Jahren an der Entwicklung von Röntgenkameras und der Ansteuerelektronik für pn-CCDs. Die Röntgenkameras des Satelliten-Observatoriums XMM-Newton ent- stammen dieser Zusammenarbeit. XMM-Newton wurde im Dezem- ber 1999 gestartet und arbeitet seitdem sehr erfolgreich. Es hat un- zählige Daten zur Erforschung kosmischer Röntgenquellen geliefert. Das Framestore Kameradesign Bei einem Röntgenteleskop kann das Licht nicht auf einem Parabolspiegel gesammelt und auf den Fokuspunkt konzentriert werden, wie bei optischen Teleskopen üblich. Aufgrund der hohen Energie wird das Röntgenlicht bei senkrechtem Einfall auf eine Spiegeloberfläche absorbiert. Spiegel für Röntgenlicht funktionieren nur bei sehr flachem, streifenden Einfall des Lichts auf einer Metallschicht (Totalreflexion). Röntgen- teleskope bestehen deshalb aus einer Anordnung von Paraboloiden und Hyperboloiden, die in mehreren Schalen übereinander liegen, um die Lichtausbeute zu erhöhen. Das Röntgenlicht fällt sehr flach ein und der Fokuspunkt mit der CCD-Kamera liegt bei einem Abstand von mehreren Metern zum Spiegelsystem (vgl. Abbildung links). Röntgenlicht Röntgenlicht pn-CCD Detektor 2 fach abgelenktes Röntgenlicht (FS-Kamera) ca. 10 Meter 4 fach Paraboloid 4 fach Hyperboloid Auslesechip Speicherbereich Bildbereich Anode pn-CCD Anders als optische Kameras besitzen Röntgenkameras kein Verschlusssystem, um die Belichtungszeit festzulegen. Die Belichtungszeit ist deshalb einfach durch das Ausleseintervall des CCDs festgelegt. Dies birgt jedoch die Gefahr von Bildfehlern, weil das CCD auch während des zeitraubenden Auslesezyklus von der Röntgenquelle weiterbelichtet wird (vgl. Abb. unten rechts). Um Bildfehler zu reduzieren, werden die CCDs von Röntgenkameras deshalb im sogenannten Framestore-Modus (Bildspeicher-Modus) betrieben. Der Framestore-Modus macht sich die Tatsache zunutze, dass das zeilenweise Verschieben der Pixel- ladungen horizontal auf dem CCD sehr viel schneller möglich ist, als der anschließende Auslesepro- zess an der CCD-Anode. Das CCD wird deshalb in zwei Bereiche geteilt (Abbildung oben rechts). Neben dem eigentlichen Bildbereich liegt ein Speicherbereich mit der gleichen Anzahl Pixel wie der Bildbereich. Die Abbildung zeigt den Prototyp eines solchen CCDs des MPE Garching. Im linken Teil des CCDs ist der Bildbereich (etwas heller) erkennbar. Der Speicherbereich rechts daneben ist in der Fläche etwas kleiner, die Anzahl der Pixel ist aber identisch mit dem Bildbereich. In einer Rönt- genkamera wird der Speicherbereich des CCDs unter einer für Röntgenstrahlung undurchlässigen Abschirmung verborgen, während sich der Bildbereich direkt im Fokuspunkt des Teleskops befin- det. Bildfehler, die beim Auslesen des CCDs durch Weiterbelichtung entstehen, können nun wirksam reduziert werden, indem das Bild schnell aus dem Bildbereich unter die Abschirmung des Speicher- bereiches geschoben wird. Dort bleibt es solange gespeichert (geparkt), bis die Ausleseelektronik zur Weiterverarbeitung in der Lage ist. Die Abbildung rechts zeigt eine Aufnahme mit dem Röntgente- leskop XMM. Die Quellen zeigen lange Verschmierungen nach oben aufgrund der Weiterbelichtung während des Auslesens des CCDs. Diese Verschmierungen werden beim Framestore-Modus vermie- den. ADC DSP phi-pulse sampling adcclk pixelclk 12 Bit Analog/Digital Konverter Onboard Computer Sequenzer digitale Steuersignale pn-CCD AusleseChip Während des Auslesevorgangs werden die Pixel des CCDs zeilenweise auf die Anode verschoben. Dort misst ein hochempfindlicher Auslese- chip