2.3. CCD-K, RÉSZECSKEDETEKTOROK ÉS EGYÉB MŰSZEREK
2.3.1. CCD-k
A CCD (charge coupled device; töltéscsatolt eszköz) lényegében egy
félvezető tárolóeszköz (memória), felépítését tekintve pedig pontszerű
fénydetektorokból (pixelekből) álló mátrix. A pixelekben fény hatására
töltés halmozódik fel (a rájuk eső fény mennyiségével arányosan), majd a
töltések "kiolvasása" (azaz mennyiségük meghatározása) után előállítható a
megfelelő fényintenzitás. Színes képek készítéséhez nem kell feltétlenül
"színes CCD"-t alkalmazni (ami jóval drágább), a probléma megoldható
színszűrők segítségével is (ún. színrebontás). Ez esetben többször kell
exponálni, és a kapott egyszínű képekből digitális képfeldolgozás
segítségével állítható elő a valódi színes kép.
Az űreszközökön általában kétfajta CCD-kamerát alkalmaznak: egy nagy
látószögűt és egy kis látószögűt (hosszabb fókusztávolságút).
2.3.2. Részecskedetektorok
▪ Proporcionális számlálók (Almár-Both-Horváth, 1996)
A röntgencsillagászat alapdetektora, a proporcionális számláló lényegében
egy meghatározott gázzal töltött kamra, melyben centrálisan elhelyezett anód
segítségével erős elektromos teret tartanak fenn. A számláló fém vagy
műanyag ablakán beeső röntgenfoton elektronlavinát vált ki, és a kimeneten
mért impulzus amplitúdója arányos a beeső foton energiájával.
A detektor hatásfoka a töltőgáztól és az ablak áteresztési
együtthatójától függ. A számlálókat általában nemesgázzal (Ar, Xe) töltik.
Az erősítési faktor 10^3 - 10^4 lehet, a színképi felbontóképesség 1 nm-nél
0,4 nm körüli; a szögfelbontás igen gyenge. A proporcionális számlálók
szögfelbontását modulációs kollimátorral vagy kódolt maszkkal (korszerűbb
módszer) lehet javítani.
A kódolt maszkos módszer a gamma-csillagászatban is alkalmazható, nagy
látómezőt és jó szögfelbontást biztosít. A maszk egy-két méterrel a detektor
elé kerül, és pontforrás esetén az árnyék a detektoron reprodukálja a maszk
ábráját. Bonyolultabb forrásszerkezet esetén az eredmény több képeloszlás
eredője. Mivel az árnyék függ a forrásirány és a detektor tengelyirány
szögétől, a detektor által mért jelekből a forrás iránya meghatározható.
▪ Szikrakamra (Almár-Both-Horváth, 1996)
Nagyobb energiákon, 20 MeV fölött (akár 10^5 MeV-ig) szikrakamra
alkalmazható detektorként.
A neontöltésű szikrakamrában minden gamma-
fotonból elektron-pozitron pár keletkezik, majd
ennek hatására a feszültség alatt lévő rácsok
között a részecskék nyoma mentén szikra
képződik. A szikranyom - például több oldalon
elhelyezett Vidikon kamerákkal - leképezhető, és
utólag rekonstruálható. A két nyom szögfelezője
a gamma-kvantum belépési iránya.
Egy tipikus szikrakamra 500 cm2 felületű
és 50 MeV-nál 20-30% hatásfokkal működik.
▪ Szcintillációs számlálók (Almár-Both-Horváth, 1996)
Nagyobb energiák esetén a berendezések már nem a nagyszámú töltött
részecske fluxusát, mint áramot mérik, hanem minden egyes részecskét külön
regisztrálnak. A szcintillációs számlálókban a nagyenergiájú részecske
becsapódása felvillanást idéz elő az átlátszó félvezetőben (cézium-jodid,
nátrium-jodid), amit elektronsokszorozóval érzékelnek. A felvillanások
számát mérik.
