DEDEKTÖRLER (ALGILAYICILAR) AST404 Gözlemsel Astronomi

... konulu sunumlar: "DEDEKTÖRLER (ALGILAYICILAR) AST404 Gözlemsel Astronomi"— Sunum transkripti:

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 İdeal Dedektörün Özellikleri
Bütün dalgaboylarında gelen her fotonu algılayabilen Gelen bütün fotonları tek tek sayabilen Bu sayının kaydedilip, işlenmesine olanak sağlayan Uzun zaman süreleri boyunca kararlı Algılayıcı yüzeyi sonsuz geniş

4 Elektromanyetik Tayf Gamma ışınlarından radyo dalgalarına kadar olası tüm frekanslardaki (dalgaboylarındaki) elektromanyetik ışınımın (dalgaların) dağılımıdır. Bu ışınımlar, temel olarak foton-atom etkileşmesi ile ortaya çıkar.

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 şiddetli 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 doğrusal 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 sinyali 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. Bu belirsizlik Sinyal/Gürültü Oranı (S/N) parametresi ile ölçülür.

8 Yüksek dinamik aralık özelliği kullanılarak çekilen fotoğraf (sağda)

9 SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI S/N  kötü S/N  iyi

10 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.

11 SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI

12 Dedektörlerin Karakteristikleri
6. Ayırma Gücü Bir dedektörün üzerinde oluşan görüntüde iki yakın cismi ayırt edebilme yeteneğidir. Teleskop ve benzeri optik cihazlarla bütünleşik çalışan dedektörlerde hem optik cihazın hem de dedektörün ayrıma gücü yeteneklerinin bileşkesi bir sonuç ayırma gücü oluşturur.

13 GÖZ Açıklık: 2 mm – 8 mm (4 mm) Etkin dalgaboyu aralığı 4000 – 7000 A
Kontrast: 100:1 ile :1 arasında 300 – 500 Megapiksel Odak uzunluğu: ~ 20 mm veya odak oranı F/3.5 7 mm için Ayırma gücü: ~ 14 yay saniyesi Burada, q : Açısal ayırma gücü l : Gelen ışığın dalgaboyu D : Göz merceğinin çapı

14 Göz’ün Avantaj ve Dezavantajları
- 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 - algılanan ışığı kaydedemez

15 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 boyutundaki AgBr kristalleri (grenler) bu plakaya bir jelatin emülsiyonla 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 görüntü ortaya çıkarılır.

16 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 toplamakla sorumlu iken, Küçük tanecikler daha iyi bir çözünürlük elde etmekle sorumludurlar.

17 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

18 Fotoelektrik Olay KEe = Efoton – W = hn – hn o
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 foton iletken bir yüzeye çarptığında sahip olduğu enerji metalin eşik enerji değerinden büyükse, o yüzeyden bir elektron koparır. Kopan fotoelektronun sahip olacağı kinetik enerji aşağıdaki eşitlikle verilir. Fotonlar (E=hn) KEe = Efoton – W = hn – hn o Burada KEe fotoelektronun kinetik enerjisi, W metal’in eşik enerjisi veya iş fonksiyonu, h Planck sabiti ve n gelen fotonun frekansıdır.

19 Fotokatlandırıcı (Fotoelektrik Tüp)

20 Fotoelektrik Fotometre ile Gözlemler

21 CCD Dedektörler

22 CCD’nin Yapısı 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 bağlantıları seri bağ birimleri ve yonganın çevresindeki ince altın tellerle sağlanır. Görüntü alanı Metal,seramik ya da plastik paket Bağlantı uçları Altın bağ telleri Bağlantı birimleri Silikon yonga Yonganın yükseltici birimi Seri kayıt birimi Elektrot Yalıtıcı oksit n-türü silikon p-türü silikon Kesit

23 Kalın, Önden-aydınlatmalı CCD
n-türü silikon (elektron fazla) p-türü silikon (elektron az) Silikon dioksit yalıtım katmanı Polisilikon elektrotlar Gelen fotonlar 625 mm Yansıyan fotonlar Bu tür CCD’ler üretimlerinde, 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.

24 İnceltilmiş, Arkadan-aydınlatmalı CCD
n- türü silikon p-türü silikon Silikon dioksit yalıtıcı katman Polisilikon elektrotlar Gelen fotonlar Yansıma-önleyici (AR) kaplama 15 mm 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. Duyarlılık, inceltilmiş arka yüzeye yansıma-önleyici kaplama uygulanmasıyla arttırılabilir. Bu kaplamalar, yüzey elektrotlarının oluşturduğu kabartılar nedeniyle kalın CCD'lerde çok iyi görev yapmaz. Profesyonel gökbilim amaçlı kullanılan CCD'lerin neredeyse tamamı İnceltilmiş ve Arkadan-Aydınlatmalı'dır.

