Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Beleznay Ferenc
MTA MFA
Minden év október eleje különös várakozással teli, hiszen a Nobel-díj Bizottság ekkortájt hozza nyilvánosságra a szakmai Nobel-díjak az évi díjazottjait. Így volt ez az elmúlt évben is. Ma már a napi sajtó gyakorlatilag egyidejűleg teszi közzé a díjazottak névsorát; a jelentősebb hírforrások gyakran a Bizottság kibővített közleményét is, esetleg a szakterület ismert tudósainak a véleményével együtt. A szakmai magazinok ritkább (heti, havi) megjelenésük miatt egy-két hónap elteltével közölnek részletesebb, értékelő ismertetőket. Így történt ez a 2009. évi fizikai Nobel-díj esetében is: folyóiratunk, a Fizikai Szemle novemberi számában, a Hírek- Események rovatban Takács Sándor ismertette a bejelentést és részletesebb indoklását.
Ezért itt most nem ezzel, hanem a díj (különösen annak "CCD része") félvezető-fizikával kapcsolatos kérdéseivel szeretnék foglalkozni és azokkal a gondolatokkal, amelyeket bennem, aki szakmai életének javát ezen a területen töltötte, keltett. A két díj a "Fény mestereinek" szólt, az eredeti sajtóközlemény szerint:
Még mindig a sajtóközleményből idézve: "az ez évi fizikai Nobel-díj olyan tudományos eredményeket jutalmaz, amelyek segítettek a mai, összecsatolt társadalmunkat megalapozni, de nemcsak új, gyakorlati felfedezésekre vezettek a mindennapi élet számára, hanem új eszközöket adtak a tudományos kutatás területén is.
... Ma már az optikai szálak lehetővé teszik, hogy a szélessávú internet, valamint egyéb hír- és adatforgalom szétterjedjen a világban a másodperc tört része alatt. ... Ennek a forgalomnak nagy részét éppen azok a digitális képek alkotják, ... amelyeket az első sikeres leképező eszköz, a CCD tett lehetővé. Ez forradalmasította a fényképezést, és a film kiváltásával megkönnyítette a képek feldolgozását és terjesztését is. ... A CCD-technológiát számos orvosi alkalmazásban is felhasználjuk a test belsejének a leképezésére mind diagnosztikai, mind pedig mikrosebészeti célokra. ... A digitális fényképezés a kutatás számos területén pótolhatatlan eszközzé vált, új lehetőségeket adott, hogy láthatóvá tegyük a korábban rejtett részleteket, így kristálytiszta képeket szolgáltat Univerzumunk távoli helyeiről csakúgy, mint az óceánok mélyéről".
A Nobel-díj honlapján találhatunk egy helyet, ahol a díjakat igyekeznek osztályozni a jellegük alapján - itt találunk, többek között díjakat a klasszikus fizikától a kvantumfizikáig, ide sorolják az elemirész-fizika díjazott eredményeinek egy részét is. Hasonlóan a kondenzált anyagok csoportban találhatjuk a szupravezetés és félvezető alapkutatás díjait. Van egy csoport, a fizika és technológia, ahová mindazokat a felfedezéseket sorolják, amelyeknek nagy hatása volt új technikai eszközök fejlődésére. A legutóbbi díj ebbe a csoportba kerülhet. Akit zavarna, hogy ez esetleg "nem-fizika", nyugodjék meg, hiszen olyan jó társaságban van, mint Gábor Dénes holográfiája, Ruska elektronmikroszkópja, vagy esetleg az újabb időkből Binnig és Rohrer pásztázó elektronmikroszkópja.
Ha valaki a díjra és a díjazottakra is kíváncsi, a Nobel Bizottság ma már gondoskodik arról, hogy ne csak a kiválasztottak hallgathassák meg őket élőben, hanem mi is, itt: http://nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=1182.
A Nobel-díj odaítélése után joggal gyanakodhatnánk, hogy a felfedezés részleteit részben az időbeni nagy távolság (maga a jelenség felismerése kerek negyven éve, 1969-ben történt), részben a díj (jogosan) rendkívüli hírneve némileg eltorzíthatja, ezért próbáljuk meg az eseményeket korábbi forrásokból felidézni.
Az egyik díjazott, George E. Smith 2001-ben, amikor a CCD mint leképező eszköz már elindult világhódító útjára, a Nuclear Instruments and Methods in Physics Research hasábjain leírta a felfedezés "intim" részleteit (The invention of the CCD). Ezt egy kissé színesítve, de még mindig a díjazás előtt megismételte ugyanez a szaklap 2009. április 6-i online számában (The invention and early history of the CCD). A történetet innen idézzük fel.
