Electron Multiplying CCD

Die Verstärkerstufe eines EMCCD besteht aus einer Reihe von Multiplikationsregister, die die Elektronen sukzessive durchwandern. Die hohe Spannung, die an diese Register angelegt wird, induziert weitere Elektronen durch Impact-Ionisation.

Ein EMCCD (electron multiplying CCD, auch bekannt als L3CCD und Impactron CCD) ist ein CCD (Charge-coupled Device), bei dem eine Verstärkerstrecke zwischen dem Shift-Register und dem Ausgangsverstärker implementiert ist. 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 Multiplikationsregister 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 $n \ge m$

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Anzahl der aus der Verstärkerstufe austretenden Elektronen für 1–8 eintretende Elektronen. Auf die 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 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, das Signal von EMCCDs liegt im Gegensatz zu normalen CCDs deutlich darüber. Auf diese Weise ergibt sich ein Bildaufnehmer mit vernachlässigbarem Ausleserauschen. Selbst einzelne Photonen können nachgewiesen werden.

EMCCDs besitzen eine ähnlich hohe, teilweise auch größere Empfindlichkeit als Intensified CCDs. 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.

Sie verdrängen dort aufgrund ihres günstigeren Preises Intensified CCDs, welche jedoch den Vorteil einer schnellen elektronischen Steuerung der Belichtungszeit besitzen.

Weblinks

• First Light Imaging auf Englisch
• Photon etc. EMCCD auf Englisch
• Texas Instruments IMPACTRON CCD auf Englisch
• Unterlagen und weiterführende Informationen über L3CCD, auf Englisch