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

26 CCD - avantajlar Elektronik ve fotografik görüntüleme aygıtları arasında belirgin üstünlüklere sahiptirler. Küçüktürler Işığa geniş bir dinamik aralık dahilinde doğrusal yanıt verirler Yüksek kuantum etkinliğine sahiptirler Geniş bir aralıkta tayfsal yanıt verirler Kararlıdırlar (Soğutma ve ısı stabilitesi !?) Çok yüksek çözünürlük seçeneği sunarlar

27 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"]

28 CCD Çalışma Prensibi

29 CCD – Okuma (Readout) Sıralı Okuma

30 CCD – Okuma (Readout) Satır/Sütun Transfer Okuma

31 CCD – Okuma (Readout) Çerçeve Aktarımı (Frame Transfer) Okuma

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

33 Çoklu CCD Kameralar Kepler teleskobunun 42 CCD’den oluşan dedektörü ve gökyüzünde gördüğü alan

34 Profesyonel CCD kameralarda soğutma
SIVI SOĞUTMALI Sıvı Azot Sıvı Helyum Kapalı devre antifriz dolaşımlı TERMOELEKTRİK SOĞUTMALI Peltier soğutma Fan ile ısı boşaltımı

35 CCD’lerde Görüntü Kusurları
Karanlık Sütunlar (dark columns), Görüntünün okunması sırasında, yükün dik yönde aktarımını engelleyen tuzaklar neden olur. Parlak Sütun Sıcak Leke kümesi Kozmik ışınlar Parlak Sütunlar (bright columns) da tuzaklar nedeniyle oluşur. Sıcak Lekeler normal kara akımdan daha yüksek değere sahip olan, ışık-yayan ve minik LEDler gibi davranan piksellerdir. Kozmik ışınlar: Uzaydan gelen yüklü parçacıklar ya da kameranın yapıldığı maddedeki radyoaktif kalıntılar silikon içinde iyonlaşmalara neden olabilir. Üretilen elektronlar, ışıkla-üretilen elektronlardan ayırdedilemezler. 1 dakikada cm2‘ye ortalama olarak 2 kozmik ışın düşer. Tipik bir kozmik ışının izi bir kaç bitişik piksel boyunca yayılabilir ve bir kaç bin elektron içerebilir. Bir EEV42-80 CCD’sinin düz-alan görüntüsü. Bir EEV42-80 CCD’sinin 900 saniyelik karanlık (dark) pozu.

36 Hangi dedektör daha “İYİ” ?!

37 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları
OKUMA GÜRÜLTÜSÜ CCD’nin çıktı transistörünün ve dış CCD devresinin neden olduğu elektronik gürültü (Johnson Gürültüsü). Okuma gürültüsü CCDnin performansına temel bir sınırlama getirir. Okuma süresinin arttırılması ile azaltılabilir. Bilimsel amaçlı CCDler 2-3 elektronluk bir okuma gürültüsüne sahiptir. 2. KARA AKIM CCDde ısısal olarak üretilen elektronlardan kaynaklanır. CCD’nin soğutulmasıyla azaltılır. Kara akım Poisson istatistiğiyle belirlenir. Eğer ortalama kara akımın bir görüntüye katkısı piksel başına 900 elektronsa, her hangi bir pikselin ışık-yükü için ölçüme katılan gürültü 30 elektron olur.

38 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları
3. FOTON GÜRÜLTÜSÜ Bunu, yağmurun bir dizi kova üzerine yağmasıyla açıklayabiliriz. Yağmur damlaları da fotonlar da Poisson istatistiği ile tanımlanan bir biçimde bağımsız ve rastgele gelirler. Eğer kovalar çok küçük ve yağmur da seyrek yağıyorsa, bazı kovalar birden çok damla alırken bazıları hiç almazlar. Yağmur yeterince zaman yağarsa, tüm kovalarda aynı miktar ölçülür. Kısa süreli ölçümlerde ölçümler farklı olacaktır. CCD’de de pikseller küçük ve ışık azsa önemlidir. Poisson istatistiğine göre, bir pikselde saniyede algılanan foton sayısının Root Mean square belirsizliği (RMS gürültüsü) ortalama foton akısının (saniyede algılanan fotonların ortalaması) kareköküne eşittir. Örnek olarak, eğer bir yıldızın görüntüsü bir piksel üzerine düşürülürse ve saniyede ortalama olarak 10 fotoelektron oluşturursa, yıldızı 1 saniye boyunca gözlediğimizde, parlaklığındaki ölçüm belirsizliğimiz 10’un karekökü kadar, yani 3.2 elektron olacaktır. Bu değer ‘Foton Gürültüsü’dür. Poz süresini 100 saniyeye çıkarırsak foton gürültüsü 10 elektrona (100’ün karekökü) çıkar fakat aynı zamanda ‘Sinyal-Gürültü Oranı’ (Signal to Noise ratio (SNR)) artar. Diğer gürültü kaynakları yoksa SGO poz süresinin karekökü ile artar. Bu da istenen bir şeydir.

