Optische Detektoren. Andreas Dreizler und Christof Heeger. FG Reaktive Strömungen und Messtechnik Technische Universität Darmstadt

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1 Optische Detektoren Andreas Dreizler und Christof Heeger FG Reaktive Strömungen und Messtechnik Technische Universität Darmstadt

2 Übersicht Einleitung Sekundärelektronenvervielfacher Pyroelektrischer Detektor Photodiode CCD- und CMOS-Detektoren EMCCD-Detektor Beispielexperiment 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 2

3 Einleitung Aufgabe von optischen Detektoren Wandlung elektromagnetischer Strahlung (Photonen) in elektrische Signale Unterscheidung nach Punkt oder Array-Detektoren (1D, 2D) Zeitauflösung Quanteneffizienz (wie viel % des einfallenden Lichts werden in elektrische Signale gewandelt) Sensitiver spektraler Bereich (UV, VIS, NIR, IR) Dynamik Zerstörschwelle Rauschen Dunkelstrom Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 3

4 Sekundärelektronenvervielfacher Prinzip Sekundärelektronenvervielfacher (SEV oder PMT: Photomultiplier) Photon schlägt Photo-Elektron aus einem Kathodenmaterial (Metall), sofern Grenzfrequenz überschritten ist ( siehe photoelektrischer Effekt) Herausgeschlagene Elektronen werden auf eine erste Dynode beschleunigt, wo sie Sekundärelektronen herausschlagen Diese werden auf 2. Dynode beschleunigt usf. Elektronenvervielfachung 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 4

5 SEV Prinzip SEV 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 5

6 SEV Charakteristika Hohe Empfindlichkeit und Dynamik Verstärkungsfaktor bis ~10 6 Je nach Kathodenmaterial empfindlich in einem Bereich von UV bis NIR Kurze Anstiegsflanken im Sub-ns-Bereich möglich, Verschmierung eines kurzen Pulses in der Zeit vorwiegend durch unterschiedliche Wege, die Photo-Elektronen von der Kathode bis zur ersten Dynode zurücklegen 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 6

7 SEV Charakteristika (Fortsetzung) Quanteneffizienz bei ~1-10% stark abhängig von Wellenlänge und Typ abhängig Dunkelstrom wächst nach Richardson-Gleichung gem. I thermisch 2 C T C 2 1 exp kt Austrittsarbeit der Photoelektronen Dunkelstrom kann durch Kühlen und kleine Kathodenfläche minimiert werden 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 7

8 Pyroelektrischer Detektor Prinzip Pyroelektrisches Material zwischen 2 Elektroden platziert, das Laserstrahlung absorbiert (Kondensator) Bei Temperaturänderung ändern sich im pyroelektrischen Material die dielektrischen Eigenschaften Ist zwischen den Elektroden eine Spannung U angelegt, so ändert sich diese in Abhängigkeit der Dielektrizität Diese Spannungsänderung wird verstärkt Pyroelektrische Detektoren sprechen auf zeitliche Änderung an (Temperaturänderung Spannungsänderung) Geeignet, um Energie von Laserpulsen zu messen 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 8

9 Pyroelektrischer Detektor Aufbau Q 0 A C U d A: Fläche Kondensator d: Abstand Kondensatorplatten C: Kapazität Q: Ladung (hier konstant) : Dielektrizität 0 : Dielektrizitätskonstante U Qd A Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 9 ändert sich bei Bestrahlung

10 Photodiode Photodioden sind Halbleiterelemente, die bei Bestrahlung ihre 1. Leitfähigkeit ändern und damit als Photowiderstände verwendet werden (Photoleiter) oder eine 2. Photospannung erzeugen und damit als lichtabhängige Spannungsquellen fungieren (Photovoltaische Detektoren) 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 10

11 Photodiode Energiezustände im Silizium ( 14 Si) Energie Aufspaltung 4s Leitungsband 3p Valenzband im Einzelatom im Kristallatom 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 11

