Приемник излучения
Приемниками электромагнитного излучения называются чувствительные органы или устройства, так или иначе реагирующие на падающее на них излучение. К ним относится и глаз (см. здесь) человека, который на протяжении почти всей истории астрономических наблюдений был единственным приемникам излучения. Искусственные приемники электромагнитного излучения стали использоваться в астрономии только последние сто лет. Первым искусственным приемником излучения была фотоэмульсия (см. здесь), нанесенная на стеклянные пластинки, а затем появилось большое разнообразие фотоэлектрических приемников. Многие из них были созданы в свое время для решения специфических прикладных задач, не связанных с исследованием Вселенной.
В качестве антенных приемников излучения применяются колебательные контуры, принимающие радиоизлучение в пределах узких диапазонов частот. Антенный приемник действует подобно монохроматору. Потоки радиоизлучения от космических объектов, как правило, очень слабы и тонут в радиопомехах, имеющих самые разнообразные частоты. Задачу выделения потоков от космических радиоисточников можно сравнить с попытками наблюдения звезд на дневном небе. Поэтому сигнал, полученный антенным приемником, усиливается и подвергается преобразованиям электронными устройствами, прежде чем регистрируется измерительными и записывающими приборами. См. также Телескоп, радио.
болометр (от греч. bolh - bole - бросок, луч и …метр)
Болометр относится к тепловым приемникам излучения, которые в принципе должны поглощать и преобразовывать в тепло все падающее на них излучение. Идеальным болометром могло бы служить абсолютно черное тело. Однако реально существующие черные вещества поглощают электромагнитное излучение лишь в определенной, хотя и достаточно широкой области длин его волн. Например, сажа поглощает излучение от самых коротких длин волн до 12 микрон, а для больших длин волн она прозрачна.
Обычно болометр состоит из тонкой, толщиной до 0,1 микрона, полоски металла, подвешенной в вакуумированной колбе с прозрачным окошком и подключенной в электрическую измерительную цепь. При нагревании электрическое сопротивление полоски увеличивается, что уменьшает величину тока в цепи. Измерение потоков излучения с помощью болометров позволяют определить абсолютные величины таких параметров, как светимость и температура источника.
Существует несколько видов приемников электромагнитного излучения гамма- диапазона.
Регистрация фотонов с энергиями от 0,2 до 12 миллионов электронвольт производится с применением сцинциляционных датчиков. Для этого, например, используются кристаллы йодистого натрия. Импульсы ультрафиолетового и видимого излучения, возникшие в них под действием гамма-квантов, фиксируются фотоумножителями (см. здесь).
Регистрация фотонов с энергиями от 50 миллионов до 5 миллиардов электронвольт производится с помощью трековых камер. При взаимодействии гамма-квантов с веществом рождаются электронно-позитронные пары. Они, в свою очередь, ионизируют атомы газа в камерах, предназначенных для фиксирования таких событий.
С регистрацией гамма-фотонов, обладающих энергией от 12 до 50 миллионов электронвольт, существует проблема, т.к. для этого диапазона применение и сцинциляционных датчиков, и трековых камер неэффективно.
Для наблюдений гамма-квантов с энергиями более 10 миллиардов электронвольт используется то обстоятельство, что при входе в земную атмосферу они вызывают ливни заряженных частиц. Эти частицы фиксируются датчиками вызываемого ими черенковского излучения. Множество таких датчиков располагается на земной поверхности и покрывает площадь до ста тысяч квадратных метров.
