КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина IV

ОСНОВИ ТЕОРЕТИЧНОЇ ТА ПРАКТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

Розділ 10

МЕТОДИ РЕЄСТРАЦІЇ ВИПРОМІНЮВАННЯ НЕБЕСНИХ ТІЛ

10.1. Приймачі випромінювання

Для реєстрації зображення, що будується у фокальній площині телескопа його оптичною системою, а також для всебічного вивчення потоків випромінювання від далеких світил у сучасній астрономії розроблено ряд приймачів випромінювання і допоміжних приладів.

Серед загальних характеристик приймача випромінювання виділяють такі:

1. Чутливість — інтенсивність реакції або відгук на світловий сигнал.

2. Поріг чутливості — мінімальне значення потоку (освітленості), яке ще можна зареєструвати.

3. Спектральна характеристика — залежність чутливості від довжини хвилі.

4. Шум — флуктуації на виході приймача, які знижують поріг його чутливості.

5. Світлова характеристика — залежність величини корисного сигналу на виході приймача від потоку (освітленості). Така залежність може бути лінійною, логарифмічною тощо.

6. Динамічний діапазон — відношення максимального потоку (освітленості) до мінімального, які можуть бути виміряні приймачем.

7. Квантовий вихід — величина, обернена найменшій кількості квантів світла, потрібних для реєстрації мінімального світлового сигналу.

Природним приймачем енергії є око. Як виявилося, з кожних 33 фотонів, що потрапляють у нього, у середньому лише один створює зорове відчуття, тобто квантовий вихід ока становить усього 3%. Поріг його чутливості — близько 103 квантів/с. Око є чутливим лише до квантів видимої частини спектрального діапазону. Максимум чутливості знаходиться біля 5550 А. Оком можна помітити зменшення потоку випромінювання на одну соту його величини (ΔΕ/Ε = 0,01). У зоряних величинах це відповідає амплітуді близько 0,01m. Важливою властивістю ока є його здатність до адаптації — зміни світлової характеристики залежно від рівня освітленості.

Фотографічна емульсія. Систематично використовувати фотографію в астрономії почали приблизно з 1880 р. Майже до кінця XX століття переважну більшість усіх астрономічних спостережень здійснювали шляхом фотографування об'єктів (або їхніх спектрів) на фотоемульсію. Саме цей метод дав першу змогу вивчати об'єкти, недосяжні для візуальних спостережень. Можна без перебільшення сказати, що використання фотоемульсії в астрономії зробило переворот. Фотографічна емульсія, на відміну від ока, здатна накопичувати кванти світла; на ній одночасно можуть бути зафіксовані сотні і тисячі світил. Отримане ж зображення певної ділянки неба або об'єкта може зберігатися багато років.

Ось декілька конкретних цифр. При спостереженнях на телескопі-рефлекторі з діаметром дзеркала 5 метрів на приймач від зорі, що має зоряну величину 24m, надходить усього 54 кванти світла за секунду. Фотоемульсія у змозі реєструвати такі потоки. Вона має унікальну інформаційну місткість. Наприклад, ділянка фотопластинки розміром 1 см2 здатна зареєструвати 3000 зір і за обчисленнями несе 3-105 біт інформації. Оскільки на камерах Шмідта використовувалися пластинки розміром 35,6x35,6 см, то один такий астрономічний негатив зберігає таку ж інформацію, як і 2000 книг по 100 сторінок кожна.

Більша частина світла, яке потрапляє на емульсію, відбивається (до 40%) або проходить наскрізь (до 58%) і лише 2% поглинається в ній. Тому квантовий вихід фотоемульсії є відносно невеликим. Динамічний діапазон фотографічних емульсій також є досить малий — близько 100.

Світло джерела спричиняє почорніння фотоемульсії. З фізичної точки зору почорніння D визначається функцією двох змінних — освітленості E, яку створює джерело, і тривалості експозиції t. За допомогою характеристичної кривої фотоемульсії, тобто графічної залежності D від E, можна від почорніння фотоемульсії перейти до освітленості, яка створюється небесним світилом на фотопластинці. Саму ж характеристичну криву будують за допомогою спеціального штучного калібрувального джерела. Суттєвий недолік характеристичної кривої фотоемульсії — її нелінійність.

Звичайна (бромосрібна) фотоемульсія найчутливіша до фіолетової ділянки спектра з ефективною довжиною хвилі близько 4300 А. Щоб зробити її чутливою до довших хвиль, до неї домішують барвники, здатні поглинати кванти світла. Такий процес називається оптичною сенсибілізацією. Сенсибілізовані емульсії, які мають вдосконалену спектральну характеристику і є чутливими до випромінювання у ділянці 4000—6500 А, називаються панхроматичними. В астрономії використовують також інфрахроматичні емульсії, чутливі до інфрачервоних хвиль з довжиною до 9000—16 000 А. Для підвищення світлочутливості фотоемульсій у декілька разів було розроблено методи їх гіперсенсибілізації. Це дало змогу скоротити тривалість експозицій.

