sunum
Transkript
sunum
DEDEKTÖRLER (ALGILAYICILAR) AST404 Gözlemsel Astronomi Dedektör (Algılayıcı) nedir? Elektromanyetik dalga formundaki enerji akısını ölçülebilir niceliklere çeviren ve kayıt edilmesini sağlayan cihazlardır. Örneğin ışınım akısını (fotonlar) elektrik sinyallerine (foto elektronlara) çeviren ışıkölçerler (fotometreler) gibi. Göz Fotoğraf Plağı Fotoelektrik Tüp CCD Yonga vb. Elektromanyetik Tayf Gama ışınlarından radyo dalgalarına kadar olası tüm frekanslardaki (dalgaboylarındaki) elektromanyetik ışınımın (dalgaların) dağılımıdır. Bu ışınımlar, temel olarak foton-atom etkileşmesi ile ortaya çıkar. Bir Elektromanyetik Dalganın Enerjisi E = hxc/λ Astronomide kullanılan dedektörler “Zayıf Işık Algılayıcıları” olarak bilinirler. Bu cihazlardan temel beklentiler: Olabildiğ ğince yüksek duyarlıılıık altıında, Sinyali olabildiğ ğince kuvvetlendirmek, Foton akıısıı ile doğ ğru orantıılıı yanııt üretmek, Sinyali olabildiğ ğince kayııpsıız kaydetmektir. Dedektörlerin Karakteristikleri 1. Kuantum Etkinliği QE = ölçülen foton sayıısıı/gelen foton sayıısıı 2. Tayfsal Yanıt Bir dedektöre farklı dalgaboylarında fakat eş enerjili yani yeğinliği eşit ışınlar gönderdiğimizde, çıkışında elde edilen yanıt dalgaboyuna göre değişecektir. 3. Doğrusallık Bir dedektörün çıktı sinyali, gelen ışık miktarıyla doğru orantılıysa bu dedektör için “doğrusaldır” denir. İdeal bir dedektör için, gelen foton sayısı ile çıktı sinyali düzeyinin tüm dalgaboylarında lineer orantılı olması beklenir. Dedektörlerin Karakteristikleri 4. Dinamik Aralık Dedektör çıkışında, kayıpsız ölçülebilen maksimum ve minimum sinyal seviyeleri arasındaki orandır. Dedektörün en yüksek ve en düşük sinayli eşzamanlı ölçebilme yeteneğini ortaya koyar. 5. Gürültü İdeal olarak, çıktı sinyali gelen foton sayısı ile doğru orantılı olmalıdır. Ancak çıktı sinyalinde daima belirsizlikler olacaktır. Bu belirsizlikler genelde “Gürültü” olarak adlandırılır. Temel gürültü kaynakları: (1) Gözlenen kaynaktan gelen foton gürültüsü, (2) Gök arkalan foton gürültüsü, (3) Aletsel gürültü. Bu belirsizlik Sinyal/Gürültü Oranı (S/N) parametresi ile ölçülür. Dedektörlerin Karakteristikleri 6. Ayrıma Gücü Bir dedektörün üzerinde oluşan görüntüde iki yakın cismi ayrıt edebilme yeteneğidir. Teleskop ve benzeri optik cihazlarla bütünleşik çalışan dedektörlerde hem optik cihazın hem de dedektörün ayrıma gücü yeteneklerinin bileşkesi sonuç bir ayrıma gücü oluşturur. GÖZ GÖZ • Açıklık: 2 mm – 8 mm (4 mm) • Etkin dalgaboyu aralığı 4000 – 7000 A • Kontrast: 100:1 ile 1.000.000:1 arasında • 300 – 500 Megapiksel • Odak uzunluğu: ~ 20 mm veya odak oranı F/3.5 • 7 mm için Ayırma gücü: ~ 14 yay saniyesi Burada, λ sinθ = 1.22 D θ : Açısal ayırma gücü λ : Gelen ışığın dalgaboyu D : Göz merceğinin çapı Göz’ün Avantaj ve Dezavantajlarıı Avantajları - bir fiyatı yok - geniş bir tayfsal yanıt - büyük dinamik aralık - yüksek çözünürlük Dezavantajları - gelen ışığın çok az bir kesrini algılar - ışık biriktiremez (1/10 sn’de bir görüntüyü yeniler) - zamanla görüş kalitesi bozulur Canlılarda Tayfsal Yanıt Maymunların gözünden Canlılarda Tayfsal Yanıt Kedi ve köpeklerin gözünden Canlılarda Tayfsal Yanıt Yılanların gözünden Canlılarda Dinamik Aralık Sineklerin ve