A Bell Laboratóriumok Elektronika Részlege eszközök kutatásával foglalkozott és két csoportra volt osztva; a félvezető-részleget Boyle vezette, és Smith (itthon talán így mondanánk) osztályvezető volt ebben a részlegben. A másik részleg minden egyéb eszközzel foglalkozott, ide tartozott az abban az évben felfedezett mágneses buborékokon alapuló memória kutatása is. A teljes részleget Jack Morton vezette, aki szerette volna a sokat ígérő buborékmemória kutatását meggyorsítani, és tervezte, hogy a félvezető-kutatás támogatásának egy részét átcsoportosítja. Boylenak egy telefonbeszélgetés során azt a feladatot adta, hogy találjanak egy olyan félvezető eszközt, amely vetélytársa lehet a buborék eszköznek. Másnap, 1969. szeptember elején ebéd után Boyle szobájában a két díjazott közel egyórás gondolkodás után a CCD alapvető struktúráját felvázolta, majd az elképzelhető alkalmazások lehetőségeit is felsorolta.
Az ötlet csaknem magától értetődő volt. A buborékmemória elve azon alapult, hogy bizonyos anyagokban parányi rendezett mágneses tartományok (domének) keletkezhetnek, és ezeket külső (mágneses) terekkel rögzített pályán "körbe" lehet mozgatni, így adott helyen a domének mágnesezettségét (a parányi mágnes irányát) meg lehet változtatni, illetőleg azt "ki is lehet olvasni". Az akkor kizárólag különálló mágneses magokból álló számítógép-memória hálózatokat így egy speciális mágneses anyag felületén, mozgó alkatrészek nélkül lehetett egy soros elérésű parányi memóriába integrálni, és a buborék mérete miatt elvben igen nagy sűrűséget elérni. Ha mindezt félvezető eszközzel kívánjuk kiváltani, akkor a "buborékdoméneket" térben lokalizált töltéscsomagok válthatják fel, amiket parányi MOS-kapacitások őrizhetnek. Persze ha ezeket továbbítani szeretnénk, hasonló egységeket kell olyan közel elhelyezni, hogy közöttük alkalmas helyi potenciálváltozás esetén a töltések egyik helyről a másikra kerüljenek. Hogy a visszafolyást megakadályozzuk, az így sorba rendezett "tartályok", cellák között a megfelelő feszültséglökéseket több - a gyakorlatban három, hogy az egyes elemek között ne legyen keveredés, átfolyás - különböző fázissal valósíthatjuk meg. Ennek sematikus rajzát az 1. ábrán láthatjuk, ahol az egymás közvetlen közelében lévő szomszédos cellák között a töltéseket a megfelelő cellákra adott potenciálok nagysága segítségével tudjuk "áttölteni". Vegyük észre, hogy csakúgy, mint a buborékmemória esetében, itt sem arról van szó, hogy áramköri elemekkel elkülönített kapacitások között végezzük a töltések "tologatását", hanem az egész egyetlen funkcionális eszköz, elvben tetszőleges számú tároló egységgel. Hogy memóriaként használhassuk, csak arról kell gondoskodnunk, hogy a sor elején speciális elemmel az (első) cellát megtöltsük, majd a sor végén, ugyancsak egy speciális elemmel az odatologatott töltésállapotot kiolvassuk.
Miután elvben rögzítették a sematikus felépítést (ennek Smith jegyzetében található kézírásos vázlatát a Nobel Bizottság részletesebb ismertetője is tartalmazza), elhatározták, hogy egy eszközt készítenek, amelyen a fenti működési elvet igazolhatják. Kevesebb mint egy hét alatt Smith munkatársaival elkészítette a maszkokat, és az első kísérleti elemet is előállították, amely még nem tartalmazta a be- és kiíró speciális áramköröket, csak a MOS-kapacitásokat. Az első kapacitásban a töltést termikus generálással hozták létre, majd az utolsóból a szeletbe áttöltött töltést a szubsztrát áramával mérték - ez az apró modell "áramkör" pontosan igazolta az elv működését. Hamarosan egy teljes CCD-eszközt is készítettek, amely 8 elemet tartalmazott, és mint egy shift regiszterrel a teljes működést be lehetett mutatni. 1970-ben mindkét fázist leírták a Bell System Technical Journalban, és itt már a működés lényegét tartalmazó elnevezés - amit az első találkozón találtak ki; charge coupled device (töltéscsatolt eszköz), innen a CCD - is szerepelt. Ezek az első kísérletek a CCD töltéstovábbítás demonstrálására születtek, és a buborékmemória-elv félvezető típusú megvalósíthatóságának igazolására szolgáltak.