die Ladungsmenge auf jedem Pixel, das Ergebnis wird mehrfach verstärkt und anschließend digitalisiert. Bei der Digitalisierung wird jedem Pixel ein zu seiner Ladungsmenge proportionaler Zahlenwert zwischen 0 und 4095 zugewiesen. Auf diese Art ensteht ein digitales Pixelbild der Quelle, genau wie bei einer Digitalkamera. Die Steuerung des Auslesevorgangs des CCDs, der Ladungsmessung im analogen Auslesechip, sowie der Digitalisierung und der anschlie- ßenden Weiterverarbeitung der Daten übernimmt ein digitales Steuer- werk, der sogenannte Sequenzer (vgl. Abbildung links). Ein Sequenzer für den Betrieb des CCDs bzw. der Framestore-Kamera des MPE wurde an unserem Institut entwickelt und wird derzeit sorgfältig getestet. Die Elektronik basiert auf einem Virtex II FPGA der Firma Xilinx, ein frei programmierbarer Chip, der den vollständigen Sequenzerentwurf enthält (vgl. auch Spalte rechts). FPGA Prototyping Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist ein Mikrochip, ähn- lich einem Mikroprozessor. Der Unterschied zum Mikroprozessor ist jedoch wesentlich! Anders als ein Mikroprozessor enthält ein FPGA keine vorgefertigten Baugruppen, sondern ist zu Beginn vollkommen leer und kann mit einer vom Benutzer zu entwerfenden Hardware konfiguriert werden. Auf diese Weise kann der Entwurf selbst kom- plexer elektronischer Schaltungen, für den früher aufwendige Leiter- platten mit hunderten oder gar tausenden Bauteilen notwendig gewe- sen wären, heute vollständig in einem einzigen Chip integriert wer- den. Die Abbildung zeigt den von uns ver- wendeten Virtex II FPGA der Firma Xilinx zusammen mit einem FPGA- Floorplan. Der Floorplan stellt die in- terne Gatterbelegung und Verdrahtung des FPGA dar, die vom Benutzer je- derzeit durch eine andere ersetzt wer- den kann. Im Fall der Framestore- Kamera wird der FPGA mit dem Ent- wurf des Sequenzers konfiguriert. Für die Entwicklung der Zielhardware, mit der der FPGA konfigu- riert werden soll, wird bei uns die Hardware-Beschreibungssprache VHDL eingesetzt. VHDL ähnelt stark einer Programmiersprache für die Softwareentwicklung und bietet den Vorteil der vollständig hardwarelosen Schaltungsentwicklung, d.h. während der Entwick- lung müssen keine Hardwareprototypen der Schaltung hergestellt werden. VHDL erlaubt den vollständigen Entwurf und die Simulati- on der Schaltung direkt am Rechner! Hierzu steht eine leistungsfähige Simulations- und Synthesesoftware zur Verfügung. Die Abbildung oben zeigt eine VHDL-Simulationsoftware mit dem geladenen Sequenzerprototyp. Der Hardwareentwurf kann mit der Software bis zur vollständigen Funktionstüchtigkeit entwickelt werden. Am Schluss steht dann die Synthese des Protoyps auf die ausgewählte Zielhardware, hier der Virtex II FPGA. Neben der kurzen Entwicklungszeit erlaubt das FPGA-Prototyping auch eine schnelle Anpassung der Hardware auf veränderte Anforderungen oder verschiedene Hardwareplattformen (FPGA- Typen/Familien, ASIC, CPLD ..). Kontakt: [email protected], [email protected], [email protected]; Adresse: Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen, Sand 1, 72076 Tübingen; web: http://astro.uni-tuebingen.de
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ELEKTRONIK FÜR EINE RÖNTGEN CCD-KAMERAAIT
Röntgen pn-CCDs
Das CCD (Charged Coupled Device) ist heute ein weit verbreitetesStandardbauteil und der zentrale Bestandteil von jeder modernenDigitalkamera. In der Astronomie sind CCDs schon viel längerverbreitet und haben die früher verwendete Fototechnik (Fotoplatten)inzwischen vollständig abgelöst.
