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