A számítógépes fő- és háttérmemória története azonban már körvonalazódott - az egyedileg címezhető (RAM) MOS félvezető memória hamarosan elkészült, és az ilyen irányú egyéb kutatások (a buborék- és a CCD-alapú is) hamarosan tudománytörténeti érdekességgé váltak. Szerencsére a kapacitások "feltöltését" nemcsak elektromos jelekkel, de fénnyel is megtehetjük, így hamarosan az elv a képalkotó rendszerben élt tovább, ma már az elnevezést kizárólag ezzel azonosítjuk. Ezt bizonyítja az is, hogy az eredeti szabadalmat a CCD-eszközről, amit a díjazottak nyújtottak be 1970-ben (a tulajdonos a Bell Laboratóriumok volt), egy éven belül visszavonták és felcserélték egy 1971. novemberi új leírással, amely a képalkotást már expliciten tartalmazza. Innen számíthatjuk a CCD-eszköz feltalálását. Még a történethez tartozik, hogy a Bellben a memóriakutatást a fenti fejlemények miatt hamarosan feladták, és a képtelefon kutatását is (és ezzel a CCD kutatását) abbahagyták. A CCD-nek még hosszabb idő kellett, hogy beérjen. A képtelefon technológiáján dolgozó Western Electric és a Bell óriásvállalat (államilag) korlátozva voltak a szellemi termékek értékesítésében, saját céljukra nem kívánták fejleszteni. Egy ideig (egyik volt munkatársuk közreműködésével) a Fairchild továbbfejlesztette, majd egy időre ott is abbahagyták. A kezdeményezés a japán félvezető cégekhez került, a Sony volt talán az első a mai értelemben vett CCD-eszköz piacra dobásában, és ma is japán, koreai és kínai cégek forgalmazzák a CCD-chipek döntő hányadát.
Hogy a ma már évente milliárd számban gyártott digitális képalkotó áramköri elemeket, azok korlátait és a különböző alkalmazásokra kifejlesztett speciális eseteit megérthessük, kicsit részletezzük a működés fizikai alapjait
. A CCD elemi funkcionális egysége a MOS-kapacitás, amelynek sematikus ábráját és szokásos energiadiagramját egy p-típusú félvezető anyagon a 2. ábra tartalmazza. Itt a kapacitás egyik vezető elektródája egy fémréteg, amelyet a másik vezető (félvezető) "kivezetésétől" egy szigetelő réteg választ el. Ilyen elemet legegyszerűbben egy oxidált felületű szilíciumlapkára leválasztott fémréteggel valósíthatunk meg. Ha ezt a kapacitást áramkörben képzeljük el, mivel a szigetelő rétegen keresztül áram nem folyik, egyensúlyi állapot jön létre, amelyben az elektrokémiai potenciál (Fermi-nívó) állandó. A különálló félvezető anyag és fém elektrokémiai potenciálja (Fermi-nívó) azonban a vákuumhoz rögzítve van, egymástól különböznek, és azt az anyagok felépítése szabja meg. A kapacitásban az állandó Fermi-nívó csak úgy valósulhat meg, ha a szigetelő rétegben és a félvezető határfelületén a különböző potenciálokhoz tartozó értékeket egy beépülő elektrosztatikus potenciálváltozás, elektromos tér kiegyenlíti. Ez a tér a félvezető anyag felületén olyan potenciálváltozást hoz létre, amely helyileg a rendszer állandó Fermi-nívójához képest a lehetséges energianívókat, így a vezetési és vegyértéksávok értékeit is folyamatosan változtatja. Ez a tértöltési tartomány arra vezet, hogy a felület közelében a töltéshordozók lokális koncentrációja eltér az egyébként homogén félvezető anyag belsejében mérhető koncentrációktól.
Ha erre a kapacitásra "feszültséget" adunk, akkor a többletpotenciál a két "fegyverzet" között, a szigetelő és a tértöltési tartomány között oszlik meg a sorba kapcsolt kapacitások törvényei szerint, ha ezeket a rosszabbul vezető "tértöltési" rétegeket is, mint részkapacitásokat képzeljük el. Ez végeredményben arra vezet, hogy külső potenciál alkalmazásával a félvezető határrétegben a (tömbhöz képest) többlet-töltéshordozókat hozhatunk létre, és azok koncentrációját elvben tág határok között tudjuk változtatni. Ha például az ábrán látható p-típusú félvezető anyagot tartalmazó MOS-kapacitás "fém-kivezetésére" pozitív feszültséget kapcsolunk, akkor a félvezetőben lévő nagyszámú lyuk a felület közeléből a tér hatására eltávozik, és egyensúlyban itt a kisebbségi töltéshordozó elektronok lesznek többségben, inverzió jön létre. Ellenkező feszültség esetén a tér a félvezetőben lévő nagyszámú többségi töltéshordozókat vonzza a határ közelében, ott azok feldúsulnak, feldúsulási réteg keletkezik. Az ábrán csak az inverzió esetét ábrázoltuk, az alsó kép felel meg az egyensúlyi esetnek. Természetesen, mint a legtöbb félvezető eszköz esetében, itt is mindkét típusú félvezető anyag lehetséges, n-típusú anyag esetében a polaritások felcserélődnek.