Das CCD ist ein lichtsensitiver elektronischer Halbleiterdetektor. Esbesteht aus einer Matrix mit lichtempfindlichen Zellen, die Pixel ge-nannt werden (vgl. Abbildung unten) und die sich meist im Fokus-punkt einer Optik (Teleskop/Mikroskop/Kamera) befinden. Währendder Belichtung entsteht in jedem Pixel eine elektrische Ladung (Char-ge), die der auftreffenden Lichtmenge proportional ist. Nach der Be-lichtung werden die Pixelladungen von einer Ausleseelektronik so ausdem CCD ausgekoppelt (coupled), dass die Bildinformation dabei in-takt bleibt. Zum Auslesen werden die Ladungen pixelweise in ganzenZeilen verschoben, bis sie am Rand des CCDs (der Anode) ankom-men. Dort wird die Ladungsmenge in jedem Pixel von einem Ausle-sechip gemessen und von der Elektronik zu einem Bild weiterverar-beitet.
+ +
* Pixelgröße: 75 um x 75 um* Energie−Bereich: 0.5 − 12 keV* spektrale Auflösung: 155 eV bei 5.9 keV * Zeitauflösung: 50 ms
* 256 x 256 Pixel für Bildbereich* 256 x 256 Pixel für Frame Store Bereich
* 500 um Waferdicke, durchgehend depletiert
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Pixel
1 2 3
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SiO2
p
SiO2
SiO2
channelstops
channelstops
Phi
Steuerelektroden
p
ppp
n − epitaxial layer
n
n
p p p
p
p
zur Anode
Kathode
Röntgenlicht
pn−CCD
p
CCDs für Röntgenlicht unterscheiden sich leicht von CCDs für opti-sche Anwendungen, sind in ihrem Funktionsprinzip aber identisch.Mit einer Spannung von ca. 200 Volt verhält sich jedes Pixel desCCDs wie eine Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird.An der Grenzschicht zwischen dem p-leitenden und n-leitendenBereich (der Sperrschicht) entsteht dabei ein Gebiet, in dem nahezukeine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind (Verarmungszone),man spricht von Depletion. Nur in diesem Depletionsbereich istdas CCD für auftreffendes Licht empfindlich. Hier entsteht dieelektrische Ladung.Aufgrund der hohen Energie von Röntgenlicht (100 eV bis 100.000eV - optisches Licht besitzt Energien um 4 eV) muss die Depleti-onszone auf den vollen Querschnitt des CCDs ausgedehnt werden,damit genügend Signal erzeugt wird. Solche Röntgen-CCDs werdenvollständig depletiert betrieben und als pn-CCDs bezeichnet.
Das Halbleiterlabor des Max-Planck-Instituts für ExtraterrestrischePhysik (MPE) in Garching entwickelt pn-CCDs für Röntgendetekto-ren. Unser Institut beteiligt sich seit vielen Jahren an der Entwicklungvon Röntgenkameras und der Ansteuerelektronik für pn-CCDs. DieRöntgenkameras des Satelliten-Observatoriums XMM-Newton ent-stammen dieser Zusammenarbeit. XMM-Newton wurde im Dezem-ber 1999 gestartet und arbeitet seitdem sehr erfolgreich. Es hat un-zählige Daten zur Erforschung kosmischer Röntgenquellen geliefert.