12 Photodiode Energiezustände im Silizium ( 14 Si) Energie Aufspaltung 4s Leitungsband 3p E g Valenzband im Einzelatom im Kristallatom 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 12

13 Photodiode Energiezustände im Silizium ( 14 Si) Energie Aufspaltung 4s 3p hυ Leitungsband E g Valenzband im Einzelatom im Kristallatom 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 13

14 Photoleiter Vereinfachte Darstellung, passives Element Absorption eines Photons mit hn>e G hebt Elektron aus Valenz- ins Leitungsband Dadurch entsteht ein sog. Elektron-Loch-Paar, das die elektrische Leitfähigkeit erhöht (und damit Ohmschen Widerstand vermindert) innerer photoelektrischer Effekt Absorption bei kleineren Frequenzen durch Dotierung der Halbleiter, die in der Bandenlücke sog. Donatoren-oder Akzeptoren-Zustände schaffen Entstehung von Elektron-Loch Paaren schon bei geringeren Photonenenergien 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 14

15 Photodiode Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 15

16 Photodiode Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e - n-dotierung p-dotierung 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 16

17 Photoleiter Schaltung eines Photoleiters Spannungsteiler, der Licht-abhängig arbeitet Photoleiter ist passives Element, das äußere Spannungsquelle benötigt 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 17

18 Photodiode Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 18

19 Photodiode Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e - Elektronendiffusion 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 19

20 Photodiode Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e Raumladung + - Diffusionsspannung V d 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 20

21 Photovoltaischer Detektor Beim Anlegen einer äußeren Spannung ändert sich Feldstrom I und es ergibt sich folgende typische Kennlinie (ohne Beleuchtung) sog. Sättigungs- Dunkelstrom DV 0 Wird nun zusätzlich Licht eingestrahlt, entstehen in der Grenzschicht weitere Elektron-Loch-Paare, wobei Elektronen als Folge der Diffusionsspannung in den n-bereich und Löcher in den p-bereich wandern Die Raumladung ändert sich um den Betrag DV 0 (Photospannung) an den offenen Enden des Halbleiters (siehe Bild oben bei I=0) 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 21

22 Die Photodiode Potential [V] + e - L + Dotierung: n Phosphor p Bor Ladungstrennung hυ - e - L + Länge n Raumladung + - p I = > Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 22

23 Photovoltaischer Detektor Werden die offenen Enden kurzgeschlossen, so fließt der Kurzschluss- Photonenstrom I photonen ea mit e Elementarladung, Quantenausbeute A photoemfindliche Fläche, Intens. Flußdichte hn Legt man äußere Spannung U an, so wird Gesamtstrom allgemein gegeben durch (Kurvenverlauf vorheriger Grafik) I ev Bei offenem Schaltkreis wird I=0 und man erhält Leerlaufspannung kt I photonen U 0 0 ln photonen I DV 1 e 2 exp CT evd kt 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 23 exp eu I photonen 2 CT exp D 1 kt Fazit: Spannungsänderung ist ein Maß für Beleuchtungsstärke kt

24 Photovoltaischer Detektor Kennlinie: Spannungsänderung (bzw. Stromfluss) als Funktion der Beleuchtungsstärke Linearität prüfen! 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 24

25 CCD- und CMOS-Detektoren CCD: charge coupled devices CMOS: complimentary metal oxide semiconductor 1D- oder 2D-Array-Detektoren, linear oder in einer Fläche angeordnete Pixel Unterscheidung in front- bzw. backside illuminated CCD 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 25

26 CCD- und CMOS-Detektoren Die Photodiode Genereller Aufbau eines CCD CMOS-Architektur CCD vs. CMOS Bildverstärkung 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Institut Dr. RSM A. Dreizler, 26 Dipl.-Ing. C. Heeger 26

27 Die Photodiode Potential [V] + Ladungstrennung - Länge n Raumladung p 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 27

28 Die Photodiode + - Ladungstrennung n Raumladung p 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 28

29 Genereller Aufbau - Länge Potential [V] Quarzglas + ++ Polykristallines Silizium H n(-) p(-) p(+) Gates Gatebeschaltung H1 H2 H3 H1 H2 H3 TX (Transfergate) µm 500 µm (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 29