Tudománytörténeti érdekesség, hogy 20 évvel korábban ilyen módon akarták a félvezető anyag felületére helyezett két tű segítségével a vákuumcső szilárdtest- analogonját elkészíteni, ahol is az egyik tű potenciáljával a másik tűn keresztül folyó áramot szabályozták volna. Ehelyett 1947 decemberében az injekció jelenségét, és a tranzisztorhatást fedezték fel! Talán a CCD-elv és mindaz, amiről itt szó van, meg sem született volna, ha a tranzisztorok nagy sikere elfeledtette volna az eredeti célt. Szerencsére nem így volt, a félvezetők tulajdonságainak jobb megismerése hamarosan tisztázta, hogy mi volt, ami megakadályozta a felületi tértöltési tartomány gyakorlati megvalósítását a germánium esetében. Túl ezen, az első germánium-tranzisztorok felületének instabilitása és a szilícium mint félvezető anyag előnyös tulajdonságai mind arra vezettek, hogy 1964-65 táján a Bell Laboratóriumokban, sikeresen tudtak készíteni olyan szilícium alapú MOS-szerkezeteket, amelyek gyakorlatilag "ideálisan" viselkedtek - és így megnyílt az út a MOS-eszközök előtt is.
Bármennyire is egyensúlyi állapot az előfeszített MOS-kapacitás, ha az előfeszítést hirtelen megváltoztatjuk, időbe telik, amíg az egyensúly létrejön, hiszen a véges vezetőképességű anyagokban a töltések átrendeződése időt vesz igénybe. Ha a feldúsulást akarjuk alkalmas feszültségugrással megváltoztatni, az (új) egyensúly gyorsan helyreáll, hiszen igen nagy számban vannak lyukak a p-típusú hordozóban, és ezek a tér hatására könnyen átrendeződnek. Ha azonban az ellenkező polaritást alkalmazzuk, akkor nemcsak a lyukaknak kell eltávozniuk, hanem az anyag belsejében igen kis számban jelenlévő elektronoknak is össze kellene gyűlniük a felület közelében. Ez nagyon hosszú időt venne igénybe, és nem is az anyag belsejéből kerülnek ki az inverziós réteg többletlyukai, hanem a félvezetőkben az elektron-lyuk-párok szakadatlan keltése és rekombinációja hatására a felület tartományából. Ez normál körülmények között igen lassú folyamat, és mint minden termikusan aktivált jelenség, exponenciálisan függ a hőmérséklettől. Ezt mutatja a 2. ábra felső képe, ahol is a félvezető anyag vezetési sávjában nincsenek töltéshordozók, gyakorlatilag olyan a tér eloszlása, mint a szigetelő oxid-tartományban.
Most már érthetjük, hogy hogyan működik a CCD: ha a MOS-kapacitást hirtelen erős inverzióba feszítjük megfelelő elektromos impulzus alkalmazásával, akkor a félvezető határfelületén lévő (kisebbségi) töltéshordozók mennyiségét csak az időben nagyon lassan összegyűlő, termikus eredetű töltések, vagy a fény hatására keletkező töltéspárok határozzák meg. A tértöltés hatására ezeknek a pároknak többségi része persze nem marad a felületen, hanem az anyag belsejébe kerül, így a kisebbségi töltéshordozók, mert nincs többségi párjuk, nem is rekombinálódnak. A CCD elemi kapacitása hosszú ideig is "gyűjtheti" a fény hatására létrejövő töltéshordozókat, és az összegyűlt töltéshordozók száma arányos lesz a helyileg beeső fény intenzitásával. Egy lapkán egymás mellett elhelyezett elemek, alkalmas optikával kiegészítve, az eredeti tárgy síkbeli képét őrzik meg, csakúgy, mint a fényérzékeny film/lemez a hagyományos fényképezőgépekben. Ha az elemi kapacitásokat sorba rendezzük, és tologatásokkal ki is olvassuk a sor végén, akkor az eredeti kép helyi intenzitását egyenként meg is őrizhetjük, célszerűen digitális formában, a sorok tartalmát alkalmasan rendezve, egy tetszés szerinti adattárolóban. Ez a digitális fényképezés alapja. Ahogy Gróf András, ismertebben Andrew Grove, az Intel ma már visszavonult igazgatója mondta, az "adatok digitálisan őrizhetők, továbbíthatók, és feldolgozhatók, ezért előbb-utóbb minden digitális lesz" - ez történt a fényképezéssel is!
A félvezető anyagokban az elektron-lyuk-párok optikai keltésének természetes határa a tilos sáv szélessége (ez egy korábbi Nobel-díjas felismerés: Einstein fényelektromos jelensége). Ez a szilíciumban körülbelül 1 eV (elektronvolt), aminél kisebb energiájú foton nem kelt töltéshordozókat, láthatatlan - legalábbis a szilícium alapú CCD számára! Szerencsére ez éppen egybeesik a látható fény infravörös határával, a teljes látható tartomány ennél nagyobb energiájú fotonokat tartalmaz, ezért egy mai kommerciális CCD-eszköz gyakorlatilag egyformán érzékeny a teljes látható tartományban. Ez, ha úgy tetszik, a természet ajándéka. Ha a félvezető technológia egy sokkal szélesebb tilos sávú félvezető anyagra épült volna (ilyen anyagok vannak, és számos előnyük lenne például nagy teljesítmények, magas hőmérsékletű működés esetén is!), akkor ma trükkös megoldásokkal igyekeznénk a "hagyományos digitális" fényképezést - ha lenne ilyen - megoldani, mint ahogy ezt tesszük a tudományosan (és katonailag is) érdekes infravörös tartományban!