39 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları
4. PİKSEL DUYARLIĞININ EŞDAĞILIMLI OLMAMASI Silicon üzerinde yeralan bozukluklar ve küçük üretim bozuklukları bazı piksellerin diğerlerinden daha duyarlı olmasına neden olabilir. Bu gürültü kaynağı ‘düzalan görüntüsü’ ile düzeltilebilir. Değişim yüzdesi Sütun sayısı Eğer çok uzun süreli bir düz-alan görüntüsü alırsak (piksel başına ışıkla-üretilen en az elektron), Foton Gürültüsü ve Okuma Gürültüsü’nün katkıları çok küçük olur. Görüntünün herhangi bir satırı boyunca bir grafik çizdiğimizde, pikseller arasındaki duyarlığın farklılığı nedeniyle bir değişim görünür. Grafikte, mavi ışıkla aydınlatılmış bir EEV4280 CCDsinin duyarlık dağılımı görülmektedir. Değişim miktarı ± %2 kadardır. Neyseki bu değişimler sabittir ve asıl görüntünün düz-alan görüntüsüne piksel piksel bölünmesiyle ortadan kaldırılır.

40 Bir CCD Görüntüsünde Gürültü Kaynakları
FARKLI GÜRÜLTÜ KAYNAKLARININ BİRLEŞİMİ Düz-alan düzeltmesinden sonra kalan üç gürültü kaynağı aşağıdaki eşitlikle birleşir: Profesyonel sistemlerde Kara Akım ≈ 0  bu denklemde boşlanabilir. Bu durumda denklemde okuma gürültüsü, tayfölçüm gibi düşük sinyal düzeyi olan uygulamalarda önemli olur. Doğrudan görüntüleme gibi daha yüksek sinyal düzeylerinde, foton gürültüsü baskın olur ve okuma gürültüsü azalır. Örnek olarak, 5 elektronluk RMS’ye sahip bir CCD için, sinyal düzeyi piksel başına 25 elektronu aştığında foton gürültüsü baskın olacaktır. Eğer poz süresi piksel başına 100 elektrona kadar arttırılırsa, okuma gürültüsü toplam gürültü içinde %11’lik bir katkı yapacaktır.

41 Tayfölçerler

42 Prizmalı Tayfölçer

43 Optik Ağlı Tayfölçer

44 Yıldızların Tayfı

45 CCD üzerinde alınmış örnek bir tayf görüntüsü

46

47 SİNYAL / GÜRÜLTÜ ORANI

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

49 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 genişliği azaltıldığında optik sisteme giren ışığı ve dolayısıyla foton kazancını azaltacağı için tercih edilmemektedir.

50 R = R = R = R =

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

52 Chandra X-ışın Teleskobu’nun Aynası

53 Ödev Çapı 60 cm ve odak uzaklığı 5 m olan bir teleskobun odağına bir pikselinin boyutu 13 mikron olan 20482048 piksele sahip kare biçimli bir CCD yerleştiriliyor. Bu CCD ile alınacak görüntüler gökyüzünde ne kadarlık bir açısal alan görecekdir? Bir fotokatlandırıcının yüzeyine λ=5893 Å olan bir ışın düşmektedir. Yüzeyin iş fonksiyonu W=hν0=1.79 eV olmak üzere, Fotokatlandırıcı yüzeyden elektron koparmak için gereken eşik frekans değeri (ν0) nedir? Yüzeyden koparılan elektronun kinetik enerjisini hesaplayınız. Bir dedektör için kuantum etkinliği, dinamik aralık, sinyal/gürültü oranı ve ayırma gücü kavramlarını açıklayınız. Işıkölçüm amaçlı olarak CCD alıcı (dedektör) ile yapılan bir gözlemde elde edilen ham CCD verisinin üzerinde bulunan temel aletsel etkiler nelerdir?