Глаз человека не обладает такой зоркостью, как глаз орла или чувствительностью, как глаз совы. Однако некоторые его свойства сравнимы или даже превосходят соответствующие параметры технических устройств. Например, динамический диапазон, т.е. отношение интенсивностей самых сильных к самым слабым сигналам, которые способно воспринимать и не искажать приемное устройство, у глаза значительно шире, чем у многих искусственных приемников излучения. Глаз адаптируется в диапазоне изменения освещенности, от дня к безлунной ночи, в миллиарды раз. При этом если индивидуальное ощущение яркости световых источников изменяется в арифметической прогрессии, то на самом деле световой поток меняется в геометрической прогрессии. Таким образом, человеческий глаз как бы сглаживает изменения интенсивности светового потока. В связи с этим шкала звездных величин не прямо пропорциональна блеску небесных объектов, т.к. первоначально она основывалась на визуальных его оценках. Изменение диаметра зрачка может обеспечить адаптацию глаза к изменению светового потока всего в сто раз. Основную же роль в адаптации играет переход от дневного к ночному зрению, за которые ответственны различные рецепторы сетчатки глаза. Дневное зрение обеспечивается фотохимической реакцией содержащегося в «колбочках» - их в сетчатке содержится 5-10 миллионов - иодопсина, а ночное - находящегося в «палочках» родопсина. «Палочек» в сетчатке содержится около 100 миллионов, но они объединены в группы, покрывающие небольшие участки глазного дна, и с глазным нервом связана только такая группа, в то время как каждая «колбочка» имеет свою собственную связь с головным мозгом. Здесь надо заметить, что фотохимические реакции родопсина не обеспечивают цветного зрения, поэтому уже в сумерках, при переходе к ночному зрению, человек перестает различать цвета.
При полной адаптации к темноте, занимающей не менее одного часа, глаз способен обнаружить звезду восьмой звездной величины, что эквивалентно получению от нее всего 50 квантов света в секунду. Максимум спектральной чувствительности глаза приходится на длину волны 555 ангстрем, т.е. на желтую часть оптического диапазона спектра электромагнитного излучения. Она совпадает с максимумом спектра излучения Солнца, что вполне естественно, учитывая, что подавляющую часть своей истории наши предки провели при естественном освещении и эволюционное развитие человеческого глаза происходило под воздействием солнечного света.
Разрешающая способность глаза при наблюдении двух точечных объектов - 1 угловая минута, что соответствует расстоянию между их изображениями на сетчатке в 5 микрон. Однако электрический провод заметен на фоне неба, даже когда его толщина равна 1 секунде дуги, но из-за того, что его изображение пресекает много элементов сетчатки.
ПЗС-матрица - это устройство, состоящее из множества компактно расположенных и очень маленьких фотоэлектрических приемников излучения - пикселей. Аббревиатура ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью (CCD - Charge Coupled Devices).
ПЗС-матрицы чаще всего имеют квадратную форму и полностью заполнены пикселями так, что по одной стороне квадрата их укладывается несколько тысяч, т. е. по всей поверхности квадрата их насчитывается десятки миллионов. Каждый пиксель является самостоятельным приемником света, что позволяет зарегистрировать спроектированное на матрицу изображение. Его можно обрабатывать с помощью электронных устройств или компьютеров, записывать на магнитные носители и передавать по линиям связи. ПЗС-матрицы широко используются в строящих изображения устройствах космических аппаратов.
Существует несколько видов приемников электромагнитного излучения рентгеновского спектрального (см. Спектр) диапазона.
Регистрация фотонов с энергиями менее 30 тысяч электронвольт производится с использованием фотоэффекта. Для этого применяются газонаполненные пропорциональные счетчики. Они обычно заполнены смесью аргона или ксенона с метаном или углекислым газом. Амплитуды электрических импульсов на выходе такого счетчика пропорциональны энергиям приходящих фотонов.
Регистрация фотонов с энергиями от 30 тысяч до 10 миллионов электронвольт возможна с применением сцинциляционных детекторов. Для этого используются кристаллы йодистого натрия или йодистого цезия со специальными добавками. Импульсы ультрафиолетового и видимого излучения, возникшие в них под действием рентгеновских квантов, фиксируются фотоумножителями (см. здесь).
В области рентгеновского излучения длиннее десяти ангстрем используются диодные или ПЗС-матрицы (см. здесь), фотоумножители и микроканальные пластины.
фотодиод (от греч. fwtoV - fotos - свет, ...диод)
Полупроводниковое устройство, в котором возникает разность электрических потенциалов под действием падающего на него электромагнитного излучения. При этом, как и в случае фотосопротивления (см. здесь), используется внутренний фотоэффект. Однако в отличие от фотосопротивления в фотодиоде образуется полупроводниковый запирающий слой и избыток не связанных с атомами электронов возникает только в одной его части. По величине тока в электрической цепи, замыкающей две части фотодиода, можно судить об интенсивности падающего на него излучения.