A CCD a fentiek alapján nem lát színesen, a színes fényképezést az alapszínekre bontó szűrőkkel oldhatjuk meg, ennek gyakorlati kivitelére számos eljárás született-születik, az egyes eszközgyártó cégek szakadatlanul ontják a különféle megoldásokat.
Ha a CCD állandóan "nyitva" lenne, akkor is érkeznének fotonok miközben a kép részleteit sorra kigyűjtjük, ezek a kép élességét elronthatnák. Ezt eszközszinten úgy oldják meg, hogy akár az egész képet, akár azt sorról sorra az "exponálás" befejezésével valahogy elmentjük, például az információt (a képpontok tartalmát) időlegesen nem látó elemekbe helyezzük. Ezeket - esetleg az újabb felvétel alatt - a szokásos módon kiolvashatjuk (frame transfer CCD). A ma kapható drágább, professzionális kamerák egyesítik az analóg és digitális fotózás szinte minden eredményét:
A verseny része az egyre jobb felbontás, ezt legtöbbször a képpontok számának a növelésével érik el. Ez a szám, a pixelszám, akárcsak a lóerő az autók esetében, azt sugallja, hogy ha nagyobb, akkor jobb is. Egy "régi" analóg film felbontása körülbelül 300 millió pixellel egyenértékű, ennek elérésére persze nem kell törekedünk, hiszen normál képméret esetén a szemünk sincsen erre kalibrálva! Hacsak nem akarunk igen nagy nagyítást készíteni, ennek tört része, a 10 millió képpont is tökéletesen megfelel (ne feledjük, a nagyfelbontású tévé is körülbelül 2 millió ponttal működik), a józan határt a kép felvételének sebessége, a kép tárolása és esetleg lejátszása, manipulálása határozzák meg, amely körülbelül egybeesik ezzel a közel 10 milliós értékkel.
Ha egy sorban a pixelek száma ezres nagyságrendű, az azt jelenti, hogy soronként legalább ennyi lépésben kell áttöltenünk a kép pontjait, hogy eltároljuk az egészet. Ahhoz, hogy a kép eleje és vége is hűséges mása legyen az eredetinek, az kell, hogy a "tologatás" közben ne sok töltéshordozó vesszen el. Ha az áttöltés hatásfoka 99,999%-os (!), akkor 1000 képpontos sor esetén a torzítás 1%-nál kisebb lesz. Ha egy ("teli") pixelben körülbelül 100 ezer elektron "fér" (ezt nyilván az egyes elemek mérete határozza meg, és nagyjából reális érték), akkor kiolvasás közben, ilyen hatásfok mellett legfeljebb, ha 1 elektron vész el! Ilyen szintű analóg "pontosság" még a félvezetőipar jelenlegi hihetetlen technológiai szintje mellett is elképesztő. Ebből is láthatjuk, hogy a CCD minden valószínűség szerint egyike a valaha készített legprecízebb analóg félvezető eszközöknek. Ezért is a CCD ára talán soha sem csökken olyan mértékben, mint a szokásos digitális memória-, logikai áramköröké, Éppen ezért napjainkban - a kisebb igényű alkalmazásokban - a számítógépek félvezető alapú memóriaeleméhez hasonló felépítésű CMOS képszenzorok váltják fel a CCD-elemeket.
Ezzel a CCD története a mindennapos fényképezésben gyakorlatilag véget is ér. Hogy milyen hosszú utat tettünk meg, azt talán egy gondolatkísérlettel foghatjuk fel. Képzeljük el, hogy 40 évvel ezelőtt egy előadáson azt meséltük volna, hogy hamarosan eljön az idő, amikor
Valószínűleg azt mondták volna, "javíthatatlan álmodozó"!
Lehet, hogy nem illik
ide, de pár szót kell ejteni
a Bell Laboratóriumok
sorsáról. Láttuk, hogy
egy új gondolat megvalósítása
ebben a laboratóriumban hetek kérdése volt.
Mi is elkészítettük a CCD 16 bites példányát a 70-es
évek elején a Műszaki Fizikai Kutató Intézetben, és -
akik közel voltunk - tudjuk, hogy mennyi időbe és fáradságba
tellett. Természetesen nem akarom és nem
is lehet a két intézményt összehasonlítani, de ez is figyelmeztet,
hogy fontos olyan helyek létesítése, fenntartása,
ahol a szakértelem és a tudás megfelelő találékonysággal
párosítva "csodákra" képes. E páratlan kutatóhely
- amelyben fél évszázad alatt 7 Nobel-díj
született, és alig hiszem, hogy van olyan intézmény,
amely többet tett volna a modern információs társadalom
megszületéséért - mai tulajdonosa, az Alcatel-
Lucent óriásvállalat 2008 augusztusában megszüntette
a hagyományos kutató részleget. Megszüntette a teljes
szilícium alapú kutatást, és csak olyan fejlesztéseket
tartott meg, amelyek közvetlenül a hírközlési profiljának
rövid távú fejlesztését szolgálják! Mindezt természetesen
az anyavállalat profitérdekei indokolják, és
még csak vitatkozni sem lehet ezzel, mert a tudományt
- természetesen - elsősorban az államnak kell
támogatnia. Úgy tűnik, ezt megérti és vállalja is a jelenlegi
adminisztráció az Egyesült Államokban.