30 Belichtung - Länge Potential [V] Pixel (3-phasig) n(-) e - L + p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 30

31 Blooming Übersprechen auf Nachbarpixel - Länge Potential [V] n(-) e - L + p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 31

32 Ladungstransfer - Länge Potential [V] n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 32

33 Ladungstransfer - Länge Potential [V] n(-) p(-) p(+) n(+) ++ Abtastknoten (sense node) n(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 33

34 Ladungstransfer - Länge Potential [V] n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 34

35 Ladungstransfer - Länge Potential [V] / / / n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 35

36 Ladungstransfer - Länge Potential [V] n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 36

37 Blooming bei zu steiler Flanke - Länge Potential [V] n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 37

38 Ausleseelektronik - Potential [V] Länge Ladungsmenge sehr gering + ++ Reset-Schalter [V] n(-) n(+) Ausgangsverstärker p(-) p(+) Messsignal U [V] (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 38

39 Der Feldeffekttransistor I D U GS5 U GS4 U GS3 Source Gate Drain G D I D U GS2 U GS1 S G D S n(-) U DS n(+) n(+) G D I D p(-) S p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 39

40 Der Feldeffekttransistor als Gleichstromquelle I D U GS5 U GS4 U GS3 Gleichstromquelle U GS = konst. U DS > U DS,krit. I D = konst. variabler Widerstand G D I D I GS2 n(-) U GS2 U GS1 U DS S G D n(+) n(+) G S D I D p(-) S p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 40

41 Der Feldeffekttransistor als Source Folger I D U GS5 U GS4 Source Folger I D = konst. U DS > U DS,krit. D U GS3 U GS = konst. G I D I GS2 n(-) U GS2 U GS1 U DS S G D n(+) n(+) G S D I D p(-) S p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 41

42 Der Feldeffekttransistor als Schalter I D U GS5 U GS4 U GS3 Schalter U GS = 0 I D = 0 Schalter ist aus U GS = konst. I D ~ U DS Schalter ist an G D I D n(-) U GS2 U GS1 U DS S G D n(+) n(+) G S D I D p(-) S p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 42

43 Ausleseelektronik FET3 Schalter VREF FET2 Source Folger VDD FET1 sorgt als Gleichstromquelle für einen konstanten Strom von Erde nach VDD. n(+) Reset-Schalter Ausgangsverstärker Messsignal U [V] n(+) RS VBIAS VOUT Je nach Menge der Ladungsträger auf dem Abtastknoten, stellt sich in FET2 eine Spannung zwischen Abtastknoten und VOUT ein, die die Spannung zwischen VDD und VOUT durch den vorgegebenen Strom steuert. VOUT kann dann gegen Erde abgetastet werden. FET1 Gleichstromquelle Durch Schalter FET3 können die Ladungen nach dem Auslesen von VOUT wieder abfließen. 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 43

44 Verbesserung der QE UV-Photonen Absorption im Polysilizium-Gate Keine QE Keine Abbildung VIS-Photonen Absorption in der Verarmungszone hohe QE Gute Abbildung 532nm ~50% NIR-Photonen Absorption im Substrat geringe QE Schlechte Abbildung Reset-Schalter n(-) p(-) p(+) n(+) Ausgangsverstärker Messsignal U [V] (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 44 -

45 Verbesserung der Quanteneffizienz Back Side Thinning Ätzen des Substrates Beleuchtung der Rückseite Keine Absorption in den Gates Höchste QE, auch im UV Coating Aufdampfen einer dünnen Schicht ~1µm Absorption von UV in Schicht Re-emission von VIS-Photonen Erweiterte QE im UV Reset-Schalter n(-) p(-) p(+) n(+) Ausgangsverstärker Messsignal U [V] 532nm ~95% 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 45 -

46 Quanteneffizienz (QE) Quanteneffizienzen verschiedener state-of-the-art frontside illuminated CCDs 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 46

