CONTINGUTS TERICS

1. L'OBSERVACI ASTRONMICA

L'atmosfera terrestre. Qualitat de les imatges. Resoluci espacial, temporal i

espectral.

2. TELESCOPIS PTICS I RADIOTELESCOPIS

Formaci de la imatge. Tipus de telescopis. Suports. Interferometria.

3. DETECTORS

Caracterstiques generals. Sensibilitat espectral i eficincia quntica.

Fotmetres i espectrmetres. Cmeres CCD.

4. INSTRUMENTACI ESPACIAL

Satllits i sondes interplanetries. Telescopis espacials. Detectors de radiaci

X i gamma. Detectors de partcules i d'ones.

Pla focal

diafragma

selector

espectral

Objectiu

telescopi

enregistrament

DETECTOR

Pla focal

Selec. temporal

Selec. espacial

Resolucin espacial:

Se cuantifica determinando la distribucin de intensidad de la imagen

de un punto.

Point Spread Function: PSF (gausiana, etc) -Dos puntos estn separados si sus PSFs lo estn.

Line Spread Function (LSF)

(x,y) ruido adicional sistema f(,): objeto g(x,y): imagen

h(x,y; ,): PSF (x,y) ruido adicional sistema

MTF: Modulation Transfer Function

Relacin frecuencia input frecuencia output

Expresa la eficiencia del sistema en frecuencias espaciales

Mes simple: models de lnies

El poder de resoluci espacial est lligat al concepte de

Pixel: Picture element

El element de detector al cual es pot atribuir un nivell de senyal

determinat

Selector espectral Fixat per filtres, elements dispersors

Selector temporal Des de obturadors manuals (s) a dispositius electrnics (ms)

Selector polarimtric ,.. Dispositius optics. Lmines de lambda/4, lambda/2

Propietats dels detectors

Sensibilitat (senyal detectat / senyal incident) Linealitat (senyal detectat proporcional a senyal incident) Soroll detector i lectura (senyal espria)

Detectors

Ull hum Placa fotogrfica Fotomultiplicadors Semiconductors ...

Sensitivitat espectral

Relaci entre:

S() = Input()/Output()

Linealitat

Senyal incident

Senyal dete

cta

t

Relaci senyal / soroll (S/N , SNR)

Fotons estadstica de Poisson

e -K k r

P(r) =

k !

Nombre mitg darribades per unitat de temps: k r: nombre darribades per unitat de temps

Per a Poisson: RMS = k1/2

Relaci senyal soroll = seal dentrada/rms del senyal dentrada

S/N = N/N1/2 = N1/2

Eficincia quntica (QE)=

Fotons detectats/ fotons detector perfecte

Eficincia cuntica detectiva (DQE)= (S/N) in /(S/N)ou

Rang dinmic: diferncia nivell mxim i mnim detectats

Senyal:

- soroll estadstic Poisson

- soroll de fons (background)

- soroll del detector (corrent fosc, p.ex.)

- soroll de lectura (RON)

Selector espectral

Veure notes

UBVRI

Johnson (1965)

U: UG11/1mm+BG14/4mm

UG1/1mm+UK5/0.5mm+CuSO4

B: BG12/1mm+BG18/1mm+GG385/2mm

V: BG18/1mm+GG495/2mm

Strmgren & Crawford (1956)

Conjunt: ptica + filtre + detector filtre efectiu

+ conjunt destrelles a les quals sassignen unes magnituds

Senyal de sortida: s proporcional al nombre de fotons incidents

Senyal de sortida es relaciona amb la magnitud

Sistema fotomtric : ptica + filtre + detector + conjunt estrelles estndard

Fotografia (analgica)

Objectiu: registrar imatges. El mtode ms antic (registre permanent)

Placa vidre o plstic

Emulsi (gelatina + compostos de Ag: NO3Ag, BrAg,) eficincia quntica: 2-4%

emulsions normals sensibles al blau tamany del gra resoluci espacial

Formaci de la imatge (procs qumic complexe)

- imatge latent (ions Ag, capturen e- que han passat a la bdc en

absorbir un fot incident)

- els toms de Ag acten com a catalitzadors, es formen paquets dtoms de Ag - revelat (negatiu) (alliberamnet de ag dels compostos, dona lloc a

distribuci de grans de Ag, ms fosc ms llum)

- positivat

s: astrometria

fotometria

espectroscpia

espectroscpia (prisma objectiu)

Fotografia

Propietats:

- 2-dimensional

- placa/film es pot conservar

- capa dacumular energia - barat i fcil dutilitzar (no ordinadors, no electrnica)

- baixa sensibilitat (QE)

