英國Raptor公司EMCCD相機(jī)“EMCCD增益解析”

　　英國Raptor公司EMCCD相機(jī)，EMCCD(Electron Multiplying CCD)，即電子倍增CCD，通常用來探測一些經(jīng)常被淹沒在噪聲里的微弱信號(hào)，雖然傳統(tǒng)的CCD也可以探測這些信號(hào)，但是通常需要較長的曝光時(shí)間(整合可探測的信號(hào))和緩慢的讀出速率(降低噪聲)，而EMCCD通過電子倍增的方式，可以用更短的曝光時(shí)間以及更高的讀出速率完成同樣的工作。
 

　　英國Raptor公司EMCCD相機(jī)，EMCCD的工作原理與普通CCD的區(qū)別在于其讀出寄存器后面增加一個(gè)增益寄存器，從而將電子信號(hào)放大，即利用電子在轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的“撞擊離子化”效應(yīng)，從而產(chǎn)生新的電子。EMCCD的工作過程分為5個(gè)步驟：
 

　　1.在積分周期內(nèi)，成像區(qū)將光子轉(zhuǎn)化成電荷；
 

　　2.成像區(qū)電荷轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)；
 

　　3.存儲(chǔ)區(qū)電荷轉(zhuǎn)移到讀出寄存器；
 

　　4.讀出寄存器電荷轉(zhuǎn)移到增益寄存器，并在其中進(jìn)行電子倍增；
 

　　5.倍增后的電荷通過讀出放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出。
 

　　在第4步中，對(duì)增益寄存器施加高電壓，在電子通過時(shí)由于碰撞電離效應(yīng)產(chǎn)生新的電子，這樣，經(jīng)過多次累加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電子的倍增。雖然每次倍增率g都非常小，但是經(jīng)過n次增益寄存器的轉(zhuǎn)移，總增益會(huì)非常可觀。由此可以看出，總增益取決于倍增次數(shù)n和每次的倍增率g，并且總增益值只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值而非一個(gè)確切的數(shù)字。
 

　　由于信號(hào)電子在增益寄存器中通過“撞擊離子化”效應(yīng)產(chǎn)生新的電子，隨著使用時(shí)間的增加，半導(dǎo)體材料會(huì)不斷的減少，為了維持較高的增益G不變，增益寄存器上的偏置電壓需要不斷增加，然而電壓不可能無限制上升，因?yàn)樗艿窖趸瘜訐舸l件的限制。這種情況下，英國Raptor公司EMCCD相機(jī)可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器精確控制電子倍增寄存器產(chǎn)生的特定的高增益，也可以通過降低探測器的溫度增加信號(hào)電子在增益寄存器中的增益倍率，從而在增益寄存器施加低電壓的情況下得到一個(gè)較高的總增益，并且大大提高了探測器的壽命。