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Técnicas experimentales en Astrofísica - Jaime Zamorano - Físicas UCM- DETECTORES (1/2)1

TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN ASTROFÍSICA ITÉCNICAS EXPERIMENTALES EN ASTROFÍSICA I

DETECTORESDETECTORES


DETECCIÓN DE LA RADIACIÓN

• La astronomía es una ciencia observacional:– Nuestro laboratorio es el cosmos.– No podemos interaccionar con los fenómenos

que observamos.– Parámetros físicos que no son reproducibles en

los laboratorios terrestres.

• La información que recibimos no es sólo EM:– Ondas gravitacionales, rayos cósmicos,

neutrinos, sondas espaciales ...



• Proceso de medida en astronomía:– Colección: Interesa recoger la mayor cantidad de fotones.

Objetos celestes luminosos, pero lejanos poco flujo en tierra.

– Análisis: De los fotones recogidos se seleccionan algunos por su frecuencia de acuerdo a los objetivos científicos del proyecto (Fotometría, Espectroscopía).

– Detección: La interacción con ciertos materiales produce señales que son medibles.

Necesitamos telescopios grandes y detectores muy sensibles para estudiar objetos de los que, aunque son muy luminosos, nos llega un flujo muy débil por estar tan alejados del observador.



• Pretendemos la mayor resolución posible:– Resolución espectral.– Resolución espacial.– Resolución temporal.

El aumento de resolución implica una disminución del flujo sobre el detector.


DETECCIÓN: Resolución espacial


DETECTORES: Parámetros fundamentales

• Sensibilidad espectral– Respuesta del detector a la llegada de radiación de

diferente frecuencia.– Se mide con calibradores en el observatorio

(fuentes patrón o lámparas espectrales) o con estrellas estándar durante la observación.

La curva de respuesta espectral incluye los efectos de transmisión del telescopio, respuesta de los instrumentos y sensibilidad espectral del detector.



• Ejemplo de estrella estándar: Hiltner 600

http://www.ing.iac.es/Astronomy/observing/manuals



• Eficiencia cuántica (Q.E. Quantum efficiency)– Cociente entre número de fotones que contribuyen a proporcionar

la señal y el número total de fotones.

http://www.ing.iac.es/Engineering/detectors

QE para dos CCDs de la Palma



• Linealidad– El detector lineal de proporciona señales proporcionales

(linealmente) a la llegada de fotones.– Los detectores no lineales, como la emulsión

fotográfica, necesitan una calibración adicional.

• Rango dinámico– Capacidad del detector para registrar señales de muy

diferente nivel, sin saturarse.



• Ruido– Acompaña a toda señal registrada.– El producido por el propio detector y

puede ser reducido en parte.– Ruido fotónico debido a la naturaleza estadística del

proceso de medida.



• Relación Señal/Ruido (S/N signal-to-noise ratio)– Cociente entre el valor de la señal y el del ruido.– Sirve para valorar la calidad de la medida.

• Estadística de Poisson:N : fotones/s t: tiempo de exposición (s)Señal N . t (fotones)Ruido (N .t)1/2 (rms de la señal)

S/N = señal /ruido = (N .t)1/2



Dos imágenes del mismo campo y con diferente S/N

18.5 ± 6 S/N ≈ 3

UCM1306+2938 (r)

1150 ± 30 S/N ≈ 40



• Otros parámetros:– Tamaño.– Resolución espacial. Píxel.– Estabilidad de la respuesta. Repetitibilidad.– Estabilidad geométrica.– Tiempo muerto.


• El ojo fue el primer detector empleado en astronomía.• Es un instrumento óptico (ojo)

+ detector (retina) + procesador (cerebro)

• La imagen (invertida) en la retinasufre de aberración cromática.

• Rango de iluminación ~ 108

(rango dinámico pequeño)• Resolución espacial ~ 2’• Percibe diferencias del 2%

en iluminación y de 1nm en color.

El ojo humano como detector

La respuesta del ojo es logarítmica No es un detector linealEl ojo no es capaz de integrar. mag límite ~ 6 (3x10-15 vatios)

El cerebro procesa la información en tiempo real.



http://webvision.med.utah.edu/index.html

•Dos tipos de células fotoreceptoras:–Conos (color, RGB, inoperantes con baja iluminación)–Bastoncillos (BW, 100x más sensibles)



http://webvision.med.utah.edu/index.html

• ~6x106 Conos (cerca fovea centralis)• ~108 Bastoncillos (periferia)• ~106 Nervios

Efecto Purkinje: Máxima respuesta de los bastoncillos en 500 nm, mientras que la respuesta combinada de los conos es máxima en 550 nm.


