🗊Презентация Практическая астрофизика

Практическая астрофизика Обзорная лекция Шевченко В.Г. Кафедра астрономии и космической информатики ХНУ имени В.Н. Каразина

Типы телескопов: линзовые - рефракторы (диоптрические) зеркальные - рефлекторы (катоптрические) зеркально - линзовые (катадиоптрические)

Некоторые характеристики телескопов

Некоторые характеристики телескопов

Некоторые характеристики телескопов

Аберрации телескопов

Аберрации телескопов

Аберрации телескопов

Аберрации телескопов

Аберрации телескопов

Исследование оптики

Исследование оптики

Некоторые системы телескопов - рефлекторов

Некоторые системы телескопов - рефлекторов

Система Шмидта и менисковые системы Максутова

GTC Great Telescope Canary Диаметр зеркала 10.4 м 36 шестиугольных зеркал Канарские острова высота 2267 м F = 16.5 м

Телескопы Кека I, II

Hobby-Eberly

LBT

Very Large Telescope (VLT)

Subaru

Gemini

Схемы телескопов в рентгеновском диапазоне

Чандра

Свифт

Телескопы в радио диапазоне

Телескопы в радиодиапазоне Синфазные решетки, апертурный синтез

РАТАН 600

ALMA

Экваториальная установка

Монтировки телескопов

Монтировки телескопов

Монтировки телескопов

ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Приёмники излучения разделяются на одноканальные (фотоэлементы, фотосопротивления, болометры, счётчики и др.) и многоканальные (глаз, фотопластинки, ПЗС- матрицы и др.) Основные характеристики приёмников излучения: а) квантовый выход (quantum efficiency) q - отношение потока зарегистрированного приёмником к общему упавшему на рабочую поверхность; б) спектральная чувствительность r - диапазон длин волн, в котором работает приёмник излучения; в) динамический диапазон – отношение максимального значения сигнала к минимальному; г) порог чувствительности – минимальное значение потока, которое может быть зарегистрировано; д) размер светочувствительного элемента; е) максимальный размер приёмника – размер рабочей поверхности приёмника.

Первым приёмником излучения является глаз Первым приёмником излучения является глаз

Фотоэлектрические приемники излучения основаны на явлении фотоэффекта – появлении свободных электронов под действием излучения. Различают внешний и внутренний фотоэффект. Фотоэлектрические приемники излучения основаны на явлении фотоэффекта – появлении свободных электронов под действием излучения. Различают внешний и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект – электроны улавливаются положительным электродом и проходят путь вне вещества. Внутренний фотоэффект – увеличение свободных электронов в зоне проводимости и возникновение электродвижущей силы на границе металл-полупроводник. Объяснение фотоэффекту было дано А. Эйнштейном. Р – работа выхода, измеряется в электрон- вольтах Из уравнения видно, что существует Рmin = h0, или длинноволновая граница фотоэффекта, для 1 эв это 1,2398 m.

Длинноволновая граница некоторых веществ

Чтобы понять физику работы ПЗС рассмотрим структуру МОП- конденсатора, которые являются основой таких приборов. МОП- конденсатор представляет собой металлический электрод (затвор), присоединенный к слою двуокиси кремния (SiO2, изолятор, толщина 0,1 мкм), ниже которого расположен слой р- кремния в виде подложки. При подаче на затвор положительного смещения относительно подложки, основные носители (дырки) отталкиваются от перехода Si - SiO2 и образуется обедненный слой (потенциальная яма для электронов). С увеличением напряжения на затворе обедненная область распространяется внутрь подложки. При определенном напряжении (несколько вольт) все свободные электроны будут притянуты к переходу и образуют слой Чтобы понять физику работы ПЗС рассмотрим структуру МОП- конденсатора, которые являются основой таких приборов. МОП- конденсатор представляет собой металлический электрод (затвор), присоединенный к слою двуокиси кремния (SiO2, изолятор, толщина 0,1 мкм), ниже которого расположен слой р- кремния в виде подложки. При подаче на затвор положительного смещения относительно подложки, основные носители (дырки) отталкиваются от перехода Si - SiO2 и образуется обедненный слой (потенциальная яма для электронов). С увеличением напряжения на затворе обедненная область распространяется внутрь подложки. При определенном напряжении (несколько вольт) все свободные электроны будут притянуты к переходу и образуют слой обратной проводимости.

Устройство МОП- конденсатора

Схема передачи зарядовых пакетов при считывании сигнала с ПЗС-матрицы

В настоящее время активно внедряется CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor )-технология Ячейка CMOS-матрицы

Зависимость теплового шума от температуры

Установка матрицы на печатной плате

Матричные сборки

Примеры камер фирмы FLI

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - прибор, в котором фототок усиливается с помощью дополнительных электродов – динодов, которые эмитируют вторичные электроны (вторичная электронная эмиссия). ФЭУ состоит из фотокатода, эмитирующего поток электронов под действием света (фототок), электронно-оптической системы, создающей электростатическое поле, фокусирующее и собирающее электроны с фотокатода на вход умножительной системы (динодная умножительная система), обеспечивающей умножение электронов за счет вторичной электронной эмиссии, и анода - коллектора вторичных электронов. Фотокатод, диноды и анод помещены в стеклянный баллон с откачанным воздухом.

Микроканальные пластинки (МКП) Микроканальные пластинки (МКП) Микроканальные пластины – пластины из токопроводящего стекла толщиной 0,4-1 мм, пронизанных множеством (105-106) параллельных каналов диаметром 5-50 мкм и обеспечивающих коэф. усиления 104-108. Материал МКП — свинцовосиликатные стекла (ССС). Благодаря специальному отжигу в водороде происходит термоводородное восстановление оксида свинца PbO до металлического состояния Pb. Восстановление происходит, преимущественно, в поверхностном слое стекла, благодаря чему стенки каналов приобретают необходимую электропроводность.