Das Framestore Kameradesign
Bei einem Röntgenteleskop kann das Licht nicht auf einem Parabolspiegel gesammelt und auf den Fokuspunkt konzentriert werden, wie beioptischen Teleskopen üblich. Aufgrund der hohen Energie wird das Röntgenlicht bei senkrechtem Einfall auf eine Spiegeloberfläche absorbiert.Spiegel für Röntgenlicht funktionieren nur bei sehr flachem, streifenden Einfall des Lichts auf einer Metallschicht (Totalreflexion). Röntgen-teleskope bestehen deshalb aus einer Anordnung von Paraboloiden und Hyperboloiden, die in mehreren Schalen übereinander liegen, um dieLichtausbeute zu erhöhen. Das Röntgenlicht fällt sehr flach ein und der Fokuspunkt mit der CCD-Kamera liegt bei einem Abstand von mehrerenMetern zum Spiegelsystem (vgl. Abbildung links).
Röntgenlicht
Röntgenlicht
pn−CCDDetektor
2 fach abgelenktesRöntgenlicht
(FS−Kamera)
ca. 10 Meter
4 fach Paraboloid 4 fach Hyperboloid
Auslesechip
SpeicherbereichBildbereich
Anode
pn−CCD
Anders als optische Kameras besitzen Röntgenkameras kein Verschlusssystem, um die Belichtungszeit festzulegen. Die Belichtungszeit istdeshalb einfach durch das Ausleseintervall des CCDs festgelegt. Dies birgt jedoch die Gefahr von Bildfehlern, weil das CCD auch währenddes zeitraubenden Auslesezyklus von der Röntgenquelle weiterbelichtet wird (vgl. Abb. unten rechts). Um Bildfehler zu reduzieren, werden dieCCDs von Röntgenkameras deshalb im sogenannten Framestore-Modus (Bildspeicher-Modus) betrieben.
Der Framestore-Modus macht sich die Tatsache zunutze, dass das zeilenweise Verschieben der Pixel-ladungen horizontal auf dem CCD sehr viel schneller möglich ist, als der anschließende Auslesepro-zess an der CCD-Anode. Das CCD wird deshalb in zwei Bereiche geteilt (Abbildung oben rechts).Neben dem eigentlichen Bildbereich liegt ein Speicherbereich mit der gleichen Anzahl Pixel wie derBildbereich. Die Abbildung zeigt den Prototyp eines solchen CCDs des MPE Garching. Im linkenTeil des CCDs ist der Bildbereich (etwas heller) erkennbar. Der Speicherbereich rechts daneben ist inder Fläche etwas kleiner, die Anzahl der Pixel ist aber identisch mit dem Bildbereich. In einer Rönt-genkamera wird der Speicherbereich des CCDs unter einer für Röntgenstrahlung undurchlässigenAbschirmung verborgen, während sich der Bildbereich direkt im Fokuspunkt des Teleskops befin-det. Bildfehler, die beim Auslesen des CCDs durch Weiterbelichtung entstehen, können nun wirksamreduziert werden, indem das Bild schnell aus dem Bildbereich unter die Abschirmung des Speicher-bereiches geschoben wird. Dort bleibt es solange gespeichert (geparkt), bis die Ausleseelektronik zurWeiterverarbeitung in der Lage ist. Die Abbildung rechts zeigt eine Aufnahme mit dem Röntgente-leskop XMM. Die Quellen zeigen lange Verschmierungen nach oben aufgrund der Weiterbelichtungwährend des Auslesens des CCDs. Diese Verschmierungen werden beim Framestore-Modus vermie-den.