▪ Cserenkov-számláló (Csikainé, 1993)
Radioaktív sugárzások anyaggal való kölcsönhatásainak kísérleti
vizsgálata során tapasztalták, hogy nagy aktivitású sugárforrások környezete
(meghatározott anyagokban és körülmények között) látható fényt sugároz ki. A
jelenség részleteit Cserenkov vizsgálta az 1930-as években. Ennek során
megállapította, hogy gyors elektronok és g-sugárzás hatására nagyon tiszta
folyadékokban jön létre a Cserenkov-fénykisugárzás. A fényemisszió
mechanizmusának elméleti alapjait Frank és Tamm dolgozták ki.
Bebizonyították, hogy valamely közegben egyenletes sebességgel mozgó
elektron fényt sugároz ki, ha sebessége nagyobb, mint a fény terjedési
sebessége a közegben.
Frank és Tamm elmélete szerint a dielektrikumban mozgó nagyenergiájú
töltött részecske polarizálja a molekulákat a pályája mentén. A polarizált
molekulák fényemisszióval jutnak vissza alapállapotba. A Cserenkov-sugárzás
a haladási irány körüli a nyílásszögű kúp palástja mentén lép ki. A kúp
nyílásszögét - adott közeg esetén - a részecskesebesség, ill. energia
határozza meg. A sebesség növekedésével a nyílásszög csökken. A kisugárzott
fotonok száma az elektronok sebességétől, a közeg törésmutatójától, és a
megtett út hosszától függ.
A fenti elv alapján működő Cserenkov-számláló igen jó lehetőséget
biztosít a nagyenergiájú részecskék energiájának mérésére. A mérés a kúpszög
pontos meghatározására korlátozódik.
▪ Ködkamrák (Csikainé, 1993)
Ha egy gáz és gőzkeveréket tartalmazó térben túltelített állapot jön
létre, és oda idegen testek jutnak be, akkor ezeken megindul a
párakicsapódás. Ilyen "ködmagvakként" szolgálnak azok az ionok, amelyeket a
gáztéren áthaladó ionizáló részecske a pályája mentén kelt. A cseppek 0,1 s
alatt szabad szemmel is látható méretűre nőnek, és ezáltal láthatóvá válik a
részecske pályája. A nyomvonalak vastagsága a specifikus energialeadástól,
azaz a pálya mentén keltett ionsűrűségtől függ, ezért alfa-részecskék esetén
lényegesen vastagabb, mint elektronoknál. A gamma-részecskék specifikus
energialeadása olyan kicsi, hogy nem alakul ki összefüggő nyomvonal.
Kétfajta kamratípust (expanziós ködkamra, más néven Wilson-kamra; ill.
diffúziós ködkamra) fejlesztettek ki, amelyek a túltelítettség
létrehozásának módjában térnek el egymástól.
2.3.3. Egyéb műszerek
˙˙˙
▪ Fotoelektron-sokszorozó (PM-cső) (Csikainé, 1993)
A fotoelektron-sokszorozó (photomultiplier) feladata, hogy a
szcintillátorban keltett fényáramot elektronok áramává alakítsa és
felerősítse. Alapvetően három részből áll: fotokatód, fókuszáló
elektronoptika, és elektronsokszorozó. A fényáram hatására a fotokatódból
elektronok lépnek ki
kinetikus energiával. Ebben h * v a
belépő foton energiája; W a kilépési munka, amely a fotokatód anyagára
jellemző állandó, és eV nagyságrendű. ˙˙˙
A fotokatód másik jellemző paramétere a kvantumhatásfok, amely alatt a
kilépő elektronok átlagos számát értjük egy fotonra vonatkoztatva. További
fontos jellemzője a fotokatódnak a spektrális érzékenység. Csak olyan
anyagok alkalmazhatók fotokatódként, amelyek a 400-500 nm hullámhossz-
tartományban a legérzékenyebbek, mert ebbe a tartományba esik a
szcintillátorok emissziós spektrumának maximuma.
