Detektory pro astronomii

Transkript

1 Detektory pro astronomii Základní charakteristiky detektorů Kvantová účinnost poměr vstupního signálu ku výstupnímu signálu Šum suma všech nežádoucích signálů akumulovaných na výstupním signálu Dynamický rozsah poměr max. signálu (saturace) / šumu Linearita převodní poměř energie fotonu ku elektrickému signálu Spektrální citlivost rozsah frekvencí detekovatelných Mrtvá doba čas mezi měřením po který nelze detekovat Temný proud šum závislý na teplotě detektoru

2 Propustnost atmosféry Na propustnosti atmosféry závisí mnoho experimentů. Pokud budeme pozorovat zdroje na povrchu zěme (ve vysokých výškách) musíme tento parametr brát v úvahu. Souvisí to s absorpcí atomů a molek atmosféry. Např. H2O má ve viditelné oblasti obsorpční pásy na 514, 606, 614, 739, 836 nm. UV je odstíněno ozonovou vrstvou,

3 polovodiče

4 Používané detektory : Fotoemitory materiály, které při emitují elektromy při interakci e fotonem (fotokatoda PMT PbO) Fotoabsorbéry - dochází k absobrci fotonu. Polovodiče akceptory Fotovodiče vytvoří se páry el. - dira, které přispívají k vodivosti Fotodiody vytvoří se páry el. - změní se el. potenciál PN přechodu y/elektross/obrazky/dioda36.gif -počet fotonů, -kvant účinnost, - rychlost pohybu (el x dira) -poločas života

5 CCD detektory Nábojově vázané prvky (Charge Coupled Devices CCDs), objeveny roku 1969 (Willard S.Boyle a George E. Smith) Nábojově vázané prvky sice vznikly jako experimentální počítačové paměti, ale jejich schopnost převádět světlo na elektrický signál z nich udělala nejlepší známé detektory světla. Dopadající světlo vytváří v polovodiči elektrický náboj. Elektrony se nemohou volně pohybovat po čipu vlivem svislých negativních potenciálových valů (odpuzují elektrony). Systém vodorovných negativních elektrod vytváří na čipu mřížku tzv. potenciálových studní, z nichž elektrony nemohou uniknout. Každá potenciálová studna reprezentuje jeden obrazový bod čipu.

6 Vyčítání čipu Full frame - celý čip se osvítí a pak se přenáší řádky x sloupce Frame transfer dvě oblasti osvícená x zastíněná (elektronická závěrka). Expozice přesun digitalizace. Hrozi přetékání náboje u jasných bodů do zastíněné oblasti. Interline transfer mají posuvné registry (rádek x sloupec, které jsou zakryté, po expozici jou balíky předunuty a následně digitalizovány

7

8 Color vs monochrome Používají se pásmové propusti s kombinací s mikročočkami pro zvětšení efektivní plochy čipu. Bayerovská matice

9 CYGM ych221/projects/07/demosaicing/cygm_cfa.jpg RGBE filter CYGM filter RGBW filter

10 2D - 3D sensory Různá vlnová délka penetruje sensor do různé hloubky Foveon čip

11 1 CCD vs. 3 CCD 3CCD_grauer_Rahmen/$File/3CCD_d_351.gif

12 Kvantová účinnost Udává poměř vygenerovaného elektrického signálu ku dopadající energii generačního fotonu Ef = OUT/Imput Qef = Nel(t)/Nphotons(t) Qeλ = Rλ/λ x hc/e

13 front-illuminated x back-illuminated

14 Příklady měření kvantové účinnosti

15 Temný šum dark current Signál v CCD nevzniká pouze dopadem světla na fotocitlivé prvky. Dalším zdojrm signálu je tepelný šum vznikající fluktuací elektronů v materiálu čipu. S rostoucí teplotou tento šum narůstá a je závislý na vlastnostech materiálu. Arrheniuv zákon. De elektronový temný proud, E aktivační energie.

16 G Model G Model G používá 16 MPx CCD Kodak KAF Rozlišení 4096 (H) 4096 (V) pixelů Velikost pixelu 9 μm (H) 9 μm (V) Obrazová plocha 36,9 mm (H) 36,9 mm (V) Plná kapacita pixelu ~ etemný proud 3 e-/s/pixel při 25 C Zdvojení tepelného šumu 6,3 C

17 Kvantová účinnost v závislosti na teplotě

18 CCD and CMOS Imaging Devices for Large (Ground Based) Telescopes Veljko Radeka BNL SNIC April 3, 2006

19 Binning, antiblooming Bining analogové sčítání signálů jednotlivých fotocitlivých buněk, horizontální x vertikální. Dojde k sumě signálů v posuvných registrech aniž by se signál vyčetl. antiblooming klasický čip má lineární odezvu na intenzitu světla. V případě saturace dojde k přetečení náboje do sousedních buněk. U některých čipů je přítomna elekroda, která odvádí přebytečný signál ještě před přetečením. f

