Die ST-9e CCD-Kamera

oder

Unser langer Weg zur optimalen CCD-Kamera

Wie Sie sicherlich aus den anderen Ausgaben unserer Spica erfahren haben, war uns bisher das Glück mit CCD-Kameras nicht gerade gewogen. Einzig allein konnte die Starlight-Express-Kamera an unserem C-8 unsere Erwartungen erfüllen. Mit der Selbstbaukamera vom Typ Cookbook CB-245 haben wir nicht das erreichen können, was uns im Bereich Astrometrie so vorschwebte. Jedoch konnten wir durch den Versuch der Fehlerbehebung eine ganze Menge über einen CCD-Chip als Detektor für den astronomischen Einsatz lernen. Die verschenkte (astronomische) Beobachtungszeit durch die SXL8-Kamera von Starlight ist leider nicht wieder einzuholen. Sinnige Erfahrungen konnten wir mit ihr auch nicht sammeln.

Nachdem wir nun diese Kapitel abgeschlossen hatten, überlegten wir uns, welcher Firma wir nun die "Chance" bieten wollten, unseren (vielleicht etwas überzogenen) Anforderungen zu genügen. Ein kurzer Blick in die Sternwartenkasse sagte uns, das wir doch besser mit dem 10"-Gerät visuell beobachten sollten. Doch der Wunsch nach einer Kamera ließ sich leider nicht so ohne Probleme unterdrücken. Schnell war auch ein Modell gefunden, welches von der Pixelgröße und natürlich von den Chipdimensionen zu unserem Außenteleskop passte. Das Modell ST-9e von SBIG erfüllte so jeden bisher gehegten Wunsch (leider nur preislich nicht), den ein Amateurastronom so haben kann. Mit einer Pixelgröße von 20µm x 20µm und einer Gesamtzahl von 512 x 512 Pixel ergibt sich bei einer Brennweite von f=2.500mm ein Feld von etwas mehr als 14' am Himmel. Wenn wir die Brennweite auf f=1820mm (F/6,3) reduzieren würden, ergäbe sich ein Feld mit einer Kantenlänge von mehr als 22'. Die Auflösung pro Pixel läge dann bei etwa 2,62", was ziemlich genau dem halben Seeing am TSO entspräche. Eine Anfrage bei einem deutschen Händler über den Preis und die Lieferzeiten ergaben, dass man mit ca. 11.000 DM und einer Lieferzeit von 3 bis 6 Monaten nicht ganz so glücklich bedient war. Bei einem Anruf in den USA wurden wir dann gefragt, ob es denn nur eine und nicht mehr Kameras sein muss, da bei ihnen so viele auf Lager liegen würden. Mit einem Preis von 3950,- U$ zuzüglich ca. 200,- U$ für eine deutsches Netzteil haben wir den Kauf nach längerer Prüfung unserer Finanzen dann doch getätigt.
Nun zur Technik dieser Kamera. Es handelt sich hierbei um die bewährte Anordnung von Aufnahme- und Nachführchip in einem Gehäuse. Der Nachführchip ist ein Texas-Instruments TC-211 Chip, der bereits in den anderen Kameras von SBIG Anwendung findet und entsprechend erprobt ist. Bei dem Aufnahmechip handelt es sich um den Kodak-Chip KAF-0261E der Güteklasse C1. Wie bereits erwähnt, hat der Chip 512 x 512 Pixel mit einer Größe von 20µm x 20µm. Hieraus ergibt sich seine beachtliche Kantenlänge von 10,2mm x 10,2mm. Die Pixel können ca. 180.000 Elektronen aufnehmen und werden dann mit 16 Bit digitalisiert, so dass für das fertige Rohbild 65536 Graustufen zur Verfügung stehen. Die Pixel können über die mitgelieferte Software im 1er-, 2er- und 3er-Binning ausgelesen werden.

