dedektörler (algilayicilar) ast404 gözlemsel · pdf fileolabildi ğğğince...

DEDEKTÖRLER(ALGILAYICILAR)

AST404 Gözlemsel Astronomi

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.

Dedektör (Algılayıcı) nedir?

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 = h x c / λλλλ

� Olabildi ğğğğince yüksek duyarl ıııılıııık alt ıııında,

� Sinyali olabildi ğğğğince kuvvetlendirmek,

� Foton ak ıııısıııı ile do ğğğğru orant ıııılıııı yan ııııt üretmek,

� Sinyali olabildi ğğğğince kay ııııps ıııız kaydetmektir.

Astronomide kullanılan dedektörler

“Zayıf I şık Algılayıcıları”

olarak bilinirler.Bu cihazlardan temel beklentiler:

Dedektörlerin Karakteristikleri

1. Kuantum Etkinliği

QE = ölçülen foton say ıııısıııı/gelen foton say ıııısıııı

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 olmasıbeklenir.

Dedektörlerin Karakteristikleri4. 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. Gürültüİdeal olarak, çıktı sinyali gelen foton sayısı ile doğru orantılıolmalıdır. Ancak çıktı sinyalinde daima belirsizlikler olacaktır. Bu belirsizlikler genelde “Gürültü” olarak adlandırılır. Temel gürültükaynakları:(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 GücüBir dedektörün üzerinde oluşan görüntüde iki yakın cismi ayrıt edebilme yeteneğidir. Teleskop ve benzeri optik cihazlarlabütünleşik 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,

θ : Açısal ayırma gücü

λ : Gelen ışığın dalgaboyu

D : Göz merceğinin çapıD1.22sin

λθ =

Göz’ün Avantaj ve Dezavantajlarıııı

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 YanıtMaymunların gözünden

Kedi ve köpeklerin gözünden

Canlılarda Tayfsal Yanıt

Yılanların gözünden

Canlılarda Tayfsal Yanıt

Canlılarda Dinamik Aralık

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.

Sineklerin ve arıların gözünden

Canlılarda Kuantum Etkinliği

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.

Baykuşların gözünden

Tayfsal duyarlılık dediğimiz şey nedir?Öncelikle optik filtreleme mantığını anlamalıyız

Fotoğraf Plağı

Fotoğrafçılık 1840’lı yıllarda keşfedildi. Ancak 1900’lü yılların başından itibarenastronomide 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

Pozlanmış bu gümüş karışımındaki serbest gümüş atomları plaka üzerinde gizli bir görüntü oluşturur.

Gizli görüntüler daha sonra özel solüsyonlarla işlenir (banyo edilir) ve görüntüortaya çıkarılır.

−+−+ ++→+ eBrAgradiationhcrystalBrAg )()( ν

)(atomAgeAg →+ −+

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

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.

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:

Fotonlar (E=hf)

Fotokatlandırıcı (Fotoelektrik Tüp)

Fotometre (Işık Ölçer)

Tipik bir fotometre ba şlığı

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

Diyafram

YV Kaynağı

Kontrol elektroni ği

Fotoelektrik Fotometre ile Gözlemler

CCD Dedektörler

CCD’nin ışığa duyarlı görüntü alanı teleskobun odak düzlemi ile çakıştırılır.

Böylece bir elektrik yük deseninden oluşan görüntü elde edilir.

Poz süresi sonunda bu desen, yonga üzerindeki seri kayıt birimi yoluyla, pikseller olarak aktarılır.

Dış ortamla elektrik bağlantılarıseri bağ birimleri ve yonganın çevresindeki ince altın tellerle sağlanır.

Bağlantı uçları

Altın bağ telleri

Bağlantı birimleri

Silikon yonga

Metal,seramik ya da plastik paketGörüntü alanı

Seri kayıt birimi

Yonganın yükseltici birimi

CCD’nin Yapısı

Kesit

ElektrotYalıtıcı oksitn-türü silikon

p-türü silikon

Bunların üretiminde, yaygın kullanılan katman üretim teknikleri kullanılması nedeniyleucuzdur. Genel görüntüleme amaçlı uygulamalar için kullanılır. Tüm fotonlarınalgılanamamasına karşın, bu aletler yine de fotoğraf filmlerinden daha duyarlıdırlar.