▪ Vidikon kamera (Almár-Both-Horváth, 1996)
Képfelvevő cső, amely a fény hatására ellenállását változtató felületet
tartalmaz, erre vetíti az optikai rendszer a képet. A felpárologtatott
antimon-trioxid félvezető réteg csak a megvilágított helyeken válik
vezetővé. A fény beesési irányából ezt a felületet átlátszó vezetőréteg, a
jel-lemez határolja, amelyen az optikai képnek megfelelő töltéskép
keletkezik. A katód felőli oldalon a megvilágítás erősségének megfelelő
elektronhiány, vagyis pozitív töltés (pozitív kép) marad, amelyet a
letapogató elektronsugár a kép minden végigpásztázásakor újra negatív
potenciálra tölt fel.
▪ Fabry-Perot interferométer (Almár-Both-Horváth, 1996)
A Fabry-Perot interferométer olyan fényfelbontó eszköz, amelyet két sík,
üveg- vagy kvarclap által határolt plánparalel levegőréteg alkot. Minden
egyes belépő sugár több kilépő sugárra bomlik, s ezeket egy lencse
gyújtópontjában egyesítve, interferenciájuk nagymértékben erősítheti
egymást. A berendezéssel igen nagy felbontóképesség érhető el.
˙ ▪ Fotopolariméter (Almár-Both-Horváth, 1996)
A polariméter olyan műszer, amelynek segítségével meghatározható az
égitest adott pontjáról érkező fény polarizáltságának mértéke. Például a
Pioneer-10 és -11 szondákon elhelyezett leképező fotopolariméter egyidejűleg
két színben (kék tartomány: 390-490 nm között, illetve vörös tartomány:
580-700 nm között) végez polarimetriai és radiometriai méréseket. Optikai
eleme egy 25,4 mm-es Makszutov-távcső. A fényt egy Wollaston prizma
(kvarcból vagy mészpátból készült kettős prizma, amelyben a két prizma
optikai tengelye merőleges egymásra) két, egymásra merőleges síkban
polarizált nyalábra bontja. A fókuszsíkba szűrőkereket helyeztek el
szűrőkkel és kalibrációs forrásokkal. Egy 45º-os dikromatikus tükör a kék
fényt visszaveri, a vöröset pedig átengedi. Végül olyan csatornás sokszorozó
(Channeltron) detektorok regisztrálták az intenzitást, amelyekben nagy
elektromos potenciálgradiens segítségével minden nagyenergiájú részecske
becsapódása lavinaszerű elektronáramot hoz létre. Az impulzus magassága a
részecske energiájával arányos.
2.3.2. Részecskedetektorok
▪ Proporcionális számlálók (Almár-Both-Horváth, 1996)
A röntgencsillagászat alapdetektora, a proporcionális számláló lényegében
egy meghatározott gázzal töltött kamra, melyben centrálisan elhelyezett anód
segítségével erős elektromos teret tartanak fenn. A számláló fém vagy
műanyag ablakán beeső röntgenfoton elektronlavinát vált ki, és a kimeneten
mért impulzus amplitúdója arányos a beeső foton energiájával.
A detektor hatásfoka a töltőgáztól és az ablak áteresztési
együtthatójától függ. A számlálókat általában nemesgázzal (Ar, Xe) töltik.
Az erősítési faktor 10^3 - 10^4 lehet, a színképi felbontóképesség 1 nm-nél
0,4 nm körüli; a szögfelbontás igen gyenge. A proporcionális számlálók
szögfelbontását modulációs kollimátorral vagy kódolt maszkkal (korszerűbb
módszer) lehet javítani.
A kódolt maszkos módszer a gamma-csillagászatban is alkalmazható, nagy
látómezőt és jó szögfelbontást biztosít. A maszk egy-két méterrel a detektor
elé kerül, és pontforrás esetén az árnyék a detektoron reprodukálja a maszk
ábráját. Bonyolultabb forrásszerkezet esetén az eredmény több képeloszlás
eredője. Mivel az árnyék függ a forrásirány és a detektor tengelyirány
szögétől, a detektor által mért jelekből a forrás iránya meghatározható.
▪ Szikrakamra (Almár-Both-Horváth, 1996)
Nagyobb energiákon, 20 MeV fölött (akár 10^5 MeV-ig) szikrakamra
alkalmazható detektorként.
