Приёмники излучения (в астрономии)
Приёмники излуче́ния, устройства для регистрации излучения, собранного прибором для астрономических наблюдений (например, телескопом). Действие приёмников излучения основано на преобразовании собранного излучения в сигнал другой природы, как правило в электрический ток. Вид приёмников излучения существенно зависит от длины волны исследуемого излучения; для регистрации электромагнитного излучения разных диапазонов спектра применяются принципиально различающиеся приборы.
Основные характеристики приёмников излучения: квантовая эффективность (отношение числа регистрируемых фотонов к общему числу фотонов, попавших на детектор), линейность (пропорциональность отклика детектируемому сигналу), динамический диапазон (различие между самым сильным и самым слабым сигналом, которые могут регистрироваться данным приёмником излучения), спектральный диапазон, шумовые характеристики, быстродействие, размер разрешающего элемента.
Принцип работы фотоэлектронного умножителя.По принципу действия приёмники излучения разделяют на фотонные (детектируется сигнал, непосредственно порождаемый поглощённым фотоном), тепловые (к появлению регистрируемого сигнала приводит нагрев детектора, вызванный поглощением фотона) и когерентные (гетеродинные детекторы, фиксирующие и мощность сигнала, и его фазу). Различают также селективные и неселективные приёмники излучения (т. е. чувствительные и нечувствительные к длине волны падающего излучения в пределах своего спектрального диапазона).
Различные типы фотоэлектронных умножителей производства фирмы Hamamatsu Photonics.Исторически первым распространённым приёмником оптического излучения (помимо глаза) была фотоэмульсия, нанесённая на плёнку или стеклянную пластинку. Однако фотоэмульсия отличается невысокой чувствительностью (квантовая эффективность не более нескольких процентов) и нелинейностью. В середине 20 в. созданы приёмники излучения, использующие явление внешнего фотоэффекта. В этих приёмниках излучения регистрируемые кванты электромагнитного излучения выбивают электроны из фотокатода; полученный таким образом поток фотоэлектронов может усиливаться в фотоэлектронных умножителях. Применение таких приёмников излучения часто ограничено их габаритами, не позволяющими получать многоэлементные изображения (одновременно можно исследовать излучение, приходящее только с одного направления). В качестве приёмников излучения применялись также телевизионные приёмники излучения, но широкого распространения они не получили.
Массив из 116 ПЗС-матриц, расположенных в фокальной плоскости телескопа «Субару».В 1969 г. в Bell Laboratories (США) разработаны приборы с зарядовой связью (ПЗС). Ныне ПЗС-детекторы наиболее активно используются в астрономии для регистрации излучения оптического, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов. Из отдельных ПЗС-элементов составляются детекторы в виде линеек или матриц. Достоинствами ПЗС-детекторов являются высокая квантовая эффективность (десятки процентов) и линейность. Широкое распространение получают также приёмники оптического излучения со светочувствительными элементами, созданными на основе технологии КМОП (комплементарный металлооксидный полупроводник).
Матрица линейных лавинных ИК-фотодиодов, изготовленных на основе HgCdTe. Институт астрономии Гавайского университета.Для регистрации излучения в ближнем, среднем и частично дальнем инфракрасном (ИК-) диапазоне (до десятков микрометров) в астрономических инструментах используются детекторы, составленные из фотодиодов и фотопроводников на основе InSb, HgCdTe (твёрдый раствор ртути, кадмия и теллура) и других полупроводников (Si:As, Ge:Ga). В более длинноволновом ИК-диапазоне используются тепловые детекторы, главным образом детекторы на основе болометров и матриц болометров.
В субмиллиметровом и радиодиапазонах для регистрации излучения применяют когерентные гетеродинные детекторы на основе обычных радиоприёмных устройств (радиометров), а также на основе болометров с электронным разогревом, устройств «сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник» (SIS) и др. Достоинство гетеродинных приёмников излучения – очень высокое спектральное разрешение. Ныне они широко применяются в радиоастрономии, а также для регистрации излучения в терагерцевом диапазоне.
Болометр.Для регистрации излучения в гамма- и рентгеновском диапазонах используются те же приёмники излучения (детекторы частиц), что и в ядерной физике. На космических телескопах жёсткого коротковолнового диапазона применяются пропорциональные счётчики (например, на основе ксенона), сцинтилляционные детекторы (на основе NaI, Bi12GeO20 и др.), полупроводниковые детекторы (например, кадмий-цинк-теллуровые, детекторы с микроканальными пластинами), сверхпроводящие туннельные детекторы. Для регистрации излучения в мягком рентгеновском диапазоне всё более широкое применение находят ПЗС-детекторы.