Electron multiplying charge-coupled device

Die Verstärkerstufe eines EMCCD besteht aus einer Reihe von Multiplikationsregistern, die die im CCD erzeugten Photo-Elektronen sukzessive durchwandern. Die hohe Spannung, die an diese Register angelegt wird, induziert weitere Elektronen durch Stoßionisation.

Ein {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) (englisch, EMCCD) - auch bekannt als Low Light Level^[1] CCD, LLLCCD^[1], L3CCD^[2], oder {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) - ist ein CCD, bei dem eine Elektron-Multiplikator-Strecke direkt vor dem Ausgangsverstärker implementiert ist. Daher der Name electron multiplication, auf deutsch Elektron Multiplikation bzw. Vervielfachung.

Aufbau und Funktion

Die Verstärkerstrecke besteht aus einer großen Anzahl ladungsgekoppelter Schieberegister. In jedem Schieberegister werden die Anzahl der Elektronen durch eine Stoßionisation, ähnlich dem Effekt bei einer Avalanchediode erhöht. Die Wahrscheinlichkeit einer Stoßionisation in jeder Stufe ist relativ klein (P < 2 %), aber da die Anzahl der Stufen N groß (typisch > 500) ist, kann die Gesamtverstärkung große Werte annehmen g = (1 + P)^N: ein Elektron am Eingang erzeugt tausende Elektronen am Ausgang. Das Verstärkungsverhalten von Multiplikationsregistern mit vielen Stufen und einer hohen Gesamtverstärkung kann durch folgende stochastische Gleichung gut angenähert werden:

P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)

für

n\geq m

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Anzahl der aus der Verstärkerstufe mit Verstärkungungsfaktor=1000 austretenden Elektronen für 1–8 eintretende Elektronen. Auf der Abszisse aufgetragen ist die Anzahl der austretenden Elektronen; die Ordinate zeigt die Wahrscheinlichkeit für diese Anzahl und ist logarithmisch dargestellt. Zum Vergleich dargestellt sind die Resultate der empirischen Formel auf dieser Seite.

wobei P(n) die Wahrscheinlichkeit für n Ausgangselektronen bei m Eingangselektronen und einer Gesamtverstärkung von g ist.

Das Eingangsrauschen von Auswerteschaltungen von CCDs besitzt meist einen Pegel von einigen zehn Elektronen, während das Signal von EMCCDs aufgrund der Verstärkung im Gegensatz zu normalen CCDs deutlich darüber liegt. Auf diese Weise ergibt sich ein Bildaufnehmer mit vernachlässigbarem Ausleserauschen. Letztlich ist das effektive Ausleserauschen im Signal-zu-Rausch Verhältnis um den Multiplikationsfaktor kleiner. Dadurch können selbst einzelne Photonen nachgewiesen werden.

EMCCDs besitzen eine ähnlich hohe, teilweise auch größere Empfindlichkeit als ein {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) (iCCD). Bei beiden schwankt jedoch aufgrund des stochastischen Verstärkungsprozesses die Verstärkung; die exakte Verstärkung einer Pixelladung schwankt von Mal zu Mal. Bei hohen Verstärkungen (> 30) hat diese Schwankung den gleichen Effekt bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnis wie eine Halbierung der Quanteneffizienz. Bei geringen Beleuchtungsintensitäten (bei denen die Empfindlichkeit am wichtigsten ist) überwiegt jedoch der Vorteil, den man durch das geringere Ausleserauschen erhält. Insbesondere in Applikationen, in denen man davon ausgehen kann, dass ein Pixel bei einer Belichtung maximal ein Elektron enthält, können diese zuverlässig detektiert werden. Durch wiederholte Aufnahmen können auf diese Weise sehr präzise die Anzahl der Photonen bestimmt werden.

Anwendungen

EMCCDs werden beispielsweise in Nachtsichtgeräten, bei der astronomischen Beobachtung und in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt.

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 Paul Jerram; Peter J. Pool; Ray Bell; David J. Burt; Steve Bowring; Simon Spencer; Mike Hazelwood; Ian Moody; Neil Catlett; Philip S. Heyes: The LLLCCD: Low Light Imaging without the need for an intensifier. In: SPIE 4306, p. 178 (2001), doi:10.1117/12.426953
↑ Olivier Daigle; Jean-Luc Gach; Christian Guillaume; Claude Carignan; Philippe Balard; Olivier Boisin: L3CCD results in pure photon-counting mode. In: SPIE 5499, p. 220 (2004), doi:10.1117/12.552411
↑ Jaroslav Hynecek: Impactron—A New Solid State Image Intensifier. In: IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 48, issue 10, pp. 2238-2241 (2001), doi:10.1109/16.954460