Kühlung einer Meade DSI-CCD-Kamera
Gekühlte CCD-Kameras sind für den Amateur der beste, aber auch der teuerste Weg zu guten Astro-Aufnahmen. Als ich anfing, eine für rund 100 € gebraucht gekaufte Meade DSI III für die Veränderlichenbeobachtung zu nutzen, wurde schnell klar, dass nur mit einer aktiven Kühlung das Potential des Chips voll genutzt werden kann, wodurch bei längeren Aufnahmen der Dunkelstrom und damit das Rauschen deutlich reduziert werden.
Die Kameras der frühen DSI-Serie (I, II und II) besitzen alle ein - abgesehen von der Größe - baugleiches Aluminiumgehäuse, dessen Rückseite mit Kühlnoppen zur passiven Kühlung versehen ist (unten links eine DSI II als Nachführkamera). Der in der monochromen DSI III Pro verbaute Sony ICX285AL hat ein hervorragendes Dunkelstromverhalten und wird selbst für professionelle Anwendungen genutzt. Die geringe Größe des 1/2"-Chips kompensiere ich durch einen Meade f/3.3-Reducer, der speziell für den kleinen Chip ausgelegt ist und an meinem C11 zu einer Effektivbrennweite von rund 900 mm führt.
Eine aktive Kühlung wird i.d.R. über ein thermoelektrisches Peltierelement realisiert. Legt man an ein Peltierelement einen Strom an, so kühlt sich die eine Seite ab, während die andere Seite sich erwärmt. Für die Kühlung der DSI wird das Element so auf der Rückseite aufgebracht, dass seine kalte Seite das Gehäuse kühlt (Mitte), während die Warmluft der warmen Seite über eine Kühler/Lüfter-Kombination abgeführt wird (rechts). Will man zusätzlich die Kühlung regeln, dh. sie auf einer bestimmten Temperatur konstant halten, muss man zusätzlich den Einbau eines Temperaturfühlers für einen Thermostat einplanen.
Erfreulicherweise gibt es im Internet eine Reihe von Erfahrungsberichten (z.B. hier, hier und hier), die einen guten Einstieg in die Materie ermöglichen. Ich versuche deswegen hier eher komprimiert die notwendigen Schritte und meine Erfahrungen zu zeigen.
Die Arbeitsschritte bestehen aus:
Planfräsen der Kühlrippen
Aufbringen einer ca. 10 mm dicken Aluminumplatte (um die warme Seite des Peltierelements vom zu kühlenden Gehäuse fern zu halten)
Auflegen des Peltierelements
Auflegen eines Kühlkörpers
Auflegen eines Lüfters
zwischen allen Elementen Kühlpaste oder Kühlpads
Isolation des Gehäuses
Die Arbeitsschritte
unten links: Planfräsen der Gehäuserückseite. Die weiche Aluminiumlegierung läßt sich aber auch mit Handwerkzeugen ('Dremel') gut bearbeiten.
Mitte: Bohrung durch das Gehäuse in den Kühlfinger für den Thermofühler.
rechts: Die gefräste Aussparung für das Peltierelement und im Hintergrund die Kühlkörper/Lüfter-Kombination.
Temperatursteuerung: 'Kühlfinger'
und
Thermostat
Richtig
sinnvoll wird eine Kühlung erst durch eine Thermostatsteuerung. Dann
können Bilder und Dunkelstromaufnahmen ('darks') bei der gleichen
Temperatur aufgenommen werden, um eine optimale Bildkorrektur zu
erreichen. Um die
Chiptemperatur exakt messen zu können,
muss der Temperaturfühler des Thermostaten möglichst nahe am CCD-Chip
angebracht werden. Dadurch erfordert
der
Einbau eines Thermofühlers ein Öffnen des Gehäuses. Aber auch
ohne diese Modifikation ist ein Blick ins Innere der Kamera sinnvoll.
In
der grünen Platine (linkes Bild, links) erkennt man in einer Vertiefung
die
Rückseite des CCD-Chips. Die Innenseite der Gehäuserückseite
(linkes Bild, rechts)
besitzt eine quadratische Nase (der 'Kühlfinger'), die im
zusammengebauten Zustand auf der CCD-Chip-Rückseite aufliegt. Dadurch
ist die
Wärmeableitung vom Chip zu den Kühlnoppen auf der Gehäuserückseite
realisiert.
