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利用红外焦平面阵列实现更广阔的天文成像

2008-02-03 10:09
安娜PARKER
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作者:James W. Beletic

 世界上一些大型地面天文台都在使用HAWAII-2RG红外焦平面阵列。未来,HAWAII-2RG必将在空间天文观测站中获得广泛应用。

    自从首个二维红外成像阵列于上世纪80年代问世以来,红外天文学已经获得了迅速发展。20多年前的首个红外成像阵列仅能提供32×32个像素;而现在,2048×2048像素的红外阵列已成为红外天文学的标准工具。红外阵列拓展了望远镜系统的探测能力,因为它们可以在恒星形成的区域穿透气体和尘埃进行观测(见图1)。红外波长对于遥远星系的研究必不可少,因为不断膨胀的宇宙将可见光移动到了红外波段。 

    HAWAII-2RG(H2RG)是Teledyne公司针对天文仪器应用生产的先进的红外成像阵列,该阵列已经在陆地以及空间天文观测站使用的新型仪器中得到了广泛应用(见图2)。H2RG采用像素间距为18?m的 2048×2048像素阵列,具有较高的量子效率(超过80%)和极低的噪声(小于6个电子),从而能够确保天文学家们探测、研究来自最遥远星系的弱光。 

    即将发射升空的James Webb空间望远镜(JWST)将采用15个H2RG红外阵列(6千3百万像素),并且几乎每一个主要的地面天文台都正在使用或计划使用H2RG。此外,很多仪器将使用4个H2RG阵列的组合以获得4096×4096像素的焦平面阵列(见图1)。 

    H2RG是Teledyne公司HAWAII红外成像阵列家族中最为耀眼的成员。HAWAII这个词是碲化汞镉(HgCdTe)天文大面积红外成像仪的首字母缩写。HAWAII家族中的成员还包括H1、H1R、H1RG以及H2,这里,H代表HAWAII,数字1代表1024×1024像素,数字2代表2048×2048像素,R代表参考像素,G代表导窗能力。

    目前,H1及H2阵列已经在地面天文台中获得广泛应用(见图3)。在Deep Impact小行星拦截任务中就采用了H1R产品,并且哈勃空间望远镜将于2008年使用的3号宽场摄像机(WFC3)也集成了该产品。此外,2009年将要发射的宽场红外测量探测器(WISE)也将采用两个中红外(对5.2?m波长灵敏)H1RG阵列以实现全天空3.5~23?m红外测量。


 
    图1. 位于夏威夷的3.6米Canada-France-Hawaii望远镜利用WIRCam(宽场红外摄像机)对猎户座星云进行成像。WIRCam使用四个H2RG 短波(1~2.5?m)传感器组合,形成4096×4096像素的阵列(插图)。该图显示的大多数红色恒星都是直到红外摄像机出现后,才首次被人们观察到的。 



    混合阵列 
    HAWAII成像传感器采用混合互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列,结合了红外探测器材料的感光能力以及CMOS集成电路的低噪声与高功能的优点(见图4)。CMOS电路由制作计算机芯片的硅加工厂生产,但需要增加特别的放大器,以检测由微弱的天体源产生的非常小的光电荷波包。 

    Teledyne使用一层HgCdTe作为红外探测器材料。该材料通过分子束外延的方法缓慢精确地生长,一次只长一层。HgCdTe的独特之处在于:通过改变汞与镉的配比,可以对带隙进行优化,从而优化探测器层对探测波长的灵敏性。Teledyne生产的HgCdTe探测器的波长覆盖了近红外(1.7~2.5?m)、中红外(5?m)、长波(8~10?m)以及极长波(达到18?m)等范围。采用混合CMOS结构的像素填充因子达到100%,并且具有很高的量子效率。由于HgCdTe材料的质量得以提高,截止波长为2.5?m和5?m的H2RG阵列的暗电流的JWST规格可以做到小于每秒每像素0.01个电子(工作温度为37K)。


图2. HAWAII-2RG(H2RG)成像阵列具有2048×2048个像素。

    HgCdTe晶体结构生长在碲化镉锌(CdZnTe)衬底上,因为两者的晶格间距几乎完全相同。当探测器层与CMOS读出电路集成在一起时,衬底位于这一混合结构的顶端并且面向入射光的方向。CdZnTe衬底对短于0.9?m的波长不透明,因此具有衬底的混合阵列对可见光不敏感。JWST、WISE以及WFC3阵列采用的衬底去除过程能够提供很多性能上的改善,例如HgCdTe可以对波长低至0.4?m的可见光敏感,“J”带(1.1~1.4?m)的量子效率得以提高,并且镀防反膜可以进一步优化各个波长处的量子效率。此外,衬底层出现的条纹以及衬底层因吸收宇宙射线导致的荧光也可以消除。 

    H2RG阵列采用的CMOS读出电路具备若干先进特性。沿阵列每条边的四行以及四列参考像素,能够在天文学所需的较长的曝光时间内(通常为1000秒)跟踪偏压的任何波动。H2RG可以进行交替的导窗读数以及整个阵列的读数,这样就能执行引导函运算以获得精确的望远镜稳定性。 

