DEDEKTÖRLER (ALGILAYICILAR) AST404 Gözlemsel Astronomi

Transkript

1 DEDEKTÖRLER (ALGILAYICILAR) AST404 Gözlemsel Astronomi

2 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.

3 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.

4 Bir Elektromanyetik Dalganın Enerjisi E = h x c / λ

5 Astronomide kullanılan dedektörler Zayıf Işık Algılayıcıları olarak bilinirler. Bu cihazlardan temel beklentiler: Olabildiğince yüksek duyarlılık altında, Sinyali olabildiğince kuvvetlendirmek, Foton akısı ile doğru orantılı yanıt üretmek, Sinyali olabildiğince kayıpsız kaydetmektir.

6 Dedektörlerin Karakteristikleri 1. Kuantum Etkinliği QE = ölçülen foton sayısı/gelen foton sayısı 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.

7 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.

8 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.

9 GÖZ

10 GÖZ Açıklık: 2 mm 8 mm (4 mm) Etkin dalgaboyu aralığı A Kontrast: 100:1 ile :1 arasında Megapiksel Odak uzunluğu: ~ 20 mm veya odak oranı F/3.5 7 mm için Ayırma gücü: ~ 14 yay saniyesi Burada, sinθ = 1.22 λ D θ : Açısal ayırma gücü λ : Gelen ışığın dalgaboyu D : Göz merceğinin çapı

11 Göz ün Avantaj ve Dezavantajları 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

12 Canlılarda Tayfsal Yanıt Maymunların gözünden

13 Canlılarda Tayfsal Yanıt Kedi ve köpeklerin gözünden

14 Canlılarda Tayfsal Yanıt Yılanların gözünden

15 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 renk arasında açık ve koyu ton farkını algılayabilir. Sinek ise 1 saniyede 200 renk arası ton farkını görebilir.

16 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.

17 Tayfsal duyarlılık dediğimiz şey nedir? Öncelikle optik filtreleme mantığını anlamalıyız

18 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) + h ( radiation) Ag + Br + e ( ν 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.

19 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.

20 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

21 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: KE e = E foton W = hf W Burada KE e fotoelektronun kinetik enerjisi, W metal in eşik enerjisi veya iş enerjisi, h Planck sabiti ve f gelen fotonun frekansıdır.

22 Fotokatlandırıcı (Fotoelektrik Tüp)

23 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

24 Fotometre (Işık Ölçer) fotometre başlığının içyapısı Kontrol elektroniği Diyafram YV Kaynağı

25 Fotoelektrik Fotometre ile Gözlemler

26 CCD Dedektörler

27 CCD nin Yapısı CCD nin ışığa duyarlı görüntü alanı teleskobun odak düzlemi ile çakıştırılır. Böylece bir elektrik yük deseninden oluşan görüntü elde edilir. Görüntü alanı Metal,seramik ya da plastik paket Bağlantı uçları 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. Kesit Seri kayıt birimi Silikon yonga Yonganın yükseltici birimi Elektrot Yalıtıcı oksit n-türü silikon p-türü silikon

28 Kalın, Önden-aydınlatmalı CCD Gelen fotonlar 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.

29 İnceltilmiş, Arkadan-aydınlatmalı CCD Gelen fotonlar Yansıma-önleyici (AR) kaplama p-türü silikon n- türü silikon 15 µm Silikon dioksit yalıtıcı katman 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.

30 Kuantum Etkinliği - Kıyaslama Kuantum Etkinliği (%) Kaplama Arkadan Aydınlatmalı Önden Aydınlatmalı Dalgaboyu (nanometre)

31 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

32 CCD Çalışma Prensibi Foton - madde ilişkisi (fotonlar >> foto-elektronlar) [fotoelektrik prensibi] Elektronların bir yerde toplanması [küçük hücreler, piksel"] Hücrelerdeki elektronların sayılmak üzere transferi [yük kuyuları - yük transferi] Sayılarak değerinin bulunması [analog-sayısal dönüştürücü, "ADU"] Bu değerlerin koordinatları ile birlikte saklanması, [okuma, "Readout"]

33 CCD Çalışma Prensibi

34 CCD Okuma (Readout) Sıralı Okuma

35 CCD Okuma (Readout) Satır/Sütun Transfer Okuma

36 CCD Okuma (Readout) Çerçeve Aktarımı (Frame Transfer) Okuma

37 Çoklu CCD Kameralar Canada-France-Hawaii Telescope 12 CCD yongadan oluşan bir mozaik CCD görüntüsü

38 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

39 CCD lerde Görüntü Kusurları Karanlık sütunlara (dark column), görüntünün okunması sırasında, yükün dik yönde aktarımını engelleyen tuzaklar neden olur. Parlak Sütun Sıcak Leke kümesi Parlak sütunlar da tuzaklar nedeniyle oluşur. Kozmik ışınlar 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. cm 2 '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.

40 Boyut ve Fiyat

41 Hangi dedektör daha İYİ?!

42 Tayfölçerler

43 Prizmalı Tayfölçer

44 Optik Ağlı Tayfölçer

45 Yıldızların Tayfı

46 CCD üzerinde alınmış örnek bir tayf görüntüsü

47 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.

48 SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI

49 SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI S/N kötü S/N iyi

50 SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI

51 TAYFSAL ÇÖZÜNÜRLÜK Bir tayfın çözünürlüğü; R = λ λ bağıntısı ile verilir. λ; gözlem yapılan dalgaboyunu gösterirken, λ ise ayırdedilebilen en küçük dalgaboyu aralığını göstermektedir.

52 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.

53 R = R = R =

54 Basit bir Tayfölçer

55 X-Işın Dedektörleri XMM-Newton X-ışın uydusunun CCD yongası Proxima Centauri X-ışın görüntüsü (CHANDRA uydusu)

56 Chandra X-ışın Teleskobu nun Aynası