• Utilizada desde el siglo XIX.• Placa fotográfica: emulsión

depositada sobre un vidrio.

• Emulsión:+ Gelatina (contenedor)+ Cristales de haluros de plata (AgBr)

Ocupan 10% del volumen (estructura cúbica)Distancia entre iones ~ 2.8 10-4 µmTamaño del grano 0.1 - 1.4 µm

+ Sensibilizadores químicos.

Emulsión fotográfica

Vidrio o acetato, actúa como soporte yle da estabilidad.

Gelatina + granos de haluros de plata.

~100 µm


En astronomía fotografía B y N escala de grises.




• Exposición:Absorción de un fotón • Electrón salta a la banda de conducción (fotoelectrón)• Fotoelectrón atrapado por un defecto en el cristal.• Fotoelectrón atrae a un ión de plata.

Br- + h ν Br + e-e- + Ag+ Ag

– Si 3 ó 4 veces en el mismo sitio grano revelable Imagen latente.

– El proceso es reversible (por eso hay que revelar pronto)



exposición

tras revelado tras fijado

• Revelado: proceso de reducción química selectiva que afecta sólo a los granos de la imagen latente.En estos granos todos los iones de plata se convierte en plata metálica durante el proceso (Ag+ Ag)

Imagen negativa en escala de grisesMás oscuras las zonas más expuestas

A B

B

C

A

CD

D



Se necesitan microdensitómetros para convertir las placas fotográficas en imágenes digitales

Io

I

D(i,j)

x

y

Medida de ennegrecimiento: D (densidad) = log ( Io / I )

A/D



E = I . t Exposición: energía recibida por unidad de área.I Irradiancia: energía por unidad de área y tiempo.t Tiempo de exposición.

La emulsión fotográfica NO es un detector linealSe necesita conocer la Curva Característica:(respuesta de la emulsióna la llegada de radiación) para calibrar

Transmisión T= I/IoOpacidad O=1/T=Io/IDensidad

D=log10 O = -log10 T

exposición (log E)

Den

sida

d (D

)


La curva característica de una placa fotográfica depende de:• Las características de la emulsión

• Iluminación, duración de la exposición, lote, estado de la emulsión...


•Revelado (composición, pureza, temperatura y tiempo de revelado)

¡Una curva característica diferente para cada emulsión y exposición !


Obtención de la curva característica en una placa fotográfica mediante escala de exposiciones.




¡Es muy engorroso trabajar con placas fotográficas, cada vez se usan menos !

VENTAJAS • TAMAÑO: hasta 50 x 50 cm2

• CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO:•Píxel de 5 µm 4 x 104 píxeles/mm2 , 28 ó 256 niveles una placa de 356x356 mm2

almacena 3 x 1010 bits de información.• PERMANENCIA• ESTABILIDAD GEOMÉTRICA

INCONVENIENTES

• INEFICIENCIA: Q.E. < 5% (sensibilizando)• RANGO DINÁMICO PEQUEÑO• NO LINEAL• NO FORMATO DIGITAL


FOTOCÉLULAS Y FOTOMULTIPLICADORES

• Fotocélulas y fotomultiplicadores están basados en el efecto fotoeléctrico. (Disponibles desde ~1950).

• Mucho más sensibles que fotografía.• Ideales para fotometría de estrellas (variables). • No son detectores de imagen (panorámicos); sin resolución

espacial.Emax= hν – Φ (Φ función de trabajo; hν > Φ)

hν e-

Superficie fotoemisiva

•La energía del fotoelectrón depende de la energía del fotón incidente.

•El número de fotoelectrones dependede la irradiancia: número de fotones incidentes.


FOTOCÉLULAS Y FOTODIODOS

• Fotocélulas:• Se recogen los fotoelectrones

en el ánodo estableciendo una diferencia de potencial respecto a la superficie fotoemisiva (cátodo).

• Eficiencia cuántica máxima QE ~ 20%

• Fotodiodos:• Los electrones son excitados a

la banda de conducción si el fotón incidente le comunica más energía que la del ‘gap’.

Detectores lineales: Intensidad de la corriente es proporcional a la llegada de fotones.