arıların gözünden Sinekte bulunan 1 çift göz toplam 400 bin civarında petekten meydana gelmiştir. Sinekte bulunan her bir göz mükemmel derecede görür. Başının arka tarafını da görebilir. İnsanın gözü 1 saniyede 30 – 40 renk arasında açık ve koyu ton farkını algılayabilir. Sinek ise 1 saniyede 200 renk arası ton farkını görebilir. Canlılarda Kuantum Etkinliği Baykuşların gözünden Cisimleri ağırlıklı olarak mor renk ve tonlarında görürler. Bunun sebebi gözlerindeki “Rod hücreleri”dir. En zayıf ışığı bile gözlerinde kimyasal bir sinyale çevirebilirler. İnsanın karanlıkta ancak farkına varabildiği bir ışık parıltısını günışığı gibi algılayabilirler. Tayfsal duyarlılık dediğimiz şey nedir? Öncelikle optik filtreleme mantığını anlamalıyız Fotoğraf Plağı Fotoğrafçılık 1840’lı yıllarda keşfedildi. Ancak 1900’lü yılların başından itibaren astronomide yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Cam üzerine ince gümüş karışımı kaplanmış (AgBr) plakalardan oluşur. Mikron boyuntundaki AgBr kristalleri (grenler) bu plakaya bir jelatin emülsyonla yapışıktır. Bir foton bu kristallere çarptığında: Gümüş iyonları serbest kalır ve bir elektronla birleşerek bir gümüş atomu oluşturur Ag + Br − (crystal ) + hν (radiation ) → Ag + + Br + e − Ag + + e − → Ag (atom) Pozlanmış bu gümüş karışımındaki serbest gümüş atomları plaka üzerinde gizli bir görüntü oluşturur. Gizli görüntüler daha sonra özel solüsyonlarla işlenir (banyo edilir) ve görüntü ortaya çıkarılır. Fotoğraf Plağı Plak yüzeyindeki ışığa duyarlı gümüşlü kristal tanecikleri (grenler), jelatin emülsyonda rasgele dağılmışlar. Gren boyutları da rasgele dağılım gösterir. Daha büyük tanecikler daha fazla foton toplamdan sorumlu iken, Küçük tanecikler daha iyi bir çözünürlük elde etmekten sorumludurlar. Fotoğraf Plağı M31 - Andromeda Gökadası: Brad Wallis ve Robert Provin, 100x130 mm Kodak Tech Pan Plak, 2 saat poz süresi, 15 cm açıklık f/7.5 mercekli teleskop Fotoelektrik Olay Fotonlar (E=hf) Bir kaynaktan yayılan elektromanyetik dalganın, bir madde (katı, sıvı veya gaz metal veya ametaller) yüzeyine çarpması sonucu maddeden elektron yayınlanması olayıdır. Maddeden yayınlanan bu elektronlar “fotoelektron” olarak adlandırılır. Bir fotoelektron iletken bir yüzeye çarptığında o yüzeye hareket enerjisini büyük oranda aktararak başka bir elektromanyetik dalga üretebilir. Eğer Enerjinin Korunumu yasasını bu durum için incelersek: KEe = Efoton – W = hf – W Burada KEe fotoelektronun kinetik enerjisi, W metal’in eşik enerjisi veya iş enerjisi, h Planck sabiti ve f gelen fotonun frekansıdır. Fotokatlandırıcı (Fotoelektrik Tüp) Fotometre (Işık Ölçer) Tipik bir fotometre başlığı OPTEC SSP-5 “Fotoelektrik Fotometre” • Işığa duyarlı foto-dedektör (fotoelektrik tüp) • Yüksek voltaj kaynağı • Opto-mekanik aygıtlar • Filtreler • Kontrol elektroniği • Yardımcı donanım Fotometre (Işık Ölçer) fotometre başlığının içyapısı Kontrol elektroniği Diyafram YV Kaynağı Fotoelektrik Fotometre ile Gözlemler CCD Dedektörler CCD’nin Yapısı CCD’nin ışığa duyarlı görüntü alanı teleskobun odak düzlemi ile çakıştırılır. Görüntü alanı Metal,seramik ya da plastik paket Bağlantı uçları Böylece bir elektrik yük deseninden oluşan görüntü elde edilir. Altın bağ telleri Bağlantı