20 Temný proud, čtecí šum a A/D jednotky Šum snímku : temný proud je dán teplotou a materiálem čipu Čtecí proud je dán akumulací šumu při vyčítání náboje z čipu, je to systematický šum. Kvalitnější čipy mají stanovenou jeho hodnotu a udává je v RMS e Šum A/D převodníku šum vzniklý při převodu nábojového balíků na elektrický signál. Převod signálu na elektrický A/D převodník (analog to digital conversion), jeho rozsah udává počet kvantizačních úrovní. Př. mějme A/D převodník s 12-ti bitovou hloubkou a rozsahem 0-3 V. 1 ADU = 3/2^12 = 7,3E-4 V. CCD pixel generuje např. 10 µv/e-, potom poměr e-/adu = 732µV/ADU / 10 µv/e- = 73 e-/adu

21 CMOS detektory

22

23 Další detektory Lidské oko obnovovací frekvence 0,03 sec (30 sminku/sek), rozlišení 1 acrmin 0,003 rad (měsíc je 30 arcmin). Oko přispůsobené na noc má úhlové rozlišení 14 arcsec modení dalekohledy 2 arcsec. Spektrální rozsah oka je cca nm. Světelnost okaje pro noc dána číslem 3,2 = f/d = F. Fotografie film obsahje krystalky AgBr bromid stříbra při osvětleni probíhá následující chemická reakce : Ag+BR- + foton Ag+ + Br +e-, Br uvolní volný elektronem a reaguje s positivně nabitým AG a vytvoří se atom stříbra, čím více se vytvoří atomů, tim je místo neprůhlednější. Hustota stříbrných zrs není líneární s dobou expozoce, její charkter je s rostoucí dobou logaritmický. Výhodou je právě nelineární odezva, vysoká citlivost v širokém spektru energií.

24 Fotonásobiče pracují na násobení lekktrického náboje systémem elektrod s proměným napětím, které uryhclují elektrony emitované a násobené na dalších elektrodách. Na vstupní okénko s fotokadodou dopadne foton s energií E=hc/λ, a hybností p = E/c =H/λ, pokud výstupní práce elektronu je nižší než energie fotonu, uvolní se z materiálu elektron. Vysoká citlivos pro nízké signály x vysoké napětí, destrukce světlem atd. Ratrovací detektory vidikon, princip podobný televizní obrazovce, skenuje se políčko na které dopadá obraz, jednotlivé pixely generují elektrony, které jsou fokusovány na anodu, proud anodou odpoj vídá intenzitě dopadajícího světla.

25 Silicon PMT - SiPM Sibgle foton detektor, založená na lavinové fotodiodě na křemíkové desce. Malý rozměr, velká hustota pixelů, kvantová účinnost > 20 %, vysoký šum, rekombinace uvnitř materiálu, přetékání náboje mezi pixely.

26 Fotometrické systémy Fotometrie se zabývá měřením intenzity dopadajícího záření od bodového zdroje většinou hvězd, galaxií atd. Jednotkou jsou magnitudy, popř. plošné magnitudy pro povrchy velkých objektů.intenzita se měří pro určité spektrálních šířkách. Pro separaci vlnových rozsahů se využívají širokopásmové filtry. Měří se intenzita zdroje po průchodu atmosférou. Využívají se fotonásobicě, diody apod jednopixelové detektory, nebo CCD detektory plošné. S dobře kalibrovaným CCD se dá měřit intenzita s předností 0,05 mag. Fotometrie fotometrie hvězd, fotometrie měnících se objektů

27 Fotometrie hvězd využívá se Pogsonův vztah m = C -2,5log(F), kde F = 100ADU. C je převodní konstanta. Nejčastěji se volí kalibrace pomocí katalogových hvězd se známou magnitudou. Zavádí se i funkčí závislost c na čase expozice C(t). Je nutné též počítat s pozadím noční oblohy a provádět kompenzaci na toto pozadí. U měření plošných objektů se zavádí jednotka arcsec na pixel a potom plošná jednotka je arcdec čtvereční (''2) na př 25''2 mag. U fotometrie proměnných objektů se stanovuje změna světelnosti v závoslti na čase. A Practical Guide to CCD Astronomy (Practical Astronomy Handbooks) Patrick Martinez, Alain Klotz, Andri Demers, Pierre Léna Astrometrie zabývá se studiem pohybu komet a planetek atd. Nejvíce využívané jsou CCD plošné detektory s trasovacími programy. Dříve se využívala fotografie s časově odstupňovanými snimky. Plošný jas galaxie jako funkce vzdálenosti od středu

28