Természetesen a szilárdtestkutatás "nagyjai" a Bell laboratóriumok "kivégzését" tudományuk lefejezésének, és ezt a lefejezést elfogadhatatlannak tartották. Ennél is jellemzőbb, hogy a közgazdász Paul Volcker - aki az Amerikai Jegybank (sikeres!) elnöke volt közel tíz éven át, Carter és Reagan elnöksége idejében és jelenleg az elnök gazdasági tanácsadója - úgy gondolja (2009 nyarán), hogy:
"In the broadest terms, I think we have to move, we are moving, for an emphasis on finance toward science, toward technology, toward engineering - real engineering not the financial engineering that has failed to live up to its promise."
Ezt az idézetet nem fordítom le, hiszen itt a CCD történetéről beszélünk, és nehogy bárki is azt higgye, hogy politizálunk és a magyar viszonyokról van szó!
A Nobel-díjat persze nem fényképezőgépek fejlesztéséért szokták adni - nézzük meg, mit tett a CCD a tudományért! Nagyon sok mindenről lehetne beszélni, ragadjunk ki egy jellemző és fontos példát, a csillagászatot. Egyszer majd alkalmat kell keríteni, hogy a CCD szerepét a kísérleti fizika, biológia, orvostudomány... területén is végigtekintsük.
Ha a fizika fejlődését végignézzük - és nagyon szerencsések vagyunk, hiszen Simonyi Károly megajándékozott minket a Fizika kultúrtörténetével - egy dolog végigvonul a közel négyezer éven, és ez a csillagászat, az asztronómia. Nem meglepő, hogy az embereket, bár különböző indíttatással, de mindig érdekelte a Világmindenség. Az mindenképpen feltűnő, hogy egy ilyen régi, és kis részleteiben leghamarabb rendezett tudományág - gondoljunk az egyiptomiak csillagászati tudására, a Naprendszer törvényeinek megismerésére és leírására immár 400 éve - mind a mai napig meglepetésekkel szolgál, és még messze vagyunk a teljes és részletes megértéstől! A fizika egyéb nagy fejezetei valamilyen értelemben zártak, köszönhetően Newton (mechanika), Maxwell (elektrodinamika), Bohr és társai (kvantummechanika) munkásságának.
Mi köze mindehhez a CCD-nek? Körülbelül annyi, mint a távcső felfedezésének, hiszen egy olyan megfigyelő eszközt adott a kezünkbe, amelynek segítségével az összes eddigi égi adatunk sokszorosát, közte olyan új adatokat is megismerhetünk, amelyeket kétséges, hogy a szokásos eszközök segítségével valaha is elértünk volna. Az asztronómia és kozmológia területén ma tapasztalható helyzet hasonlít a klasszikus és kvantumfizika határán száz évvel ezelőtt bekövetkezett változásokra. Azonban van egy lényeges különbség: akkor csak néhány tapasztalat volt, amit nem értettünk, és az új gondolat (Planck kvantumhipotézise) elindított a helyes úton. Most sok mindent tudunk, szinte mérhetetlen sok adatunk van, és a kérdés az, hogy van-e olyan egyszerű gondolat, amely összerendezi a tapasztalatokat?
De térjünk vissza a CCD-hez! Az egyik legnagyobb tudományos adatbázisban, a ScienceDirect folyóirataiban a "CCD and astronomy" kereső szópárra 3383 eredményt találtam! Talán ez is mutatja, hogy a modern asztronómiának a CCD milyen mértékben mindennapi eszköze. Fiatalabb koromban, amikor aktívan sportoltam, és a sportot figyelemmel is kísértem, volt például a jégkorongban egy ökölszabály: ha jó csapatot akarsz építeni, találj egy jó kapust, és ahhoz gyűjtsed össze a játékosokat. Most elolvasva az egyes földfelszíni és űrcsillagászati terveket, hasonló érzésem támad: az első lépés, tervezd meg a távcsövet és a detektor CCD részét! Ez többé-kevésbé meghatározza a várható eredményeket. Néhány példán próbálom ezt igazolni, és egyúttal azt is megmutatni, hogy mit is adnak az új megfigyelések.
A NASA Nagy Obszervatóriumok programja négy jelentős laboratóriumot létesített az űrben. Ezek közül 3 végzett méréseket a hagyományos (röntgen, látható és infravörös) elektromágneses sugárzás tartományában. Közülük kettő használt CCD-detektort - részletesebben ezért csak ezeket soroljuk fel, a felbocsátásuk időrendjében.