ADC DSP
phi−pulse
sampling
adcc
lk
pixelclk
12 Bit Analog/Digital
Konverter Onboard Computer
Sequenzer
digitaleSteuersignale
pn−CCD
AusleseChip
Während des Auslesevorgangs werden die Pixel des CCDs zeilenweiseauf die Anode verschoben. Dort misst ein hochempfindlicher Auslese-chip die Ladungsmenge auf jedem Pixel, das Ergebnis wird mehrfachverstärkt und anschließend digitalisiert. Bei der Digitalisierung wirdjedem Pixel ein zu seiner Ladungsmenge proportionaler Zahlenwertzwischen 0 und 4095 zugewiesen. Auf diese Art ensteht ein digitalesPixelbild der Quelle, genau wie bei einer Digitalkamera.
Die Steuerung des Auslesevorgangs des CCDs, der Ladungsmessungim analogen Auslesechip, sowie der Digitalisierung und der anschlie-ßenden Weiterverarbeitung der Daten übernimmt ein digitales Steuer-werk, der sogenannte Sequenzer (vgl. Abbildung links). Ein Sequenzerfür den Betrieb des CCDs bzw. der Framestore-Kamera des MPE wurdean unserem Institut entwickelt und wird derzeit sorgfältig getestet. DieElektronik basiert auf einem Virtex II FPGA der Firma Xilinx, ein freiprogrammierbarer Chip, der den vollständigen Sequenzerentwurf enthält(vgl. auch Spalte rechts).
FPGA Prototyping
Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist ein Mikrochip, ähn-lich einem Mikroprozessor. Der Unterschied zum Mikroprozessor istjedoch wesentlich! Anders als ein Mikroprozessor enthält ein FPGAkeine vorgefertigten Baugruppen, sondern ist zu Beginn vollkommenleer und kann mit einer vom Benutzer zu entwerfenden Hardwarekonfiguriert werden. Auf diese Weise kann der Entwurf selbst kom-plexer elektronischer Schaltungen, für den früher aufwendige Leiter-platten mit hunderten oder gar tausenden Bauteilen notwendig gewe-sen wären, heute vollständig in einem einzigen Chip integriert wer-den.
Die Abbildung zeigt den von uns ver-wendeten Virtex II FPGA der FirmaXilinx zusammen mit einem FPGA-Floorplan. Der Floorplan stellt die in-terne Gatterbelegung und Verdrahtungdes FPGA dar, die vom Benutzer je-derzeit durch eine andere ersetzt wer-den kann. Im Fall der Framestore-Kamera wird der FPGA mit dem Ent-wurf des Sequenzers konfiguriert.
Für die Entwicklung der Zielhardware, mit der der FPGA konfigu-riert werden soll, wird bei uns die Hardware-BeschreibungsspracheVHDL eingesetzt. VHDL ähnelt stark einer Programmiersprachefür die Softwareentwicklung und bietet den Vorteil der vollständighardwarelosen Schaltungsentwicklung, d.h. während der Entwick-lung müssen keine Hardwareprototypen der Schaltung hergestelltwerden. VHDL erlaubt den vollständigen Entwurf und die Simulati-on der Schaltung direkt am Rechner! Hierzu steht eine leistungsfähigeSimulations- und Synthesesoftware zur Verfügung.
Die Abbildung oben zeigt eine VHDL-Simulationsoftware mitdem geladenen Sequenzerprototyp. Der Hardwareentwurf kann mitder Software bis zur vollständigen Funktionstüchtigkeit entwickeltwerden. Am Schluss steht dann die Synthese des Protoyps auf dieausgewählte Zielhardware, hier der Virtex II FPGA.
Neben der kurzen Entwicklungszeit erlaubt das FPGA-Prototypingauch eine schnelle Anpassung der Hardware auf veränderteAnforderungen oder verschiedene Hardwareplattformen (FPGA-Typen/Familien, ASIC, CPLD ..).
Kontakt: [email protected], [email protected], [email protected]; Adresse: Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen, Sand 1, 72076 Tübingen; web: http://astro.uni-tuebingen.de