Широко в астрономії застосовувалася і кольорова емульсія, що дало змогу виявляти особливості структури газових туманностей тощо.

Фотоелектронні помножувачі. Потік фотонів, що надходить від небесного світила, можна перетворити в електричний струм. На цьому і грунтується принцип роботи фотоелектронних приймачів випромінювання або фотопомножувачів, які використовують в астрономії з середини 40-х років XX ст. На базі фотопомножувачів конструюють зоряні електрофотометри і лічильники фотонів. Якраз вони здатні вимірювати потоки світла з високою точністю. Наприклад, за їх допомогою блиск зорі оцінюють з похибкою 0,005m, тоді як для фотоемульсії похибка сягає 0,1m. Недоліком є те, що електрофотометри мають мале поле зору: як правило, у кожен момент можна спостерігати лише одну конкретну зорю.

Як відомо, фотопомножувач — складова частина фотоелектричного фотометра. Це скляний прозорий балон, в якому створено високе розрідження і в який вмонтовано фотокатод, загалом до 20 емітерів (динодів) і анод. Усі вони мають виводи, до яких подаються зростаючі електричні потенціали. Електрон, вирваний унаслідок фотоефекту з фотокатода, прискорюється в електричному полі, співударяється з поверхню першого емітера і вибиває з нього декілька електронів, які, у свою чергу, рухаються в напрямі до другого емітера і т. д. У підсумку кількість електронів, що потрапляє на анод, буде у 106—109 разів більша від початкової кількості електронів, вирваних із катода. Таким чином, кожному кванту, який надходить від джерела до фотометра, відповідає певна величина електричного струму. Шляхом вимірювання останнього можна визначити характеристики випромінювання джерела. Важлива перевага фотоелектронних помножувачів, що відрізняє їх від фотоемульсій, — це їх лінійність. Квантовий вихід є теж набагато більшим — він становить 10—30 %.

Спектральна характеристика фотоелектронного помножувача залежить від матеріалу, з якого виготовлено фотокатод. Найбільш розповсюдженими є сурм'яно-цезієві, мультилужні та киснево-цезієві катоди. Вони є чутливими у блакитній та ІЧ ділянках спектра.

Одна з серйозних вимог до фотопомножувачів така: темновий струм (він виникає внаслідок термоемісїї — самовільного випаровування електронів з емітерів при досить високій температурі останніх) повинен бути якомога меншим. Лише тоді корисний сигнал від джерела буде сильніший за тепловий шум самого фотокатода. Для цього деякі типи фотопомножувачів під час роботи охолоджують сухим льодом до температури 203 К.

Твердотільні фотоприймачі. З початку 70-х років в астрономії почали застосовувати твердотільні приймачі випромінювання, дія яких грунтується на притаманному усім напівпровідникам явищі внутрішнього фотоефекту.

Квантовий вихід тут перевищує 50 %. Робочий спектральний діапазон простягається від УФ до ІЧ ділянки спектра. Для зниження шумів прилад охолоджують до температури рідкого азоту (77 К).

Найпоширенішими стали прилади, в яких використовується структура МОН (метал-оксид-напівпровідник), причому напівпровідником є кремнієва кристалічна пластинка. Між металом (електродом) і напівпровідником (підкладкою) прикладається зворотна різниця потенціалів — на електроді мінус, на підкладці плюс. Завдяки цьому під електродом виникає шар, збіднений вільними носіями зарядів. Фотони, що поглинаються у товщині кремнію, породжують носіїв зарядів — електрони і дірки, причому другі відходять через підкладку на землю. Електрони ж накопичуються в МОН-конденсаторах під тими фазовими електродами, на які подано додатну напругу. Переважно спосіб реєстрації такий, що кожен з цих елементів (МОН-конденсатор) формує елемент зображення, який називається піксель (від англ. pixel—picture element).

За особливостями зчитування інформації твердотільні приймачі поділяються на три типи. У приладах з інжекцією заряду (ПЗІ) при зчитуванні знімається напруга, унаслідок чого носії (дірки) переходять (інжектуються) від поверхні контакту між підкладкою та оксидом у підкладку. При цьому в зовнішньому колі виникає імпульс струму, пропорційний величині накопиченого заряду. У приладах із зарядовим зв'язком (ПЗЗ) накопичення і зберігання заряду такі ж, однак зчитувальний пристрій видає назовні величину реального заряду. Це досягається за допомогою провідних каналів (регістрів зсуву). Третім типом є ретикони — фотодіодні матриці з індивідуальним підключенням діодів, на які подана зворотна напруга.

Сучасні ПЗЗ (рис. 10.1) налічують більше 16 млн. пікселів, що забезпечує високу роздільну здатність і недосяжну для інших приймачів якість зображення.

image85

Рис. 10.1. Сучасний ПЗЗ для реєстрації світла






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.