In
den Foren gab es Hinweise, dass der Kühlfinger nicht direkt
auf
dem Chip aufliegt. Dadurch entsteht ein isolierender Luftspalt, durch
den die Kühlung
extrem ineffektiv wird. Und tatsächlich - beim Nachmessen ergab sich
ein Abstand von 0.6 mm! Gelöst wurde das Problem durch ein
flexibles Wärmeleitpad von 0.75 mm Dicke zwischen Chip und Kühlfinger.
Der Kühlfinger
ist der optimale Platz für den
Temperaturfühler, der durch
eine Bohrung in der Gehäusewand geführt wird (rechtes Bild).
Aufbau und Betrieb
Die Kühlung im Versuchsaufbau (links): auf dem ausgefrästen Gehäuse sitzt auf einem 10 mm dicken Aluminiumblock das Peltierelement, hier nur durch die Stromkabel unter dem Kühlkörper zu erkennen. Kühlkörper und Lüfter stammen aus einem ausrangierten PC. Im Hintergrund rechts sieht man das Thermostat - bei 4° C bildet sich bereits reichlich Tauwasser auf dem Gehäuse. Probleme mit einem beschlagenem Chip hatte ich auch bei Minustemperaturen bis jetzt noch nicht.
Isolation als abschließender Schritt (rechts): Läßt man die Kamera ohne Isolation, wird der Kamerakörper schnell eiskalt und man kühlt in erster Linie die Umgebungsluft. Dazu beschlägt zum Einen die Kamera, zum Anderen verringert sich die erreichbare Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft. Meine Isolation aus Neoprenmatte und Panzerband läßt sich bestimmt verbessern, macht aber immerhin 15° Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft möglich.
Ergebnisse
Als Beispiel für die Unterschiede zwischen ungekühlten (13° C, links) und gekühlten (-3° C, rechts) Aufnahmen: hier zwei 'darks', je 1 Minute belichtet. Die in Falschfarben dargestellten Bilder sind identisch skaliert. Das 'Verstärkerglühen' links oben hat sich bei der gekühlten Aufnahme deutlich verringert.
Numerisch ist der Unterschied nicht begeisternd - Mittelwert/Standardabweichung von 5787/240 ADU zu 5741/122 ADU zwischen ungekühlter und gekühlter Aufnahme. Rein optisch sind die gekühlten Aufnahmen aber viel rauschfreier, wie auch die Anzahl der 'Hot Pixels' auf ca. die Häfte gesunken ist.
Erfahrungen und Tips
Die leistungsfähigste Kühlkörper/Lüfter-Kombination, die sich gewichtsmäßig vertreten läßt, ist gerade richtig. Eine Versuchsreihe mit unterschiedlichen Lüfter/Kühlkörper-Kombinationen hat eindrucksvoll gezeigt, wie mit zunehmend größerem Kühlsystem immer geringere Kühltemperaturen erreicht werden können.
In der üblichen Richtung betrieben bläst der Lüfter die warme Luft vom Kühlkörper über den Kamerakörper. Das senkt die Effektivität erheblich bzw. erfordert zusätzliche Isolation. Ich betreibe den Lüfter 'umgekehrt': die kühle Aussenluft wird durch den Kühlkörper 'gesaugt' und nach aussen von der Kamera weggeleitet.
Die Temperaturdifferenz zwischen einer gut isolierten Kamera und fehlender Isolation beträgt problemlos 10° C. Hier ist mit geringem Aufwand viel zu erreichen.
Mein kleines (40 mm) Peltierelement zieht immerhin etwas über 4 A Strom. Netzgerät und Kabelquerschnitte sollten auf diese Leistung ausgelegt sein, besonders wenn wie bei meiner Sternwarte die Kabellänge zwischen Stromversorgung und Verbraucher über 5 m beträgt.
Der Einsatz eines Thermostats, um die Kühltemperatur stabil zu halten, ist nicht nur für meine Photometrie sinnvoll. Thermostate gibt es für wenige Euro (mein hier gezeigtes Thermostat kostete 14 €) und der zusätzliche Einbauaufwand hält sich in Grenzen. Die aus dem Chinesischen übersetzte Bedienungsanleitung war aber eine echte Herausforderung...
Vor dem Einbau eines Thermostats sollte man diesen eichen (Thermosensor zum Festlegen der 0° C-Temperatur in Eiswasser halten) und mit der Angabe der Chiptemperatur, die in der Regel in der CCD-Steuersoftware ausgewiesen wird, abgleichen.
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