Der Dunkelstrom (Rauschen) liegt bei 0°C bei 35 Elektronen pro Pixel pro Sekunde. Bei einer Absenkung der Chiptemperatur von 8°C halbiert sich das thermische Rauschen eines CCD-Chips auf die Hälfte. Ein Antibloominggitter ist nicht für diesen Chip erhältlich. Die ST-9e verfügt über 2 Peltier-Elemente zur Kühlung, wovon eins ständig mit 100% Kühlleistung läuft, während das andere zur Regelung der Temperatur dient. Zusätzlich ist ein Ventilator an der Rückseite des Gehäuses angebracht, der einen Luftstrom über die Kühlrippen leitet. Der Anschluß einer Wasserkühlung zur Abfuhr der Wärme ist ebenfalls vorgesehen. Der eingebaute Rotationsshutter ermöglicht Belichtungszeiten zwischen 0,11 und 3600 Sekunden. Geliefert wird diese Kamera in einem stabilen Kunststoffkoffer, der mit Schaumstoff ausgekleidet ist. Alle gelieferten Teile können problemlos in den entsprechenden Ausnehmungen untergebracht werden, so dass sich diese Kamera auch für den mobilen Einsatz eignet.
Von ihrem äußeren Erscheinungsbild her ist die ST-9e nicht von den anderen Kameras wie die ST-7e, ST-8e oder ST-10e zu unterscheiden. Erst nachdem man den Shutter über die Software öffnet, zeigt sich der quadratische Chip (Ui, ist der groß). Alle anderen Modelle verfügen über einen rechteckigen Chip. Erste Tests in der Wohnung mit einem Notebook zeigten, dass bei Betrieb eines Peltier-Elementes die Chiptemperatur auf 35°C unter Umgebung gekühlt werden kann. Die eingestellte Temperatur wird bis auf ±0,2°C genau gehalten. Bei Betrieb mit zwei Peltier-Elementen kann die Temperatur sogar auf über 42°C unter Umgebung abgesenkt werden. Die zunächst noch probeweise angeschlossene Wasserkühlung brachte die Temperatur noch einmal um ca. 8°C tiefer herunter.
Der Vorteil einer geregelten Kühlung liegt darin, dass unabhängig von der astronomischen Arbeit viele Dunkelbilder bei einer entsprechender Temperatur angefertigt werden können. Diese Dunkelbilder werden dann gemittelt, um dann ein sogenanntes "Masterdark" zu erhalten. Dieses Bild beinhaltet dann fast kein statistische Rauschen mehr, wie es sonst bei einem Einzelbild durch den AD-Wandler hervorgerufen wird. Ein so angefertigtes Dunkelbild ist daher für die Reduktion der Rohbilder wesentlich besser geeignet als ein einzelnes Dunkelbild.
Um den Datenwust nicht zu groß werden zu lassen, haben wir uns entschieden, die Chiptemperatur mindestens auf –20°C herunter zu kühlen. In 5° Schritten nehmen wir nun bis zu 50 Dunkelbilder mit den Belichtungszeiten auf, die wir auch für unsere Astrometrie einsetzen. Hieraus entsteht zu jeder Temperatur und Belichtungszeit eine Datenbank aus Dunkelbildern, die dann anschließt für die Grundbearbeitung heran gezogen werden.