47 Verbesserung der QE QE verschiedener backside illuminated CCDs (Bezeichnung in Grafik BU und BV) 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 47 -

48 Einfacher Linearsensor n(-) p(-) p(+) n(+) Aluminium Reset-Schalter transparente gates abgeschirmte gates sense node Ausgangsverstärker Messsignal U [V] Ansicht von oben 1 Pixel (3-phasig) 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 48 H1 H2 H3 TX

49 Full Frame CCD p(+) Sperrschicht 1 Pixel (3-phasig) Reset-Schalter Ausgangsverstärker Messsignal U [V] V1 V2 V3 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 49 H1 H2 H3 TX

50 Frame Transfer CCD V1up V2up V3up Reset-Schalter Ausgangsverstärker V1 V2 V3 Messsignal U [V] 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 50 H1 H2 H3 TX

51 Bemerkungen zur Dynamik Jedes Pixel wird in Abhängigkeit der lokalen Bestrahlung elektrisch geladen (Ladung Q) Pro Pixel gibt es eine maximale Kapazität, die vor allem von den Abmessungen des Pixels abhängen (typische Werte 20x20 µm) Diese maximale Kapazität wird als linear full well bezeichnet, typische Werte liegen zwischen und e - Auf jedem Pixel existiert auch Rauschen, vor allem Ausleserauschen und sog. Photonenrauschen Dieses Rauschen limitiert den echten dynamischen Bereich i.d.r. unter die bei der Digitalisierung eingesetzte Dynamik (bis zu 16 bit) 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 51

52 Bemerkungen zur Dynamik Beispiel Linear full well e - maximales Signal Ausleserauschen 10 e - rms (Photonenrauschen wird an dieser Stelle der Einfachheit halber nicht berücksichtigt, außerdem sei Dunkelstrom auch vernachlässigbar dies gilt vor allem bei kurzen Belichtungszeiten und gekühltem CCD) minimales Signal Echte Dynamik = maximales Signal/minimales Signal Dynamik , bit 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 52

53 Signal-Rausch Verhältnis (SNR) Bemerkungen zum Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) Rauschen berechnet sich aus Anteil Dunkelstrom, Ausleserauschen und Photonen(Signal)rauschen Rauschen Ausleserauschen Dunkelstromrauschen Photonenrauschen Bei kurzen Belichtungszeiten ist Rauschen des Dunkelstroms vernachlässigbar Bei hohen Signalen ist Ausleserauschen auch vernachlässigbar, dann gilt mit Zahl der Ladungsträger N (proportional zu Photonenzahl) auf einem bestimmten Pixel Rauschen N Für Signal gilt SNR: Signal N SNR Bei geringen Signalintensitäten spielt aber immer auch das Ausleserauschen eine Rolle N N N 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 53

54 CMOS Schematischer Aufbau eines CMOS Pixel Reset-Schalter Ausgangsverstärker Reihen- Wahlschalter Messsignal U [V] TX 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 54

55 CMOS Aufbau eines CMOS Pixel Transistoren auf dem Pixel reduzieren den Füllfaktor A A sensitive pixel Mikrolinsen werden genutzt, um das einfallende Licht auf die photosensitive Zone zu lenken 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 55

56 CMOS VREF VDD VREF VDD VREF VDD RS RS RS ROW select TX TX TX VREF VDD VREF VDD VREF VDD RS RS RS ROW select TX TX TX VBIAS VBIAS VBIAS COLUMN select Multiplexer VOUT 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 56

57 CCD vs. CMOS + CMOS einstellbarer aktiver Bereich schnelles paralleles Auslesen - CMOS Räumliche Inhomogenitäten wegen Fertigungstoleranzen in einzelnen Pixeln Offset Nichtlineare Kennlinie 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 57