    H2RG阵列的另一个特点是源于非破坏性读出和多重取样的低噪声。H2RG的像素放大器通过非破坏性方式读出,并且在较长的曝光时间内可以读出多幅子帧。例如,在JWST 1000秒的曝光时间内可以读出96帧。由于每帧的读出噪声是互不相关的,因此对多幅帧进行处理可以减小读出噪声并且消除宇宙射线的影响(宇宙射线能够在单个像素上沉积大量电荷)。H2RG阵列在1000秒的曝光时间内能够达到少于六个电子(均方根值)的总噪声水平。总噪声由读出噪声与暗电流噪声构成。为了使用四个读出端口以100kHz的像素率(全帧读出时间为10.6秒)对H2RG进行读出操作,H2RG需要在小于2mW的极低功率下工作。 

    流经CMOS读出阵列像素中的放大器的电流能够产生红外光子,这将导致不必要的背景辉光。H2RG读出电路的设计以及屏蔽光金属层的使用,能有效地消除放大器辉光,从而获得多重非破坏性读出所达到的极低噪声水平。

    SIDECAR ASIC 
    在开发H2RG的同时,Teledyne公司还开发了专用集成电路(ASIC)SIDECAR。它可以直接和HlRG及H2RG互联,以提供焦平面电子元件需要的所有功能。图像数字化、增强、控制以及SIDECAR,可以显著减小焦平面电子元件的尺寸、重量与功耗(见图5)。 


 
    图3. 该图显示了位于智利的超大型望远镜(VLT)在其ISAAC仪器中使用Teledyne公司的HAWAII-1短波红外探测器阵列(1~2.5?m),结合J、H以及K滤波片拍摄的三幅像的叠加。鹰状星云红外像中的柱状物不如可见光像中的明显,因为近红外光能够穿透气体以及尘埃云中更稀薄的部分。 

    SIDECAR配有可编程微处理器、偏流产生器、时钟产生器、放大器以及模数转换器。它可以并行容纳高达36路模拟输入,并且使用500kHz 16位或者5MHz 12位模数转换器对输入进行数字化操作。SIDECAR采用数字的方式与仪器电子元件互联。由于采用低压微分信号通信,SIDECAR可以放在离仪器电子元件几米远的地方。通过通信线路可以对SIDECAR进行完全编程操作。 

 

    图4. 混合CMOS探测器阵列将光照转换为光电荷。探测器层中的单个像素可以采集光电荷。放大器与硅读出阵列中的每个像素通过铟线互联,并将光电荷导入放大器。H2RG拥有超过4百万个铟“泵”。在H2RG读出阵列中每个像素内的灵敏放大器将电荷转换为电压信号,然后通过复用器将电压信号输出。H2RG还有32个输出端口用于将放大信号传送出芯片,可以通过1个、4个或32个输出端口读出整幅图像。 



    JWST四台仪器中的三台选用了SIDECAR ASIC。SIDECAR的两个特征是JWST选择它的关键所在。第一是低功率运转。在JWST的工作过程中,四个端口连续以100kHz的像素率进行读出,并且进行16位的数字化。SIDECAR在37K的低温下功耗仅为11mW。低功率运转能够确保JWST将SIDECAR放置在温度极低的仪器模块中,并且整个模块与位于观测站温度较高处的电子元件相隔4米。 

    JWST选用SIDECAR的第二个原因是它的低噪声。与H2RG 读出放大器相比,SIDECAR的噪声可以忽略,因此H2RG-SIDECAR系统总的噪声由低噪声的H2RG运转决定。 

    自2007年初开始,SIDECAR就与夏威夷大学88英寸望远镜上的4096×4096像素的红外摄像机协同工作。此外,一些地面天文台上的新仪器也正在采用SIDECAR。更重要的是,H2RG和SIDECAR已经接受了空间飞行所需的环境测试,并且达到了美国航空航天局的六级技术水平――这对于执行空间任务而言具有里程碑意义。由于能承受高强度辐射,目前研究人员正考虑将H2RG和SIDECAR用于其他空间任务中。 


 

图5. SIDECAR ASIC芯片的尺寸仅为14.5mm×22mm。


    其他波长 
    混合CMOS结构的用途并不仅仅局限于红外成像。如果使用硅p-i-n探测器层,H2RG在x射线、紫外、可见光直到硅的截止波长(1.1?m)都可以提供较高的量子效率以及100%的填充因子。Teledyne公司已经向专门研究x射线和可见光成像的天文研究小组提供了H1RG与H2RG硅p-i-n阵列。
 
    随着地面以及空间天文观测站在许多最先进的红外仪器中使用H2RG产品,在未来的几年,它将为科学界提供大量的高品质红外图像以及行星、恒星和星系的光谱。红外数据能够为人们揭示暗物质以及暗能量的秘密提供更多证据。未来十年,对于红外天文学而言将会是令人振奋的十年,而H2RG也将在未来的天文应用中发挥重要作用。

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