Die Kamera wird mit einem T2-Gewinde als Teleskopanschluß geliefert, in den zusätzlich noch eine Reduzierung auf 1¼-Zoll (Steckhülse) eingeschraubt werden kann. Mit einem Fotoobjektiv versehen, haben wir die ersten Bilder im Wohnzimmer gemacht - wie so häufig spielte das deutsche Wetter nicht so mit, wie wir Amateurastronomen es uns wünschen.
Bemerkenswert ist die Digitalisierung und Darstellung der Bilder auf dem Notebook-Monitor. Ganze 11 Sekunden benötigt der A/D-Wandler der Kamera nach dem Schließen des Shutters, um das Bild mit der höchsten Auflösung über das mitgelieferte Parallelportkabel zum Computer zu schaufeln. Im 3er-Binning geht dies in 3 Sekunden, was für die spätere Aufsucharbeit am Teleskop sehr erfreulich ist. Im Gegensatz zu unseren Erfahrungen mit anderen Kameras, sind uns so sehr schnell scharfe Bilder gelungen.
Doch wer auch immer ein Einsehen mit uns hatte, der erste klare Abend nahte. Also raus ans Teleskop, Kamera anschrauben, alle benötigten Steckerverbindungen herstellen (wir hatten beim Bau der neuen Säule schon genügend Außensteckdosen angebracht), Computer anschalten und!!! Moment, wie wurde doch noch gleich die Steuerung mit der Kamera verbunden? Ah ja, dieses kleine Kabel mit einseitigem Sub-D9-Stecker und andersseitigem Western-Digital-Stecker musste noch angeschlossen werden. Aber diese Arbeit haben wir uns bei den ersten Aufnahmen gespart, da wir viel zu neugierig auf die ersten Bilder waren. Die Nachführkontrolle konnte warten.
Erst einmal den Himmel nach einem geeigneten und bekannten Objekt absuchen. Der Große Wagen und die Jagdhunde standen im Zenit, so das sich die bekannte Spiralgalaxie M51 in den Jagdhunden nahezu aufdrängte, das Objekt für das "First Light" unsere neuen Kamera zu werden. Aber leider war es noch zu hell! Na, vielleicht doch mal den Mond probieren? "Der ist doch viel zu hell für diese Kamera" tönte es aus unser aller Munde. Aber man kann sich ja behelfen. Bei voller Öffnung und Blende F/6.3 (mit Reducer) passt wohl ein beachtliches Stück unseres Trabanten auf den Chip. Zuerst einmal muß das Licht Abgeblendet werden. Mit meiner Scheinerblende und ihren drei Löchern (Durchmesser ca. 30mm) war das Bild selbst bei kürzester Belichtungszeit immer noch überbelichtet. Erst als wir zwei der Löcher zuhielten, konnten wir ein Bild mit sehr umfangreicher Sättigung der Pixel machen.