58 CCD vs. CMOS Pixelhomogenität Signal- Rausch- Verhältnis Geschwindigkeit Arbeitspunkteinstellung CCD sehr gut ein Ausgangsverstärker Gut ohne Kühlung Sehr gut mit Kühlung Langsam alle Ladungen werden zu einem Ausgangsverstärker geschoben (~ 10 Hz) Höher Arbeitspannung, größerer Regelbedarf CMOS Mittelmäßig ein Verstärker pro Pixel Mittelmäßig Viel Elektronik auf kleinem Raum (thermische Einflüsse) Sehr schnell Auswertungselektronik auf jedem Pixel (~ 600 khz) Konstant, niedrige Arbeitsspannung über alle Betriebsbereiche Fensterung Begrenzt möglich Einfach realisierbar Blooming ja nein 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 58

59 Bildverstärkung Prinzip der Restlichtverstärkung Kamerachip Messobjekt hν e - Multi Channel Plate e - Phosphor hν Photokathode Hochspannung MCP arbeitet nach dem Prinzip der Sekundärelektronenvervielfachung Gain = 40 % Gain = 50 % Gain = 65 % 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 59

60 EMCCD (electron multiplying CCD) Teils Alternative zu intensivierten Systemen Besonderheit Ladungsverstärkung findet nicht in einem MCP vor der CCD/CMOS statt, sondern zwischen Verschieberegister und Vorverstärker in einem speziellen Verstärkungsregister 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 60

61 EMCCD Im Verstärkungsregister (bestehend aus den Elektroden R1, R2, R3, s. Bild nächste Folie) können sehr große Potentialdifferenzen im Unterschied zu normalen Schieberegistern erzeugt werden, die keine so hohe Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden aufweisen Wird ein Elektron in einen tiefen Potentialtopf verschoben kommt es zu dem sog. Avalanche-Effekt ( impact ionization) und damit zur Erzeugung neuer Elektronen Verstärkungsfaktor liegt pro Pixel-Übergang bei ca. 1,015, ist also gering Daher wird der Prozess häufig wiederholt (~ mehrere 100 mal), um große Verstärkungsfaktoren von bis zu 1000 zu erhalten 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 61

62 EMCCD Veranschaulichung des Avalanche-Effektes im Verstärkungsregister Verschieben Verstärken Typische Quanteneffizienz 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 62

63 EMCCD Vorteile Während ICCD in Folge zu hoher Strahlungsbelastung relativ leicht zerstört werden kann, kann dies bei EMCCD nicht passieren Bei Kleinsignalen kann bei konstantem Ausleserauschen die Ladungsmenge verstärkt werden und damit das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert werden 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 63

64 Beispiel (1/3) High Speed OH-PLIF Planare Laser-induzierte Fluoreszenz Verbrennungsradikal OH: Flammenfrontmarker 10 khz Aufnahmerate (Laser und Kamera) 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 64

65 Beispiel (2/3) TECFLAM Drallbrenner Methan/Luft vorgemischt NO X Reduktion Problem: Flammenrückschlagen Flammeneigenleuchten fps High Speed CMOS Kamera mit Bildverstärker 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 65

66 Beispiel (3/3) Ziel der Untersuchungen Messtechnik innerhalb der Düse testen Hinweise auf Mechanismus des Flammenrückschlags finden Flammenrückschlag unterdrücken Flammeneigenleuchten fps OH-PLIF fps Flammenstruktur in Wandnähe Flammenfortschritt entgegen Hauptströmungsrichtung sichtbar Übereinstimmung mit Theorie über Flammen in Wirbelröhren Hinweis auf lokale Tiefdruckgebiete Unterstützt Strömungsablösung in Wandgrenzschicht 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 66

67 Werbung Bachelor und Master Theses Interessante optische Messtechniken Laser-induzierte Fluoreszenz Particle Image Velocimetry Thermografische Phosphoren Raman / Rayleigh Spektroskopie Interessante Untersuchungsobjekte Gasturbinen Brennkammer Optischer Motor Wandnahe Verbrennung Bei Interesse meldet Euch direkt bei uns! 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 67

68 Ende Geschafft! 19. Mai 2011 Fachbereich MB Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger 68