FOTOMULTIPLICADORES

vacío

fotocátodo

radiación

dinodos ánodo

amperímetro

+150V +450V

+300V


FOTOMULTIPLICADORES

• Fotomultiplicadores– Diferencia de potencial entre dinodos 100-150 V– Ganancia por etapa δ ~ 4– Número de dinodos n= 10 – 14– Ganancia total G= δn = 106 -108

Fotomultiplicador con δ=2 y n=2 (esquema) emisión electrónica secundaria (SEC)

δmax Eprimario(eV)Ag Mg 10 600Cs Sb 8 500Be Cu 5 700

Este detector es lineal y de respuesta constante siempre que seestabilice el suministro de la corriente eléctrica.


FOTOMULTIPLICADORES

Este detector es lineal y de respuesta constante siempre que seestabilice el suministro de la corriente eléctrica.

VENTAJAS – Detector lineal.– Rango dinámico elevado.– Eficiencia cuántica QE=15-20%

– Sólo se mide un objeto cada vez.– Voltaje de trabajo ~ kV– Respuesta diferente de cada fotomultiplicador y

dependiente del voltaje de los dinodos.– Presencia de ruido de fondo (electrónico) que debe ser

reducido mediante enfriamiento durante la operación.– Otros problemas: le afectan los campos magnéticos,

envejecen con el uso, etc.

INCONVENIENTES


EJEMPLOS de fotomultiplicadores

Con fotocátodos de diferentes materiales se construyen fotomultiplicadores con diferentes respuestas espectrales

••


INTENSIFICADORES- Conversores de imagen

• Tubos de imagen• Diferencia de Potencial ∆V ~15 kV• Ganancia G ~20-50• Enfocado por proximidad: trayectoria

de los electrones es recta.• Los electrones se aceleran y

comunican su energía a la pantalla de fósforo donde impactan.

• Ejemplo de tubo de imagen de tres etapas de enfoque electrostático

fotocátodo pantalla de fósforo

e-

e-

e-

e-hνhν


INTENSIFICADORES: Placas de microcanales

• diámetro de los microcanales 8-20 µm • G= 105 (e- 105 e-)• Intensifican la imagen si se coloca a la entrada un fotocátodoy a la salida una pantalla de fósforo.


SISTEMAS DE TV: Disectores

DISECTOR DE IMAGEN(no integra)

DISECTOR + INTENSIFICADOR DE IMAGEN(t integración < 1s)


SISTEMAS DE TV: VIDICON

VIDICON

La rejilla está cargada + para repeler los iones + creados dentro del tubo.

Exposición:Imagen óptica

imagen electrónica (zonas más iluminadas se hacen más conductoras y se cargan + a través del electrodo transparente que hace de ánodo).

Lectura:•Se explora el fotoconductor con el haz de e-

•Este haz pierde más electrones en las zonas cargadas positivamente (más iluminadas).•Señal que se recoge por el ánodo (proporcional a la llegada de fotones) es pequeña (~nA) y ha de ser amplificada.•El tiempo de lectura es de ~1s y el tiempo de integración bajo.


SISTEMAS DE TV: SEC VIDICON

SEC VIDICON Exposición:Los e- acelerados en la primera fase (~15kV) inciden en el blanco secundario produciendo e- secundarios que son cazados por el electrodo de Al dejando zonas cargadas +

Lectura:Como el VIDICON

Ventajas:•Rango espectral variable•G=100 en primera fase•T integración de horas ya que los e- secundarios van siendo retirados.


SISTEMAS DE TV: IPCSEn tubos de TV intensificados con varias etapas se pueden obtener altas ganancias de forma que un fotoelectrón generado en el fotocátodo se convierte en 107 pares e--h.

El IPCS (Image Photon Counting System: sistema contador de fotones) lee continuamente el blanco, determina la posición del centroide y asigna una cuenta más a la posición de memoria correspondiente.

Este sistema era muy lineal y eficiente, con rango dinámico sólo limitado por la memoria del ordenador.


SISTEMAS DE TV

VENTAJAS • RANGO ESPECTRAL AMPLIADO 120 – 1100 nm (variando el fotocátodo).

• RANGO DINÁMICO ALTÍSIMOpara sistema de cuenta de fotones.

• LINEALIDAD EXCELENTEpara bajo ritmo de llegada de fotones

INCONVENIENTES

• EFICIENCIA DISCRETA: Q.E. ~ 20% • RESOLUCIÓN ESPACIAL BAJA

pixel de ~1mm• TAMAÑO DEL DETECTOR PEQUEÑO. • PROBLEMAS DE DISTORSIONES

debido al enfoque magnético.

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