- velocitat baixa:

ull: 0.1 sec,

fotog.: 10, 100 sec

ms velocitat gra ms gran pitjor res. espacial - Tcniques complexes: hipersensibilitzaci

- Resposta no lineal. Difcil calibraci

Tipus de pel.lcula: 103 a, I, Ia III, IIIa Sensible al blau: O

Ortocromtiques (tallen el vermell): J,G

Pancromtiques (tot lespectre): D,E,F Infrarroig: N, Z

Fotoemissi: Fotomultiplicador

Dels anys 50

Sensibles a UV, ptic i IR proper

Baix soroll, alta freqncia en la resposta, fora lineals

Unidimensionals (s per a fotometria)

Eficincia quntica ~20%

-1100V -900V

-1000V

Fotmetres fotoelctrics

- Elements esencials: shutter, rodes de diafragmes i filtres,

Visualitzaci del camp.

- Fotometres: Mono bi y multiple channel

- Mesures destrella i fons

- Fotomultiplicadors: detectors rpids: p.ex. Per radiaci Cherenkov (CTA)

Fotoconducci (I)

Semiconductors

Per els slids cristal.lins la distribuci de nivells denergia dels electrons, dna lloc a dos bandes:

banda de conducci

Es: umbral fotoelctric (Si: 1,14 eV; Ge 0,67 eV)

banda de valncia

menor energia

fot incident amb energia > Es e- + forat

BdC

BdV BdV

BdC

BdV

BdC

Allants Semiconductors Conductors

1 eV 10 eV

E

Fotoconducci (II)

Semiconductors intrnsecs: un sol tipus datoms (p.ex : Si, Ge)

Semiconductors extrnsecs: un tipus dtoms + impureses (doping)

Fotoconducci (III)

Semiconductors tipus N: afegim p.ex. As (5e- de valencia)

a un semicond, p.ex Si, amb 4e- de valencia.

-Cada substituci deixa lliure un e-, que ocupa un lloc

prxim a la b. de conducci

-una petita excitaci els fa passar a la banda de conducci

La impuresa dona electrons.

Semiconductors P: Si dopem Si amb Al o In (3e- de valencia)

Hi ha captura delectrons de la xarxa per a fer el quart enlla. I queden forats amb energia propera a la banda de valencia.

Un e- daquesta banda pot passar a ocupar el forat. Hi ha conducci que depen del pas de forats des de la

banda de valencia

La impuressa accepta electrons.

BdC

BdV

BdV

BdC

Nivell donador

Nivell acceptador

Fotoconducci (IV)

Fotoconducci:

- Absorci dun fot per la xarxa - formaci de parelles e- -forat

- Lenergia del fot ha de ser > que la umbral. P.ex. Ha de ser = hc/Es Si: 1,14 eV, =1.1m Ge: 0,67 eV, =1.8 m InAg: 0.33 eV, = 3.8 m

- Lenergia umbral (la necessria per pasar a la BdC) es veu reduda per la recombinaci de e- -forats

- En semiconductors extrnsecs lumbral es ms petit (per que hi ha els nivells dacceptadors i de dadors)

- La temperatura influeix en el valor umbral

Diodo (Unin P -_N)

- Forats zona P, passen a zona N per difusi

- Electrons zona N, passen a zona P

- A la zona duni, forats i electrons

es recombinen, queda una estreta zona

de transici amb una distribuci de crrega

deguda a la presencia dels ions de las

impureses i a la absencia de forats i electrons.

- Queda crrega negativa a la zona P (- Q0)

- Queda crrega positiva a la zona N (+Q0)

- Es crea un camp elctrico que impideix la

difusi.

Diodo (Unin P -_N)

- Polaritzaci directa: es connecta + amb P

El camp creat E, soposa al E de la uni.

El diode afovoreix el pas de corrent

- Polaritzaci inversa: es connecta - amb P

El camp creat E, es suma al E de la uni.

El diode impideix el pas de corrent

E E

E

E

Fotoconducci: fotodiode

Semiconductor que funciona com un fotodetector

Uni dun p-n o dun p-i-n

- Es fa incidir la llum a la zona duni. Es crean parelles electr-forat - E augmenta el nombre delectrons lliures a la zona N i el de forats a la P - El potencial a travs de la uni depen de la quantitat de fotons rebuts

Funcionamn

Fotoconducci: fotodiode

Propietats

Ms rang espectral que els fotomultiplicadors

Barats, lleugers, resistents

Molt sorollos (objectes brillants)

Resposta ms lenta que fotomultiplicadors

s per a fotometria

bidimensionals

Funcionament

Polaritzaci inversa ( es crea regi buida de carga)

Desconnexi de la polaritzaci

Exposici (es generen parells)

Apareix dif. de pot.

Es torna a polaritzar (la quantitat de carga necessria per

a fer-ho depen del nombre de fotons incidents)

Fotoconducci: CCD

charge-coupled-device

semiconductors Si

rang espectral tpic 300-1100 nm

bi-dimensional

alta eficincia quntica

baix soroll

alta linealitat

s:

astrometria

fotometria

espectroscpia

Binning

Es un mtodo efectivo para reducir el RON

Combinar seales de pixels adyacentes antes de llegar al read-out

Reduce la resolucin angular

Reduce el tiempo de read-out

Binning 2*2

Tamany del camp

- Es una dificultat de les CCDs

- P.ex. ST-6 (SBIG) (Alella)

TC241 8.6 x 6.5 mm

375 x 242 pix (23 x 27 m) 7.6 x 5.7 arcmin (C14 52/mm)

- P.ex. ST-8 (SBIG) (Montsec)

Kodak KAF1603ME 1530 x 1020 pxels 1 pix: 9m X 9m RON: 15e-/pix, 16 bits

MEADE LX200 (f = 4064mm, D= 400mm)

10 x 16 arcmin

Tamany del camp

- Reductor de focal: sistema ptic per a redur la focal del telescopi

- Augmenta el camp. (E= 206265/f (mm) )

- MOSCA al CAHA 3.5m (f= 35000, f/10, E= 6/mm) MOSCA: reductor de focal + camara CCD + multius

reductor a f/2.7 f= 9450 E= 22/mm CCD: (2048 x 2048 pix) 15 m x 15 m 0.3/pix 2048 x 2048 11 x 11 arcmin

Tamany del camp (Mosaics)

MegaCam (CFHT: 3.6 m)

- Prime Focus

- WideField Corrector

- 40 CCD

- 2048 x 4612 pix

- 13.5 mum

- pixscale: 0.185/pix - Image size: 340 Mpix

Fotometria

Sloan (Digital Sky Survey)

2000-2008, 2008-14

- 2.5 m telescope (New Mexico)

- 1.5 sqdeg CCD camera

- 120 megapixel

- cel

- 950000 galxies

- estrelles

- 120000 QSO

- espectros a 640obj/field

Laica at 3.5m

- Mosaic de 2X2

4K * 4K CCDs

- FOV: 45 x 45 - 140 MB/file

Blu

e Ph

oto

meter C

CD

s B

lue P

hoto

meter C

CD

s

Red

Ph

oto

meter C

CD

s R

ed P

hoto

meter C

CD

s

Image motion

2

Radial Velocity

Spectrometer CCDs

2

Radial Velocity

Spectrometer CCDs

Astrometric Field CCDs

106 CCDs , 938 million pixels, 2800 cm2

104.26cm

42

.35

cm

Sky Mapper

CCDs

Telescopes, focal plane

Time-delayed integration (TDI)

4.4 s/CCD

106 CCDs that make up Gaia's focal plane. The focal plane measures 1 m 0.5 m.

Each CCD measures 6 cm 4.7 cm, with a thickness of only a few tens of microns.

They are operated in TDI mode with a TDI period of 982.8 s.

Pixel size along scan10 m (~ 58.9 mas) Pixel size across scan 30 m (~176.7 mas) CCD: 4500 x 1966 Total: 109

Operational temperature-115

Reducci Imatges CCD

Filtre B, WFC INT

Filtre V, WFC INT

Filtre z (880 nm) Tres CCD de costat: EE2V 13.5 mm 6144 x 4608

Nivell dinterferncies: 2.5 %

Mascara de Bayer

CMOS

APS active pixel

sensor

photodiode

CCD CMOS/APS

Eficincia resposta - +

Uniformitat resposta + -

Antiblooming si/no natural

Pixel/columna morta - +

Finestra + +

Rang dinmic + -

Obturador + -

Velocitat lectura - +

Soroll lectura - +

Consum energia + -

Flexibilitat operacions + -

Detectors infrarrojos

Brillantor del cel:

V = 22 mag/arcsec2

a 2m: 13 mag/arcsec2

Calen semiconductors especfics (energy gap mes petit)

InSb, PtSi, HgCdTe

NICMOS3 HgCdTe 256 X 256 arrefredat a 77 K

1.0 2.5 m Eficincia quntica: molt baixa 0.5%

HAWK-I (ESO, VLT): wide field cryogenic camera

4 RG 2048 x 2048 detectors (HgCdTe).

FoV: 7.5 x 7.5 arcmin, pixel: 0106

Observaci: lectura rpida + suma dimatges Chopping el telescopi treure el efecte del fons de cel