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Laboratório Nacional de Astrofísica



A utilização da fotografia como único método para registro de imagens astronômicas perdurou do final do século XIX até a década de 1980, quando se consolidou a grande evolução nas observações: o desenvolvimento dos detectores de estado sólido e, em particular, dos CCDs (do inglês, "Charge Coupled Device" ou "dispositivo de carga acoplada").

Os inventores do CCD, Willard Boyle e George Smith, dos Laboratórios Bell, foram contemplados com o Prêmio Nobel de 2009. A tecnologia está hoje popularizada. É o que usamos, por exemplo, nas câmaras fotográficas digitais. Os CCDs são um exemplo explícito de desenvolvimento tecnológico motivado pela ciência básica, mas que resulta em aplicações práticas para melhorar o nosso dia-a-dia.


O Observatório do Pico dos Dias iniciou suas atividades de pesquisa com observações baseadas na fotografia e em fotomultiplicadoras. O seu primeiro detector CCD foi recebido em 1988, tendo sido provavelmente também o primeiro equipamento do gênero no Brasil. A ‘era fotográfica’ das operações de ciência no observatório foi imediatamente encerrada.

Este primeiro equipamento, que muito contribuiu para a astronomia brasileira, é o chamado CCD009 (ou WI009).

Na verdade, o que estamos chamando de CCD009 inclui não apenas o detector CCD, mas também a sua câmara criogênica, a janela óptica e o controlador eletrônico.




O sensor CCD propriamente dito que integra o CCD009 é da e2V, uma companhia multinacional com sede no Reino Unido. Na época da fabricação da câmera a empresa chamava-se "Marconi". Seu tamanho é de apenas 8.5 x 12.8 milimetros!

A construção da câmara criogênica, do controlador eletrônico e a integração do CCD a todas as partes foi realizada pela Wright Instruments (WI), empresa britânica cujas operações foram descontinuadas. A numeração (009) significa que esta foi a nona câmera CCD contruída pela WI. Ao longo do tempo, o Laboratório Nacional de Astrofísica adquiriru várias outras câmara da mesma companhia, sempre para uso no OPD.

A câmara criogênica era necessária para minimizar o ruído eletrônico. O CCD era resfriado através da introdução de nitrogênio líquido, e a temperatura de trabalho (ou seja, durante as observações astronômicas) ficava em torno de -100 graus Celsius.  

Ainda totalmente funcional, a câmara CCD009 não está mais em uso desde 2000, devido a disponibilidade de sensores de maior área e mais eficientes na detecção da luz proveniente dos objetos celestes. Além disso, a placa de controle através da qual a câmara era conectada ao computador tornou-se obsoleta, impedindo a sua integração nas máquinas mais modernas. Assim, em 2011 o equipamento foi integrado ao acervo histórico do LNA.



Identificação das principais partes do CCD009. De fato, ele não era fixado diretamente no telescópio, mas sim a uma câmara óptica (ainda utilizada), equipada com o sistema de lentes e espelhos necessários para a adequação do campo de observação, tendo em vista a pequena área do detector, e para a guiagem do acompanhamento dos telescópios.




A composição interna do CCD009 pode ser compreendida através deste esquema genérico para câmaras CCD criogênicas. Adaptado do material produzido por Simon Tulloch (QDCAM).



Exemplo de sensor CCD antes de ser integrado aos sitemas mecânico, de resfriamento e eletrônico (LNA 2011/008).



Imagem do cometa Hyakutake obtida em 1996 com o CCD009, instalado no telescópio B&C de 60 cm do Observatório do Pico dos Dias. Para chegar a este resultado foram necessários cinco minutos de integração. A coloração é devida à manipulação digital da imagem. O campo de observação é de 7.2 x 10.8 minutos de arco. Crédito: R. Campos (MCTI/LNA).



Uma característica fundamental dos diversos tipos de detectores astronômicos é a eficiência quântica: a relação entre a quantidade de luz que chega até o detector e aquela que é efetivamente registrada. 

No caso do CCD009, a eficiência quântica máxima é de cerca de 45%, para a luz com comprimento de onda em torno de 650 nm. Nos CCDs atuais, o pico de eficiência quântica é maior do que 90%!

 Outro ponto de destaque é que o CCD009 detecta com pouca eficiência a luz com comprimentos de onda menores do que 500 nm. Isto se deve à arquitetura do sensor: ele é mais eficiente para comprimentos de onda maiores por ser espesso e receber a luz pela sua parte frontal; os comprimentos de onda menores acabam por ser absorvidos pelo silício usado na construção do sensor.



Resumo das principais características técnicas do CCD009:

  • Sensor EEV P8603A; número serial: 7131/18/23; Tipo: espesso, front-illuminated e com coating para o ultravioleta;
  • Tamanho do sensor: 385 x 578 píxels (8.5 x 12.8 mm); 
  • Tamanho de cada pixel: 22 x 22 microns (1 micron = 0.001 mm); 
  • Ruído de leitura típico: 9,0 e- rms. 


O CCD009 é o objeto LNA 2011/007 no acervo do LNA.


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