Az 1990. április 24-én Föld körüli pályára állított Hubble-űrteleszkóp (HST) az optikai, a közeli-ultraibolya és a közeli-infravörös tartományban végez megfigyeléseket. Lényegében vele kezdődött a nagyközönség számára a modern űrcsillagászat. Abban is páratlan, hogy eddig öt alkalommal látogatták meg űrhajósok, hogy javítsák, fejlesszék berendezéseit. Teljesítménye az eredetihez képest közel százszorosra nőtt (nem kis mértékben a detektorok "feljavítása" miatt!), ami nem meglepő, hiszen a tervezetten utolsó látogatás 19 évvel a felbocsátás után az elmúlt év tavaszán volt. (http://www.nasa.gov)
1999. július 23-án indították pályára a Chandra-röntgenteleszkópot, amely az elektromágneses sugárzásnak az UV és a lényegesen nagyobb energiájú gamma-sugárzás közötti tartományát vizsgálja. Ezt a tartományt a Föld légköre tökéletesen elnyeli, ezért különös gonddal jártak el a detektorok kiválasztásában. (http://chandra.harvard.edu/index.html)
Az űr-méretekben óriás teleszkópok helyett a jövőben valószínűleg kisebb, olcsóbb és az egyes speciális feladatok ellátására szolgáló űrmissziók kerülnek előtérbe. Mi itt a CCD-alkalmazásokat szeretnénk áttekinteni, erre igen jók a fenti, reprezentatív rendszerek. Az egyes missziók honlapját azért mellékeltem, mert még az asztronómiát kívülről figyelő fizikus számára is örömöt nyújthat a részletekbe (és az eredményekbe!) való betekintés.
A HST műszereiről és mérnöki felszereléséről a honlapján csodálatos interaktív grafikus információ található a technológiai címszó összefoglalójában. Mi - némi önmegtartóztatással - csak egy tudományos berendezéssel foglalkozunk, amelynek több generációja is szolgált, hiszen legtöbbjük korábbi példányát lecserélték a szervizutak során.
Az új Wide Field Camera 3 (WFC3) a HST legtöbbet használt csatornája, amely két CCD-detektort tartalmaz, egyet a látható és közeli UV tartományban 4096×4096 pixeles felbontással - ezt számos szűrő és kisebb felbontású prizma is kiegészíti, így a látható/ UV detektor ésszerű felbontásban színesen lát. A másik detektor egy, a közeli infravörös tartományban érzékeny, HgCdTe félvezető elegykristályt tartalmazó CCD-elvű 1024×1024 pixelt tartalmazó eszköz. Ennek az anyagnak jóval keskenyebb a tilos sávja, mint a szilíciumé, ezért ez a detektor 1700 nm-ig érzékeny, csaknem fele akkora energiájú fotonokat is detektál, mint szilícium alapú nagytestvére. Ha a tilos sáv keskenyebb, akkor nagyobb a valószínűsége, hogy elektron- lyuk-párok keletkezzenek termikus gerjesztéssel. Hogy ezt a spontán zajt csökkentsék, az ilyen (és minden egyéb) infravörös detektort hűteni kell. A legújabb detektort speciális termoelektromos berendezés hűti - így legalább ebben a nem túl távoli infravörös tartományban nincs szükség hűtőfolyadék alkalmazására. (Az infravörös tartományban látó, 2003-ban felbocsátott Spitzer-űrtávcső "szeme" 2009-ben akkor romlott le, vakult meg a távoli infravörös tartományban, amikor a He hűtőfolyadéka elfogyott! http://ssc.spitzer.caltech.edu/)
A WFC3 és annak korábbi változatai készítették azon képek döntő többségét, amelyek a Hubble-t híressé tették, és adatai felhasználásával eddig több mint 8000 tudományos cikk született!
A Chandra két fő berendezése kiegészíti egymást, és mind a röntgensugár energiáját, mind pedig a sugárforrás helyét, képét nagy pontossággal meghatározzák. Ezekkel és az egyes (kémiai) elemek azonosításával válik lehetővé az óriás energiájú kozmikus események (szupernóvák felrobbanása, galaktikák ütközése, az intergalaktikus tér forró gázfelhőinek elemzése...) értelmezése. Az egyik képalkotó eszköz, a Nagyfelbontású Kamera (HRC) két mikrocsatornás lemezt használ, amelyben hajszálfinom elektródarendszer határozza meg a röntgenfoton helyét és energiáját. A másik detektor a Chandra Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS), amely, mint a neve is mutatja, a nagyobb energiájú fotonok detektálására továbbfejlesztett 10 darab CCD-elemből áll.