Işığın yüzey elektrotları tarafından soğurulması ve yansıtılması nedeniyle düşük birKuantum 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 içinyapılan harcamalar, algılayıcıların olası en büyük duyarlıkta olmasını gerektirmektedir; buralarda kalın önden-aydınlatmalı yongalar genelde kullanılmaz.

n-türü silikon (elektron fazla)

p-türü silikon (elektron az)

Silikon dioksit yalıtım katmanı

Polisilikon elektrotlar

Gel

enfo

tonl

ar

625 µm

Yansıyanfotonlar

Kalın, Önden-aydınlatmalı CCD

p-türü silikon katman mekanik ve kimyasal yolla aşındırılarak yaklaşık 15 mikron kadarbir 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 içinneredeyse saydamdır ve kırmızı duyarlığı kötüdür. Duyarlık, inceltilmiş arka yüzeyeyansıma-önleyici kaplama uygulanmasıyla arttırılabilir. Bu kaplamalar, yüzeyelektrotlarının oluşturduğu kabartılar nedeniyle kalın CCD'lerde çok iyi görev yapmaz.

Profesyönel Gökbilim amaçlı kullanılan CCD'lerin neredeyse tamamı İnceltilmi ş veArkadan-Aydınlatmalı 'dır.

n- türü silikon

p-türü silikon

Silikon dioksit yalıtıcı katman

Polisilikon elektrotlar

Gel

en fo

tonl

ar Yansıma-önleyici (AR) kaplama

15 µm

İnceltilmiş, Arkadan-aydınlatmalı CCD

Kuantum Etkinliği - Kıyaslama

Dalgaboyu (nanometre)

Kua

ntum

Etk

inliğ

i(%

)Arkadan Aydınlatmalı

ÖndenAydınlatmalı

Kaplama

CCD - avantajlar

Elektronik ve fotografik görüntüleme aygıtlarıarasında 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[küçü k hücreler, “piksel"]

Hücrelerdeki elektronların sayılmak üzere transferi [yük kuyular ıııı - yük transferi]

Sayılarak değerinin bulunması[analog -say ıııısal dönü şşşştürücü, "ADU"]

Bu değerlerin koordinatları ile birlikte saklanması, [okuma, "Readout"]

CCD Çalışma Prensibi

CCD – Okuma (Readout)

� Sıralı Okuma

� Satır/Sütun Transfer Okuma

CCD – Okuma (Readout)

� Çerçeve Aktarımı (Frame Transfer) Okuma

CCD – Okuma (Readout)

© Canada-France-Hawaii Telescope

12 CCD yongadan oluşan bir mozaik CCD görüntüsü

Çoklu CCD Kameralar

Profesyönel CCD kameralarözel soğutucu düzenekler içeren karmaşık yapılardır

SIVI SOĞUTMALI

•Sıvı Azot

•Sıvı Helyum

•Kapalı devreantifriz dolaşımlı

TERMOELEKTRİK SOĞUTMALI

• Peltier soğutma

• Fan ile ısı boşaltımı

Bir EEV42-80 CCD’sinindüz-alan görüntüsü.

Karanlık sütunlar a (dark column), görüntünün okunması sırasında, yükündik yönde aktarımını engelleyentuzaklar neden olur.

Parlak sütunlar da tuzaklar nedeniyle oluşur.

Sıcak Lekeler normal kara akımdan daha yüksekdeğere sahip olan, ışık-yayan ve minik LEDler gibidavranan piksellerdir.

Kozmik ı şınlar: Uzaydan gelen yüklü parçacıklarya da kameranın yapıldığı maddedeki radyoaktifkalıntılar silikon içinde iyonlaşmalara nedenolabilir. Üretilen elektronlar, ışıkla-üretilenelektronlardan ayırdedilemezler. cm2'de dakikadayaklaşık olarak 2 kozmik ışın görülebilir. Tipik birkozmik ışının izi bir kaç bitişik piksel boyuncayayılabilir ve bir kaç bin elektron içerebilir.

Kozmik ışınlar

Sıcak Lekekümesi

ParlakSütun

Bir EEV42-80 CCD’sinin 900saniyelik karanlık (dark) pozu.

CCD’lerde Görüntü Kusurları

Boyut ve Fiyat

Hangi dedektör daha “İYİ” ?!

Tayfölçerler

Prizmalı Tayfölçer

Optik Ağlı Tayfölçer

Yıldızların Tayfı

CCD üzerinde alınmışörnek bir tayf görüntüsü

Sinyal / gürültü oranı (S/N), dedektöre gelen sinyal seviyesi ile gürültüseviyesinin 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

SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI

S/N ⇒ kötü S/N ⇒ iyi

SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI

Bir tayfın çözünürlüğü;

bağıntısı ile verilir.

λ; gözlem yapılan dalgaboyunu gösterirken,∆λ ise ayırdedilebilen en küçük dalgaboyu aralığını göstermektedir.

λ∆λ=R

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 uzunluğunuartırmak 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.

TAYFSAL ÇÖZÜNÜRLÜK

R = 15.000

R = 100.000

R = 500.000

R = 15.000

Basit birTayfölçer

X-Işın Dedektörleri

Proxima Centauri X-ışın görüntüsü(CHANDRA uydusu)

XMM-Newton X-ışın uydusununCCD yongası

Chandra X-ışınTeleskobu’nun

Aynası