韦伯望远镜的红外传感器科普介绍
smith2022/07/19原创 电子技术天文与空间科学航天技术 IP:广东
中文摘要
韦伯望远镜的红外传感器科普
关键词
红外传感器;红外;碲汞镉
HgCdTe

詹姆斯韦伯望远镜(JWST)的图出了, 实在惊艳, 但是国内科技媒体都把重点关注在望远镜镜体、光学、摄影技术上面了, 对红外传感器的文章非常少,我特地上NASA的官网查了一下, 感觉又收获了不少红外技术的知识。

下面是对NASA官网的翻译(个人校正),给大家分享一下。

原地址:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/content/about/innovations/XXXXXXXXXXXml

24852004939_5ebdd7fcfb_b.jpg

图 1:詹姆斯韦伯太空望远镜近红外相机 (NIRCam) 探测器,已移除光学挡片。  通过紫色的碲汞镉薄膜收集红外光。再将其像素化 ,每个像素太小而无法在这里用肉眼看到。  图片来源:亚利桑那大学/美国宇航局


什么是探测器,为什么它们很重要?

  upload_downloader_1658237527787_51851394.jpeg  

图 2:上图 MIRI 探测器(绿色)安装在一个称为焦平面模块的块状单元中。  它有一个 1024x1024 像素砷掺杂硅阵列。  图片来源:美国国家航空航天局

韦伯的反射镜收集来自宇宙的光并将其引导至科研设备。   对光进行过滤并通过分光镜分光,然后最终将其聚焦到传感器上(图 1-2)。  每个设备都有自己的探测器。   探测器是吸收光子并最终转换为我们测量的电压信号的地方。  韦伯需要极其灵敏的探测器来记录来自遥远星系、恒星和行星的微弱光线。   它需要大面积的探测器阵列(图 3)来有效地观测太空。  韦伯项目制造了比前代产品噪音更低、尺寸更大、寿命更长的阵列,扩展了红外探测器的先进技术。


  upload_downloader_1658237870732_42781327.jpeg  

图 3:该图显示了四个 0.6 - 2.5 μm NIRCam H2RG 传感器安装在焦平面模块中。  四个检测器中的每一个都类似于图 1 中所示单元。该图显示了黑色光学挡板,它允许光线进入四个检测器,同时阻止光子撞击任何可能反射的表面,例如检测器的边缘。   图片来源:亚利桑那大学/美国宇航局

近红外和中红外的不同探测器

Webb 使用两种不同类型的探测器:用于 0.6-5 μm“近红外”的碲汞镉(缩写为 HgCdTe)“H2RG”探测器和用于 5-28 μm“的砷硅(缩写为 Si:As)探测器”中红外”。  近红外探测器由加利福尼亚的 Teledyne Imaging Sensors (特利丹公司)制造。  “H2RG”是 Teledyne 产品线的名称。   中红外探测器由同样位于加利福尼亚的 Raytheon Vision Systems (雷神公司)制造。  每个 Webb H2RG 探测器有大约 400 万像素。  中红外探测器每个大约有 100 万个像素。 


HgCdTe 是一种非常有趣的材料。  通过改变汞与镉的比例,可以调整材料以感应更长或更短波长的光。 韦伯通过使用两种碲汞镉组合实现了这一点:一种波长在 0.6 - 2.5 微米范围内,汞比例较低,另一种波长在 0.6 - 5 微米范围内,汞含量较高。  这种技术具有许多优点,包括可以定制每个 NIRCam 检测器,以在需要的特定波长上实现峰值性能。  下图表1显示了每台仪器中每种类型的检测器数量。 

  detectortable1.jpg

深入

韦伯探测器架构

韦伯的所有探测器都具有相同的基本三明治式架构(图 4)。  三明治由三个部分组成:

(1) 薄半导体吸收层,

(2) 一层铟柱互连,将吸收层中的每个像素连接到读出器,

(3) 硅读出集成电路 (ROIC),用于读出数百万像素使用可管理数量的输出。 

吸收层和硅ROIC是分开制造的。   这种分离允许对过程的每个部分进行仔细调整以适应所使用的材料。  铟是一种软金属,在中等压力下会变形,从而在探测器层和 ROIC 之间每个像素形成一个冷焊。 为了提高机械强度,检测器供应商在键合的后期阶段在铟键之间流动低粘度环氧树脂。


图 4:詹姆斯韦伯太空望远镜使用红外探测器混合体。  像素化吸收层(HgCdTe 或 Si:As)吸收光并将其转换为单个像素中的电压。   铟柱互连将吸收层中的像素连接到 ROIC。  ROIC 包含读出电路,可将超过 100 万像素的信号裁剪至少量读数,以供进一步处理。   图片来源:Teledyne 成像传感器

  upload_downloader_1658238598667_15118478.jpeg     


韦伯探测器如何工作?

检测过程的第一步在近红外 HgCdTe 探测器和中红外 Si:As 探测器中是相同的。  入射光子被半导体吸收,产生移动电子空穴对。  它们在内置和外加电场的影响下加速移动,直到它们被后续电路收集处理


在复位之前,可以多次读取韦伯探测器中的像素。 这提供了几个好处。  与只进行一次读取相比,可以将多次读取的结果叠加在一起以减少读取噪声。 另一个优点是,通过使用同一像素的多个样本,可以看到信号电平的“跳跃”,这是宇宙射线干扰像素的迹象。 一旦知道宇宙射线干扰了像素,就可以在基于地面的处理中应用校正来恢复受影响的像素。


专业文献

有关红外天文学探测器的一般介绍,请参见 Rieke, GH 2007,“天文学红外探测器阵列” ,天文学和天体物理学年度评论,卷。 45,第 77-115 页      

有关飞行候选 NIRSpec 探测器的科学性能的概述,请参阅 Rauscher、BJ 等人。 2014,“Webb 近红外光谱仪的新型更好探测器” ,太平洋天文学会出版物,第 126 卷,第 739-749 页        


点评:

后面的两篇论文, 点开的网址需要付费下载, 但是善用搜索器, 很快就找到了(白嫖)pdf

这里直接上传上来:

attachment icon Rieke2007ARAA45p77.pdf 256.00KB PDF 91次下载 预览

看了一下,JWST的传感器是2007年就研制出来的, 1024x1024恐怖的分辨率, 差距10年还有多得

另外搞这玩意Teledyne Imaging Sensors公司现在有2048 x 2048分辨率的传感器了

attachment icon H2RG Brochure - September 2017.pdf 608.90KB PDF 71次下载 预览

确实 sticker


不过考虑韦伯望远镜每一块巨大的铍镜, 各种镀金材料, 传感器可能反而是最不值钱的元件

[修改于 6个月20天前 - 2022/07/20 08:30:50]

来自:电子信息 / 电子技术宇宙和天文 / 天文与空间科学航空航天 / 航天技术严肃内容:专业科普
1
 
15
银河水手
5个月6天前 IP:广东
1楼

博主有研究过,中红外的增倍镜没有

引用
评论(1)
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

smith
学者 机友 笔友
文章
174
回复
2123
学术分
4
2015/01/11注册,1时12分前活动

收音机爱好者

主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:广东
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
加入关注取消关注
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}