Ezeket az 1024×1024 elemes CCD-eszközöket az MIT Lincoln Laboratóriumban készítették, és hogy a gyors eseményeket, csakúgy, mint a hosszú idejű megfigyelést lehetővé tegyék, a már korábban említett Frame Transfer elvet használják. A kép elmentésének az ideje 41 ms, jóval rövidebb, mint az átlagosan 3,24 másodperces exponálási idő. Hogy a megfigyelések speciális igényeit kielégíthessék, lehetőség van részterületek kiolvasására is, a fény okozta jelek kiszűrésére, és a nagyobb energiájú gamma-sugarak elválasztására. A nagyenergiájú sugárzás károsíthatja a CCD szerkezetét - ezt földi körülmények között termikus kezeléssel meg lehet "gyógyítani" - a Chandrán a károsodás esélyét különös gonddal kellett csökkenteni.
Az ACIS fejlesztése 1990 körül kezdődött, és az együttműködő intézmények (az állami ellenőrzésű Jet Propulsion Laboratory, az MIT és a Penn State University a megvalósításban részt vevő Texas Instrument szerződéses fejlesztővel együtt) hozták létre azt a 10 CCD-eszközt, amelyekből 4 elem a képalkotást (ACIS-I a 3. ábrán), 6 elem pedig spektroszkópiai célokat szolgál (ACIS-S), a távcső képsíkjában a 3. ábrán látható sematikus elrendezésben.
A Hubble és a Chandra képeinek egyesítésével kapunk ma az Univerzum közeli, galaxison belüli, vagy igen távoli jelenségeinek, a Világegyetem kialakulásának megértését segítő képeket. Az interneten milliószám elérhető rejtelmes nevű kép helyett mutassunk meg itt egy ilyen összetett képet egy olyan szupernóva- robbanásról, amelyet Kepler 400 éve látott, és igencsak aktuális, hiszen az elmúlt évet éppen a csillagászat évének szentelték szerte a világon a távcső csillagászatba kerülésének 400 éves jubileuma alkalmából.
Ez a szupernóva-robbanás az egyik legfiatalabb, amit ismerünk: kerek 400 évvel ezelőtt az eget fürkésző emberek, köztük Kepler is, egy új fényes "csillagot" találtak az égen - éppen a csillagászati távcső felfedezése előtt, puszta szemmel figyelték meg. Kezdetben fényesebb volt, mint a Jupiter, néhány hét alatt azonban elhalványult. A 2006-2007. évi űrtávcsöves képek ennek a ma Kepler-féle szupernóva-maradványnak nevezett égi objektum részleteit fürkészték. Közel 9 napnyi Chandra-megfigyelés páratlan részletességgel rögzítette a szupernóva energia szerinti felbontású röntgenképét (4. ábra bal oldala). Mint a Tejútrendszer egyik legfényesebb ilyen csillagászati képződményét már több mint 3 évtizede vizsgálták a hagyományos rádió-, látható és röntgentartományban (4. ábra közepén a Hubble-űrtávcső látható fény tartományába eső, míg jobb oldalán a Spitzer-távcső infravörös mérése), és bizonytalan volt, hogy milyen típusú szupernóva-maradványról van szó. Ma, éppen ezen megfigyelések segítségével tudjuk, hogy ez a képződmény egy "fehér törpe" termonukleáris robbanásának eredménye volt, szakszóval Ia típusú szupernóva. A szupernóvamaradványok részletes megismerése rendkívül fontos, hogy megérthessük, miként végződik a csillagok élete, és segítségükkel (mint megannyi standard fényforrással) tudjuk mérni a Világegyetem tágulásának részleteit is. E munka látványos képeit mutatjuk a hátsó borítón. Alul kék színnel kódolva a Chandra-űrszonda nagy, zöld színnel az alacsony energiájú gamma-teleszkópjának felvételei láthatók. Sárgával a Hubble-űrtávcső látható fény tartományába eső méréseit mutatjuk, míg pirossal a Spitzer-teleszkóp infravörös felvétele látható. A még pontosabb részleteket segít megérteni a teljesebb spektrum, ezt mutatják fölül a különböző űrtávcsövek egyesített képei.
E látványos kitérő után egy kis összefoglalással térjünk vissza a csillagászatra. A Kaliforniai Egyetem asztronómia, asztrofizika és kozmológia részlegének bevezető csillagászati előadásában áttekintik az elmúlt évszázadok legfontosabb eredményeit, megemlítve azt is, hogy milyen felfedezés tette lehetővé ezek elérését. Röviden ismételjük meg:
És most már tudjuk, hogy ez csak a kezdet - ha valaki kíváncsi, mi készül az égen, olvassa el Szatmáry Károly és Szabados László Űrtávcsövek című cikkét a Meteor csillagászati évkönyv 2009-es kötetében, ha meg arra, hogy mi várható a földi csillagászatban, olvassa el Fűrész Gábor cikkét a közeljövő legnagyobb tervezett távcsöveiről a Természet Világa 2009/1-es különszámában (Feltárul a Világegyetem).
Befejezésül ma azt hisszük, hogy nagy valószínűséggel tudjuk, hogy mi a Világegyetem "összetétele":
Bízzunk a jövő évek Nobel-díjasaiban és a sok ifjú kutatóban, hogy a költő másik, közel ezer éves jóslata nem válik valóra: