CCD

1.56m望远镜新CCD照相机系统 陶隽 俞健 钱伯辰 邵松臣 梁兆刚 潘红鉴 曹凯 戴元龙 (中国科学院上海天文台，上海200030) 提 要 介绍了安装在1.56m望远镜上的新CCD照相机系统，包括CCD的量子效率、增益、控制器、观测程序以及滤光片的情况，为使用1.56m望远镜的天文学家提供所需的参数。 主题词： CCD－量子效率－增益－滤光片 一 引言 电荷耦合器件CCD自二十世纪60年代末出现以来，以其良好的线性，高量子效率(QE)，大的动态范围以及数字化等优点在天文观测中开始发挥巨大的作用。上海天文台1.56m望远镜在1994年配备了美国Photometric 公司的series 200 CCD照相机。然而，CCD的技术发展很快，原先的CCD已经不能满足天文观测对大视场和高量子效率(QE)的要求。2000年12月我们的CCD设备改造项目获得中国科学院综合计划局装备处的批准，开始新CCD的研制。我们购买了SITe 公司的2块科学级的芯片，然后在美国Lick天文台CCD实验室进行CCD照相机的安装，包括CCD控制器、观测程序。因为时间所限，我们只参加了调试和性能测试过程。新CCD照相机于2002年4月底完成，5月24日运到国内，然后在1.56m望远镜上进行最后调试，整个项目于2002年8月完成，投入使用。为了望远镜的观测者使用方便，我们将新CCD照相机系统的有关参数在这里汇编成文。 二 CCD照相机系统的有关参数 新CCD照相机的芯片尺寸是49.125mm×49.125mm，而老的CCD芯片是19.5mm×19.5mm，因而老系统的一整套设备都不再适用于新CCD。为此，我们重新 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了相关部件，包括望远镜的接口、滤光片的转盘、滤光片、快门、以及杜瓦瓶。关键部件CCD芯片和控制器由美国进口。下面我们作具体介绍。 1. CCD芯片 CCD芯片是两块相同型号的背光照明薄片CCD，为科学级二级。芯片表面镀有光学波段防反射膜，可以使用MPP（Multi-Phase pinned）技术降低暗流。结合SITe 公司给出的参数和美国Lick天文台CCD实验室测试的结果，我们将主要技术参数列在表一： 表一 主要技术参数 芯片型号 SITe SI-424AB 芯片尺寸 2048×2048 象素大小 24μm×24μm 电荷转移效率 0.99999 满阱电荷 330,000 e- 读出噪声 4-5e- 量子效率 见图1 量子效率(QE)是温度的函数，图1给出的是我们在Lick天文台的CCD实验室所测的QE值。具体的做法是将CCD照相机冷却到-90℃，用两种光源，一种是紫外灯，产生5000埃以下波长的光；一种是白炽灯，产生6000埃以上波长的光。使用一组滤光片，波长分别是3200；3500；4000；4500；5000；6000；6500；7000；8000；9000；10000；10500和11000埃。用一个校准过的光二极管，它在上述波长都有准确的QE参数。对每一个波长的滤光片，灯光通过同样的光学系统，先在光二极管上测定电压输出，然后立即测量CCD的输出，这样比较测量就可以得到CCD的QE了。 2. CCD控制器和观测程序 控制器和观测程序都由美国加州大学Lick天文台CCD实验室提供的。该实验室是世界公认的最好的研制天文用CCD照相机的实验室之一。 （1）CCD控制器 这台CCD照相机的控制器是目前世界上先进的。Lick天文台的望远镜和Lick 天文台CCD实验室都使用与我们同样的控制器。Keck望远镜的导星系统也准备采用同样的控制器，正在实验之中。另外，中国科学院国家天文台也有四套相同的CCD控制器。 （2） 观测程序 新的观测程序和原来的观测程序相比有较大的优越性，我们将之列于表二。 表二 新老观测程序对比表 新观测程序 原观测程序 CCD数据采集软件使用c语言编写，有源程序，可以根据自己的要求修改。 没有源程序，无法修改。 产生的文件是fits格式，无需转换。 文件是photo格式，需要转换。 文件头包含了许多观测信息 文件头观测信息少 操作系统采用Linux，使用微机，成本低，便于维护，速度快。 操作系统采用Unix，使用Sun工作站，成本高，速度慢。 数据的传输通过光缆，速度达200Mbit/s。 电缆传输数据 有三种读出速度可以选择。 一种读出速度 可以两个放大器同时读出，读出速度快 一个放大器读出 有Overscan区域 没有 可以中断曝光立即读出，也有暂停－恢复曝光的功能。 没有 可以选择窗口读出，只读天文学家感兴趣的区域。也可合并象素读出。 只能全幅读出，不能合并象素 软件和硬件可以和Lick天文台保持同步升级，核心程序通过因特网传输过来。 不能升级 CCD芯片的温度在计算机上实时显示。 不能 3. 增益和噪声 CCD照相机工作时的增益(gain)和噪声也在Lick天文台的CCD实验室测试完成。CCD的增益是用Fe 55的X射线源测试的。将X射线源放置在CCD的上方，开始曝光，结束后，将X射线源移开。每个X射线光子事件将产生1620个电子,在CCD上产生相应的ADU计数N，则gain＝1620/N(e-/ADU)。噪声由bias的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 偏差和增益相乘所得。增益和噪声分别列于表三和表四。表三给出了两架CCD照相机分别在左右放大器下用慢速、中速和快速读出数据时三档增益的数值。表四给出了两架CCD照相机在使用不同放大器，不同档增益和不同的读出速度时CCD整机噪声值。可以看出，除了快读出模式，其余模式的噪声都在13e-以下，噪声较小。 4. 杜瓦瓶 杜瓦瓶是我组设计、交通大学制作的，装拆和维护都十分方便。杜瓦瓶的容积有2升。在真空保持较好的情况下，－100℃以下状态可以维持约20小时，满足了一整夜观测不需另加液氮的要求。有加热装置，在温度-110℃―-100℃时可以调节到-100℃的工作温度。 5. 