фотосопротивление (от греч. fwtoV - fotos - свет, ...сопротивление)
Фотосопротивление изменяет свое электрическую проводимость под действием электромагнитного излучения. При этом используется внутренний фотоэффект. Он состоит в том, что электроны, выбитые фотонами электромагнитного излучения из своих атомных оболочек, не покидают электрический проводник, на который падает излучение. Число находящихся в фотосопротивлении обобществленных электронов пополняется, т.е. его сопротивление уменьшается пропорционально интенсивности падающего на него излучения.
фотоумножитель (от греч. fwtoV - fotos - свет, ...умножитель)
Фотоумножитель позволяет регистрировать очень слабые потоки видимого и ультрафиолетового электромагнитного излучения. Это достигается использованием внешнего фотоэффекта, при котором «выбитые» фотонами из фотокатода - катода со специальным покрытием - электроны вылетают внутрь цилиндрической колбы, из которой откачан воздух. В ней смонтирован ряд металлических пластинок - динодов, между которыми созданы разности потенциалов электрического поля (см. Поле физическое, электромагнитное). Потенциалы динодов растут от катода к аноду. Падая на первый динод, каждый разогнавшийся под действием разности потенциалов электрон выбивает уже несколько таких же частиц. Эти электроны, в свою очередь, ускорившись, падают на следующий динод и т. д. Происходит лавинообразное увеличение числа электронов, и на анод обрушивается в десятки и сотни миллионов большее их количество, чем-то, что было выбито из фотокатода. Возникающий в электрической цепи, соединяющей анод и катод, ток пропорционален интенсивности падающего на фотоумножитель излучения.
фотоэмульсия (от греч. fwtoV - fotos - свет и от лат. emulsus - выдоенный)
Состоит из желатина, в котором взвешены кристаллики бромистого серебра, и наносится на фотографическую основу: пластинку или пленку. Если спроектировать на фотоэмульсию изображение объекта - произвести экспозицию, то под действием электромагнитного излучения молекулы, из которых состоят кристаллики, переходят в возбужденное энергетическое состояние - инициируются. Проявитель вступает в химическую реакцию только с тем бромистым серебром, которое было инициировано излучением. В результате реакции в тех местах, куда оно упало, образуется чистое металлическое серебро, причем его тем больше, чем более интенсивным было упавшее излучение.
Затем, чтобы лишить фотоэмульсию способности воспринимать свет, ее обрабатывают закрепителем - фиксатором, который удаляет оставшиеся молекулы бромистого серебра. После промывания и просушивания на фотографической основе остается черное металлическое серебро, образующее негативное изображение объекта.
Несмотря на то, что фотопластинки начали применяться в астрономии как приемники света первыми, они продолжают оставаться необходимыми и поныне, т.к. обладают очень важным качеством - документальностью. В обсерваториях мира за последние сто лет отсняты многие тысячи фотопластинок. Исследования переменных звезд, поиски еще не открытых малых планет, новых и сверхновых звезд пока невозможны без сравнения между собой полученных в разное время фотоизображений одних и тех же участков неба (см. Звезды, новые; переменные).
электронно - оптический преобразователь
Электронно - оптический преобразователь (ЭОП) позволяет трансформировать полученное в невидимых инфракрасных лучах изображение в видимое глазом (см. здесь). С помощью оптической системы изображение объекта, испускающего электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне, строится на фотокатоде этого прибора. Выбитые из него фотонами электроны, так же как это происходит в фотоумножителе (см. здесь), вылетают внутрь вакуумированной колбы. Они фокусируются с помощью электрического поля (см. Поле физическое, электромагнитное) на флюоресцирующий экран, подобный телевизионному, где возникает видимое глазом изображение. Первоначально электронно-оптические преобразователи начали использоваться в приборах для ночного наблюдения в интересах спецслужб и военных.