birimleri Poz süresi sonunda bu desen, yonga üzerindeki seri kayıt birimi yoluyla, pikseller olarak aktarılır. Dış ortamla elektrik bağlantıları seri bağ birimleri ve yonganın çevresindeki ince altın tellerle sağlanır. Silikon yonga Yonganın yükseltici birimi Seri kayıt birimi Elektrot Yalıtıcı oksit n-türü silikon Kesit p-türü silikon Gelen fotonlar Kalın, Önden-aydınlatmalı CCD Yansıyan fotonlar p-türü silikon (elektron az) n-türü silikon (elektron fazla) 625 µm Silikon dioksit yalıtım katmanı Polisilikon elektrotlar Bunların üretiminde, yaygın kullanılan katman üretim teknikleri kullanılması nedeniyle ucuzdur. Genel görüntüleme amaçlı uygulamalar için kullanılır. Tüm fotonların algılanamamasına karşın, bu aletler yine de fotoğraf filmlerinden daha duyarlıdırlar. Işığın yüzey elektrotları tarafından soğurulması ve yansıtılması nedeniyle düşük bir Kuantum Etkinliği'ne sahiptirler. Mavi bölgedeki duyarlıkları kötüdür. Elektrot yapısı, verimliliği arttıracak olan yansıma-engelleyici kaplama yapılmasını engeller. Sınırlı maddi olanağı olan amatör gökbilimciler, kalın CCD'leri kullanmayı düşünebilir. Profesyonel gözlemevlerinde büyük bir gözlem aracını çalışır durumda tutmak için yapılan harcamalar, algılayıcıların olası en büyük duyarlıkta olmasını gerektirmektedir; buralarda kalın önden-aydınlatmalı yongalar genelde kullanılmaz. Gelen fotonlar İnceltilmiş, Arkadan-aydınlatmalı CCD Yansıma-önleyici (AR) kaplama p-türü silikon n- türü silikon Silikon dioksit yalıtıcı katman 15 µm Polisilikon elektrotlar p-türü silikon katman mekanik ve kimyasal yolla aşındırılarak yaklaşık 15 mikron kadar bir kalınlığa düşürülür. Işık arkadan girer ve böylece elektrotlar fotonları engellemez. Bu yolla Kuantum Etkinliği %100’lere ulaşabilir ve çok düşük ışığa duyarlı hale gelir. Yonga üretim teknikleri açısından “inceltme işlemi” sıradan bir işlem değildir, seri imalat sırasında yapılamaz. Dolayısıyla çok pahalıdır. İnceltilmiş CCD'ler yakın kırmızı-öte için neredeyse saydamdır ve kırmızı duyarlığı kötüdür. Duyarlık, inceltilmiş arka yüzeye yansıma-önleyici kaplama uygulanmasıyla arttırılabilir. Bu kaplamalar, yüzey elektrotlarının oluşturduğu kabartılar nedeniyle kalın CCD'lerde çok iyi görev yapmaz. Profesyönel Gökbilim amaçlı kullanılan CCD'lerin neredeyse tamamı İnceltilmiş ve Arkadan-Aydınlatmalı'dır. Kuantum Etkinliği (%) Kuantum Etkinliği - Kıyaslama Arkadan Aydınlatmalı Kaplama Önden Aydınlatmalı Dalgaboyu (nanometre) CCD - avantajlar Elektronik ve fotografik görüntüleme aygıtları arasında belirgin üstünlüklere sahiptirler. • Küçüktürler • Işığa karşı doğrusal yanıt verirler • Yüksek kuantum etkinliğine sahiptirler • Geniş bir aralıkta tayfsal yanıt verirler • Kararlıdırlar (Soğutma ve ısı stabilitesi !?) • Çok yüksek çözünürlük seçeneği sunarlar CCD Çalışma Prensibi Foton - madde ilişkisi (fotonlar >> foto-elektronlar) [fotoelektrik prensibi] Elektronların bir yerde toplanması [küçük hücreler, “piksel"] Hücrelerdeki elektronların sayılmak üzere transferi [yük kuyularıı - yük transferi] Sayılarak değerinin bulunması [analog-sayıısal dönüş ştürücü, "ADU"] Bu değerlerin koordinatları ile birlikte saklanması, [okuma, "Readout"] CCD Çalışma Prensibi CCD – Okuma (Readout) Sıralı Okuma CCD – Okuma (Readout) Satır/Sütun Transfer Okuma CCD – Okuma (Readout) Çerçeve Aktarımı (Frame Transfer) Okuma Çoklu CCD Kameralar © Canada-France-Hawaii Telescope 12 CCD yongadan oluşan bir mozaik CCD görüntüsü Profesyönel CCD kameralar özel soğutucu düzenekler içeren karmaşık yapılardır SIVI SOĞUTMALI •Sıvı Azot •Sıvı Helyum •Kapalı devre antifriz dolaşımlı TERMOELEKTRİK SOĞUTMALI • Peltier soğutma • Fan ile ısı boşaltımı CCD’lerde Görüntü Kusurları Karanlık sütunlara (dark column), görüntünün okunması sırasında, yükün dik yönde aktarımını engelleyen tuzaklar neden olur. Parlak Sütun Sıcak Leke kümesi Kozmik ışınlar Parlak sütunlar da tuzaklar nedeniyle oluşur. Sıcak Lekeler normal kara akımdan daha yüksek değere sahip olan, ışık-yayan ve minik LEDler gibi davranan piksellerdir. Bir EEV42-80 CCD’sinin düz-alan görüntüsü. Kozmik ışınlar: Uzaydan gelen yüklü parçacıklar ya da kameranın yapıldığı maddedeki radyoaktif kalıntılar silikon içinde iyonlaşmalara neden olabilir. Üretilen elektronlar, ışıkla-üretilen elektronlardan ayırdedilemezler. cm2'de dakikada yaklaşık olarak 2 kozmik ışın görülebilir. Tipik bir kozmik ışının izi bir kaç bitişik piksel boyunca yayılabilir ve bir kaç bin elektron içerebilir. Bir EEV42-80 CCD’sinin 900 saniyelik karanlık (dark) pozu. Boyut ve Fiyat Hangi dedektör daha “İYİ” ?! Tayfölçerler Prizmalı Tayfölçer Optik Ağlı Tayfölçer Yıldızların Tayfı CCD üzerinde alınmış örnek bir tayf görüntüsü SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI Sinyal / gürültü oranı (S/N), dedektöre gelen sinyal seviyesi ile gürültü seviyesinin oranıdır. Gürültü, gökyüzü arkaalanından gelen ışınıma ilaveten ortamın sıcaklığı, aletsel ve çevresel şartlardan oluşan istenmeyen sinyallerin tamamına verilen addır. S/N oranının yüksek olması, daha kaliteli bir tayf anlamına gelir ve tayftaki daha çok sayıda zayıf çizginin ölçülebilmesini sağlar. Düşük S/N oranlarında ise, zayıf çizgiler gürültü seviyesinin içerisinde kalarak ondan ayırdedilemezler ve dolayısıyla ölçülemezler. SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI S/N ⇒ kötü S/N ⇒ iyi SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI TAYFSAL ÇÖZÜNÜRLÜK Bir tayfın çözünürlüğü; λ R= ∆λ bağıntısı ile verilir. λ; gözlem yapılan dalgaboyunu gösterirken, ∆λ ise ayırdedilebilen en küçük dalgaboyu aralığını göstermektedir. TAYFSAL ÇÖZÜNÜRLÜK Tayfın çözünürlüğü arttıkça, birbirine daha yakın çizgiler ayırdedilebilir. Çözünürlüğün düşmesi ise yakın çizgilerin tayfta birleşerek birbirinden ayırdedilememesi sonucunu doğurur. Bir optik ağlı tayfçekerde çözünürlük optik sistemin odak uzunluğuna, giriş yarığının yarıçapına ve optik ağın basamak sayısına bağlıdır. Tayfsal çözünürlüğü artırmak için optik sistemin odak uzunluğunu artırmak veya daha fazla basamağa sahip bir optik ağ kullanmak gerekmektedir. Çözünürlük ile giriş yarığının genişliği ise ters orantılıdır. Çözünürlüğü artırmak için giriş yarığının genişliğini azaltıldığında optik sisteme giren ışığı ve dolayısıyla foton kazancını azaltacağı için tercih edilmemektedir. R = 15.000 R = 100.000 R = 500.000 Basit bir Tayfölçer X-Işın Dedektörleri XMM-Newton X-ışın uydusunun CCD yongası Proxima Centauri X-ışın görüntüsü (CHANDRA uydusu) Chandra X-ışın Teleskobu’nun Aynası