CCD detector

Come già detto in precedenza, la CCD da noi usata negli esperimenti riguardanti i raggi X emessi da plasma indotto da laser è basata su un chip 2k × 2k della Loral con dimensione del singolo pixel pari a 15µm, è di classe astronomica, è caratterizzata da una buona qualità fotometrica ed è stata sviluppata e testata per la rilevazione della componente visibile e X dello spettro elettromagnetico.

Una foto che mostra maggiori dettagli di tale dispositivo, rispetto a quanto è già possibile vedere dalla figura 10, è riportata in figura 11 assieme al controller SDSU (San Diego State University).

Il chip della Loral, che può operare nel cosiddetto modo invertito (Multi-Phase-Pinned mode o MPP [22]) ad una temperatura di 200K, presenta una corrente di buio inferiore a 0,1elettroni/minuto, permettendo così alla CCD di garantire una buona qualità fotometrica e di fornire immagini accurate di ottima qualità, anche quando la CCD non si trova a temperature criogeniche basse in corrispondenza delle quali dovrebbe raggiungere le condizioni ottimali di lavoro.

Per ridurre la corrente termica di buio si utilizza un nuovo sistema di raffredamento termo − elettrico (Thermo-Electric Cooler system o TEC), capace di raffreddare la CCD fino a temperature di −80°C in condizioni di vuoto molto spinto, termalizzando il tutto all’interno di 0,5°C. Questo sistema è basato su un dispositivo a tre stadi a celle di Peltier realizzato su misura; inoltre, per raggiungere la temperatura di funzionamento ottimale, si è usato come scambiatore di calore del Glycol a 0°C pompato in un circuito chiuso.

Figura 11 Foto del chip da laboratorio su cui si basa la CCD da noi usata e, sulla sinistra, il controller SDSU (San Diego State University).

Durante i nostri esperimenti, la CCD è stata sempre fatta funzionare nel modo invertito MPP poiché quest’ultimo è una modalità di lavoro che, malgrado dia luogo ad una riduzione nella capacità di un pixel di accumulare elettroni (cioè nella full-well capacity), presenta numerosi vantaggi operativi quali:

a) drammatica riduzione della corrente di buio;

b) ottima efficienza di trasferimento di carica (Charge Transfer Efficiency o CTE); c) assenza di immagini residue di superficie;

d) eccelente uniformità tra i vari pixels (pixel-to-pixel uniformity); e) migliorata solidità alla radiazione;

f) possibilità di cancellare molto velocemente i dati nella CCD.

Inoltre, per queste ragioni, durante gli esperimenti si è raffreddata la CCD “solo” fino ad una temperatura di −50°C con un vuoto in camera dell’ordine di 10−4mbar. Per le prove sperimentali è stata usata una CCD che costituisce una versione migliorata (upgrade) dei sistemi presentati da Nanni et al. [23] e da Agnelli et al. [24].

Per quanto concerne, invece, l’elettronica di supporto alla CCD, essa è essenzialmente costituita da schede (o moduli) di controllo della San Diego State University (SDSU controller), che permette di operare con un’ampia categoria di immagini che si estende da quelle nell’infrarosso fino a quelle ottenute con i raggi X, e da alcune altre schede specifiche, mentre ogni altro parametro operativo della CCD è accessibile mediante apposito software.

L’elettronica permette alla CCD di funzionare con una modalità di lettura dei dati molto veloce (fast readout mode) con tempi dell’ordine di 0,5µs per ogni pixel e di poter effettuare

molte letture dati simultaneamente. L’elevato range dinamico, invece, è raggiunto attraverso l’uso di tecniche a baso rumore e di convertitori analogico − digitali a 16bit. Inoltre, la flessibilità della programmazione permette di controllare un numero variabile di letture dati.

Le componenti principali del controller SDSU sono:

I) una scheda di temporizzazione (o sincronizzazione, Timing Board) dei processi, che fornisce la sequenza digitale per controllare la CCD e le comunicazioni con la scheda di interfaccia del computer su duplice collegamento a fibra ottica;

II) una scheda di elaborazione video (Video Processor Board), che amplifica e fornisce valori numerici digitali a 16bit per i segnali video dei pixels della CCD con un circuito campione doppiamente correlato;

III) una scheda di azionamento del clock (Clock Driver Board), che trasforma i segnali di temporizzazione digitali in livelli di tensione controllati al fine di azionare le linee di clock della CCD;

IV) una scheda di funzione (Utility Board) che fornisce varie funzioni di supporto del sistema, come quella per il controllo dell’otturatore (shutter), quella per il monitoraggio della temperatura del chip della CCD, ecc.;

V) una scheda PCI (PCI Board) che interfaccia, mediante collegamento con fibre ottiche, la Timing Board con la scheda PCI di interfaccia del computer.

Oltre a ciò, è interessante sottolineare che il sistema di lettura della CCD è totalmente controllato dal computer, garantendo così la flessibilità delle operazioni durante gli esperimenti.

Più esattamente, la videocamera CCD usata nei nostri esperimenti viene gestita dall’esterno mediante una serie di comandi creati attraverso un’applicazione per utente specifica chiamata VOODOO.

Il software di controllo e acquisizione della CCD consiste di due differenti codici, uno Java e l’altro rappresentato da librerie scritte in C, e permette di gestire il controller elettronico SDSU mediante tre programmi scritti in Assembler (“pci.lod”, “tim.lod” e “utility.lod”) che possono essere modificati per controllare tramite oscilloscopio e adattare le forme d’onda dei segnali di temporizzazione e, infine, per aumentare l’efficienza di lettura del chip scegliendo il formato dell’immagine, cambiando il guadagno del segnale video, selezionando la modalità di lettura (readout mode) e l’amplificatore di uscita. Inoltre, il software di controllo e acquisizione permette la lettura di una singola CCD (anche di elevata

risoluzione e di grandi dimensioni) e di mosaici (o collezioni) di CCD con la possibilità di leggere l’immagine secondo differenti modalità riportate in figura 12 quali:

1) canale di lettura singolo o modalità a singolo amplificatore;

2) scissione dell’immagine su due o quattro canali (ovvero modalità a due o quattro amplificatori).

Figura 12 In alto: modalità di lettura della CCD a singolo amplificatore (ovvero a canale di lettura singolo). In basso: modalità di lettura della CCD a due o quattro amplificatori (ovvero con scissione dell’immagine su due o quattro canali). Per elaborare le immagini acquisite mediante CCD, invece, si sono utilizzati IRAF (Image Reduction and Analysis Facility) e IDL (Interactive Data analysis Language).

Più esattamente, il primo comprende una buona selezione di programmi per l’elaborazione delle immagini e per la grafica, più un grande numero di software per la riduzione e l’analisi dei dati. Altri pacchetti esterni aggiuntivi sono accessibili per specifiche applicazioni come, ad esempio, l’acquisizione e la manipolazione dei dati raccolti da diversi osservatori in differenti regimi di lunghezza d’onda, come ad esempio quelli del telescopio spaziale Hubble, quelli raccolti nell’estremo ultravioletto (EUV) o nella regione dei raggi X.

Infine, IDL è un linguaggio di programmazione completo interattivo per la riduzione, l’analisi e la visualizzazione di dati scientifici e di immagini, che rappresenta uno strumento molto potente di analisi per i ricercatori.