滤光片 为使我们的测光系统与标准Johnson系统尽可能接近，我们采用了Bessell(1990)对CCD作为探测器所需的滤光片组合的建议。具体情况如下： U：1mmUG1+1mmBG39+3mmWG305 B: 2mmGG385+1mmBG12+2mmBG39 V: 2mmGG495+3mmBG39 R: 2mmOG570+3mmKG3 I: 3mmRG9+2mmWG305 U B V R I 理论值（Bessell 1990） 370 420 530 600 800-810 Schott公司的值 370 430-435 520-525 595 785-790 测量值 375 425 515 615 795 滤光片的玻璃购自德国Schott公司。各种牌号的玻璃经过切割、研磨、胶合后就组成了所需的滤光片。做好以后，我们将滤光片送到国家天文台南京天文光学技术研究所进行测试。使用VIS－723型分光光度仪测量滤光片的透过率，步长是5纳米。各滤光片的透过率曲线见图2－图6，分别代表UBVRI五种滤光片。其中圈表示实际测量的数值，点表示Schott公司给出的值。从这些图可以看出在U波段有较大的差别，在其它波段只有较小的差异。这可能与使用的胶合剂对短波段的吸收有关。我们还计算了UBVR滤光片透过率实测曲线和Schott公司的曲线下的面积之比分别是0.723,0.96,0.887,0.918和0.953，而I滤光片因为测量仪器的限制只能截止到800纳米，所以面积之比也计算到该处。表五给出了各滤光片透过率极大处的波长，峰值波长的差异不大。 表五　滤光片透过率极大处的波长(nm) 滤光片安装在转盘中，它的定位精度在0.085mm以内，相当于3.5像素。 关于CCD的线性测试和滤光片的快门效应，可以参见姚保安同志的文章，这里不再赘述。 致谢：感谢Lick天文台CCD实验室Richard Stover 与魏名智两位研究员在测试CCD时给予的指导和帮助；感谢国家天文台南京天文光学技术研究所毛伟军和李挺先生帮助我们测试滤光片的透过率曲线；感谢上海天文台王兰娟研究员在杜瓦瓶石英窗和滤光片的制作方面给我们的大力帮助；感谢国家天文台周旭研究员在杜瓦瓶方面给我们的帮助。 参考文献 1 Bessell M S. PASP, 1990, 102: 1181 2 姚保安　上海天文台年刊，2003，已接受 New CCD camera system of the 1.56m telescope Tao Jun, Yu Jian, Qian Bochen, Shao Songchen, Liang Zhaogang, Pan Hongjian, Cao Kai, and Dai Yuanlong (Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030) Abstract The new CCD camera system mounted on the 1.56m telescope is introduced in this paper. Important parameters of this system are provided for telescope users, including the quantum efficiency, gain, controller, observing program and the filters. Key words CCD－Quantum Efficiency－gain－filter 图一 在Lick天文台CCD实验室测量的CCD量子效率曲线 图二 U滤光片的透过率曲线 图三 B滤光片的透过率曲线 图四 V滤光片的透过率曲线 图五 R滤光片的透过率曲线 图六 I滤光片的透过率曲线 表三 CCD增益表（单位：e-/ADU） #1 CCD （CR 14-01） Gain Left Amplifier Right Amplifier Slow medium fast slow medium fast 0 2.3 4.6 2.3 2.5 4.8 2.3 1 1.1 2.2 1.2 1.2 2.3 1.1 2 0.5 1.0 0.5 0.5 1.0 0.5 3 ------- 0.5 ------- ------- 0.5 0.3 #2 CCD （BR07-01） Gain Left Amplifier Right Amplifier Slow medium fast slow medium fast 0 2.3 4.6 2.2 2.3 4.6 2.3 1 1.1 2.2 1.1 1.1 2.2 1.1 2 0.6 1.0 0.5 0.5 1.0 0.5 3 ------- 0.8 ------- ------- 0.5 ------- 表四 CCD照相机整机噪声表(单位：e-) #1 CCD （CR 14-01） Gain Left Amplifier Right Amplifier Slow medium fast slow medium fast 0 4.7 7.9 21.6 5.7 10.1 31.2 1 4.5 7.2 21.9 5.1 9.2 30.5 2 4.8 7.4 21.0 3.9 6.0 18.6 3 ------- 7.7 ------- ------- 5.2 15.1 #2 CCD （BR07-01） Gain Left Amplifier Right Amplifier Slow medium fast slow medium fast 0 6.8 8.4 20.7 4.7 8.4 21.4 1 6.1 12.2 22.4 4.5 8.1 21.7 2 5.4 7.6 25.2 4.5 7.4 21.9 3 ------- 12.2 ------- ------- 7.6 ------- � EMBED PBrush ��� * 中国科学院综合计划局装备处、上海市科学技术委员会项目（02QA14055）和中国科学院光学天文开放实验室资助课题