Obwohl man ja bereits geahnt hat, wie groß der Abbildungsmaßstab ist, waren wir doch sehr erstaunt, wieviel Mond wir auf dem ersten Bild sehen konnten. Natürlich wurde es dann später ganz dunkel (soweit man von Dunkelheit im Ruhrgebiet sprechen kann), so dass wir auf M51 umschwenken konnten. Die ersten Bilder eines DeepSky-Objektes nach 30 Sekunden Belichtungszeit zeigten uns, das diese Kamera der Firma SBIG all unseren Erwartungen entsprach.
Die ST-9e wird mit einem Grade C1-Chip ausgeliefert ,d.h., es dürfen maximal 6 Pixel bei einer durchschnittlichen Sättigung des Gesamtchips von 70% mehr als 6% von diesem Durchnittswert abweichen. Dementsprechend ist der Hintergrund auf den Rohbildern schon sehr glatt und zeigt kaum Ausreißer. Unsere Kamera hat 3 Pixel, die unter dieses Kriterium fallen. Auch mit der gelieferten Chipqualität sind wir sehr zufrieden. Etwas Kopfschmerzen bereitete uns die Nachführung des Teleskopes über den eingebauten Nachführchip. Die benötigten Kabelverbindungen zwischen Kamera und Nachführelektronik waren sehr schnell hergestellt. Jedoch bereiteten uns die Einstellungen in der Kamera-software für die Nachführung Probleme. Da das Teleskop bereits über einen überdurchnittlichen geringen Schneckenfehler verfügt (6" absolut), musste die eingebaute elektronische Nachführkontrolle eigentlich nicht viel tun. Jedoch zeigten sich bei den Sternen bei einer reduzierten Brennweite von f=1820mm trotz aktivierter Nachführkontrolle bereits leichte Striche. Dieser Zustand war für uns erst einmal nicht erklärbar.
Erst nachdem die Dame in unserer Runde bemerkte, dass doch viele Programme eine Hilfefunktion haben, konnte unser Fehler sehr schnell beseitigt werden. Bei der Einstellung für die Aggressivität der Nachführung haben wir einfach den falschen Wert gesetzt. Der Aggressivitätsfaktor teilt dem Programm mit, um wieviel Prozent der Benutzer den ermittelten Nachführfehler ausgeglichen haben will. Nachdem wir der Software mitgeteilt hatten, das wir doch bitte schön 100% des Fehler korrigiert haben wollten (und nicht 10% wie bei unseren ersten Gehversuchen), konnten wir den Nachführfehler auf absolut 3,2" reduzieren. Dieser Fehler liegt im Bereich des an unserem Beobachtungsplatz vorhandenen Seeings und ist natürlich auch von diesem abhängig. Bei besserer Luftruhe ist der Nachführfehler auch geringer.
Als nächstes Problem war auf allen Rohbildern, die bei reduzierter Brennweite entstanden, ein über das ganze Bild verteilte Aufhellung in Form eines Kreises mit einem dunklen Kern vorhanden. Diese Kreisstruktur musste im Zusammenhang mit dem verwendeten Reducer liegen. Doch auch durch den Austausch gegen Reducer zweier anderer Hersteller konnte dieser Fehler nicht beseitigt werden. Erst durch die Bearbeitung der Rohbilder mit einem Flat-Field aus 100 gemittelten Bildern war diese Aufhellung zu beseitigen. Von anderen Anwendern der ST-9e in Verbindung mit einem SCT, dessen Brennweite ebenfalls durch einen dazwischengeschalteten Reducer verringert wurde, haben wir von ähnlichen Erscheinungen gehört.
Wie sich später herausstellte, ist es sinnvoll, den eingebauten Nachführchip im Binning zu betreiben. Die Software bietet hier die Möglichkeit, den Chip im 2er-Binning zu betreiben. Hierbei kommt es nach unserer Erfahrung nicht zu einer Verschlechterung der Nachführung, sondern das Finden und Verfolgen eines Nachführsterns wird aufgrund der höheren Empfindlichkeit der gebinnten Pixel deutlich erleichtert. Die Sterne sind bei gleicher Belichtungszeit wesentlich deutlicher abgebildet und können somit auch einfacher verfolgt werden. Bei unserer Montierung haben wir festgestellt, dass die Belichtungszeit des Nachführchips nicht deutlich über 2 Sekunden liegen sollte, da sonst die Software zum überkorrigieren neigt und den Stern über das Ziel hinaus befördert. Wir vermuten diese Ursache in der hohen Masse der Montierung im Vergleich zu den relativ kleinen Schneckenrädern, die die bewegte Masse nicht wieder aufgrund der Massenträgheit so schnell abbremsen können, wie die Motoren anlaufen und stoppen.
Mit dieser Kombination aus ST-9e und 10"-SCT bei einer Brennweite von f=1820mm sind wir in der Lage, Kleinplaneten bis zu einer Grenzgröße von ca. 18,6mag aufzunehmen und sicher zu vermessen. Alle bisher mit diesem Teleskop gewonnenen Positionen sind vom Minor Planet Center anerkannt worden. Genauere Untersuchungen einzelner Bilder haben gezeigt, das Sterne mit einer Grenzgröße von 19,3mag andeutungsweise auf dem Chip abgebildet werden. Für einen Beobachtungsort mitten im Ruhrgebiet eine erstaunliche Leistung.
Bleibt nur noch zu hoffen, dass wir bald auch einmal einen Kleinplaneten entdecken, wobei sicherlich mehr der Wunsch der Vater des Gedankens ist.

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