МКП используются для регистрации фотонов с энергией 0.15-3 кэВ. Обычно ставится 2 каскада, второй под углом 6 град к первому, между ними зазор – 38 мкм. Анодная сетка сделана из проволок диаметром 100 мкм с шагом 200 мкм. Они соединены с цепочкой резисторов по 10 кОм, каждая восьмая подключена к зарядочувствительному усилителю. Передняя поверхность МКП покрыта фторидом магния, чтобы повысить эффективность образования фотоэлектронов, составляющую около 10%. Благодаря зазору между пластинками импульс заряда, выходящий из второй пластины, размазывается по нескольким проволокам.

Для регистрации фотонов с энергией менее 1-20 кэВ применяются детекторы, использующие фотоэффект в газе или на поверхности твердого тела, так называемые пропорциональные счётчики. В таких приемниках амплитуда импульса тока (или полный собранный заряд) остаётся пропорциональной энергии, затраченной высокоэнергетичным фотоном на первичную ионизацию среды детектора (аргон). Таким образом, пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра.

Для регистрации фотонов с энергией от 30 кэВ до 10 МэВ применяют сцинтиляционные детекторы, в качестве которых используют кристаллы NaI или CsI или сцинтилирующие органические пластмассы. Падающий фотон вызывает в сцинтилирующем веществе вспышку УФ- или видимого излучения, амплитуда которой в определенном спектральном диапазоне пропорциональна энергии поглощенного кванта. Импульсы видимого излучения регистрируются соответствующими приемниками.

Спектральные аппараты Призменный спектрограф

Дифракционные спектрографы

Величина доплеровского смещения Δλ = 1– λ определится из формулы Предполагается, что источник света и наблюдатель движутся по линии, их соединяющей. В общем случае они могут двигаться произвольно. Тогда эффект Доплера будет определяться проекцией скорости их относительного движения на линию, их соединяющую, это – так называемая лучевая скорость или радиальная скорость.

HARPS

Часть спектра звезды, полученной с HARPS. Сплошные линии соответствуют свету от звезды, темные линии, соответствуют линиям поглощения химических элементов звезды. Яркие пятна, равномерно расположенные чуть выше, сплошные линии спектра лазера, используемого для сравнения. Часть спектра звезды, полученной с HARPS. Сплошные линии соответствуют свету от звезды, темные линии, соответствуют линиям поглощения химических элементов звезды. Яркие пятна, равномерно расположенные чуть выше, сплошные линии спектра лазера, используемого для сравнения.

Определение апертурной фотометрии Апертурная фотометрия прдставляет собой выделение центральной части объекта при помощи диафрагмы (апертуры), обычно круглой формы, и подсчет общей интенсивности по всем пикселям, которые попадают в диафрагму. В случае круговой апертуры её площадь будет равна сумме числа пикселей внутри апертуры. При относительно больших радиусах учитывать нецелые пиксели не обязательно, но с уменьшением радиуса апертуры ошибка растет, и поэтому применяются методы и алгоритмы, учитывающие также и пиксели на границе.

Критерием точности апертурной фотометрии есть отношение сигнала к шуму SNR (Signal to Noise Ratio).

Результаты

Оптическая схема фотометра-поляриметра

Одним из методов определения диаметров звезд является метод анализа дифракционной картины, которая возникает при покрытиях звёзд Луной, и позволяющий определять размеры звёзд диаметром  0.001. Одним из методов определения диаметров звезд является метод анализа дифракционной картины, которая возникает при покрытиях звёзд Луной, и позволяющий определять размеры звёзд диаметром  0.001.

Milliarcsecond angular resolution of reddened stellar sources in the vicinity of the Galactic Center A. Richichi, O. Fors, E. Mason, J. Stegmaier, T. Chandrasekhar (2013) ESO VLT 8.2m Antu telescope

Массы звезд

Список литературы Уокер А. Астрономические наблюдения. 1989. 230 с. Курс астрофизики и звездной астрономии. (Под ред. Михайлова А.А.) 1973. Москва. Наука. 608 с. Мартынов А.В. Практическая астрофизика. 1980. 194 с. Теребиж В.Ю. Современные оптические телескопы. 2005. 80с. Миронов А.В. Основы астрофотометрии. 2005. 194 с. Лазовский Л. Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир. 2006. 20с. Смит Д.Е. История изобретения приборов с зарядовой связью. УФН. 2009. Т. 150, № 12, с. 1357-1362. Эклз М., Сим Э., Триттон К. Детекторы слабого излучения в астрономии. Москва. Мир. 1986 . 200 с. Wikipedia, the free encyclopedia.

Список литературы Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика. 1990. Москва. Радио и связь. 112 с. Токовинин А.А., Щеглов П.В. Проблема достижения высокого разрешения в наземной оптической астрономии. Успехи физических наук. 1979. Т. 129, вып. 4. 645-670 с. Дудинов В.Н., Цветкова В.С. Применение методов Фурье-оптики в астрономии. Харьков. 1980. 102 с. Ермолаева Е.В., Зверева В.А., Филатов А.А. Адаптивная оптика. 2012. С.-Петербург. 297 с. Roddier F. Adaptive optics in astronomy. Cambridge University Press 1999. 410 p. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики. 4-е издание. 1988. Мартынов Д.Я. Курс практической астрофизики. 4-е издание. 1977. Засов А.В., Постнов К.А. Общая астрофизика. 2-е издание. 2011. Цесевич В.П. «Переменные звёзды и их наблюдения», Москва «Наука», 1980 г.