A neontöltésű szikrakamrában minden gamma-
fotonból elektron-pozitron pár keletkezik, majd
ennek hatására a feszültség alatt lévő rácsok
között a részecskék nyoma mentén szikra
képződik. A szikranyom - például több oldalon
elhelyezett Vidikon kamerákkal - leképezhető, és
utólag rekonstruálható. A két nyom szögfelezője
a gamma-kvantum belépési iránya.
Egy tipikus szikrakamra 500 cm2 felületű
és 50 MeV-nál 20-30% hatásfokkal működik.
▪ Szcintillációs számlálók (Almár-Both-Horváth, 1996)
Nagyobb energiák esetén a berendezések már nem a nagyszámú töltött
részecske fluxusát, mint áramot mérik, hanem minden egyes részecskét külön
regisztrálnak. A szcintillációs számlálókban a nagyenergiájú részecske
becsapódása felvillanást idéz elő az átlátszó félvezetőben (cézium-jodid,
nátrium-jodid), amit elektronsokszorozóval érzékelnek. A felvillanások
számát mérik.
▪ Cserenkov-számláló (Csikainé, 1993)
Radioaktív sugárzások anyaggal való kölcsönhatásainak kísérleti
vizsgálata során tapasztalták, hogy nagy aktivitású sugárforrások környezete
(meghatározott anyagokban és körülmények között) látható fényt sugároz ki. A
jelenség részleteit Cserenkov vizsgálta az 1930-as években. Ennek során
megállapította, hogy gyors elektronok és g-sugárzás hatására nagyon tiszta
folyadékokban jön létre a Cserenkov-fénykisugárzás. A fényemisszió
mechanizmusának elméleti alapjait Frank és Tamm dolgozták ki.
Bebizonyították, hogy valamely közegben egyenletes sebességgel mozgó
elektron fényt sugároz ki, ha sebessége nagyobb, mint a fény terjedési
sebessége a közegben.
Frank és Tamm elmélete szerint a dielektrikumban mozgó nagyenergiájú
töltött részecske polarizálja a molekulákat a pályája mentén. A polarizált
molekulák fényemisszióval jutnak vissza alapállapotba. A Cserenkov-sugárzás
a haladási irány körüli a nyílásszögű kúp palástja mentén lép ki. A kúp
nyílásszögét - adott közeg esetén - a részecskesebesség, ill. energia
határozza meg. A sebesség növekedésével a nyílásszög csökken. A kisugárzott
fotonok száma az elektronok sebességétől, a közeg törésmutatójától, és a
megtett út hosszától függ.
A fenti elv alapján működő Cserenkov-számláló igen jó lehetőséget
biztosít a nagyenergiájú részecskék energiájának mérésére. A mérés a kúpszög
pontos meghatározására korlátozódik.
▪ Ködkamrák (Csikainé, 1993)
Ha egy gáz és gőzkeveréket tartalmazó térben túltelített állapot jön
létre, és oda idegen testek jutnak be, akkor ezeken megindul a
párakicsapódás. Ilyen "ködmagvakként" szolgálnak azok az ionok, amelyeket a
gáztéren áthaladó ionizáló részecske a pályája mentén kelt. A cseppek 0,1 s
alatt szabad szemmel is látható méretűre nőnek, és ezáltal láthatóvá válik a
részecske pályája. A nyomvonalak vastagsága a specifikus energialeadástól,
azaz a pálya mentén keltett ionsűrűségtől függ, ezért alfa-részecskék esetén
lényegesen vastagabb, mint elektronoknál. A gamma-részecskék specifikus
energialeadása olyan kicsi, hogy nem alakul ki összefüggő nyomvonal.
Kétfajta kamratípust (expanziós ködkamra, más néven Wilson-kamra; ill.
diffúziós ködkamra) fejlesztettek ki, amelyek a túltelítettség
létrehozásának módjában térnek el egymástól.
2.3.3. Egyéb műszerek
˙˙˙
▪ Fotoelektron-sokszorozó (PM-cső) (Csikainé, 1993)
A fotoelektron-sokszorozó (photomultiplier) feladata, hogy a
szcintillátorban keltett fényáramot elektronok áramává alakítsa és
felerősítse. Alapvetően három részből áll: fotokatód, fókuszáló
elektronoptika, és elektronsokszorozó. A fényáram hatására a fotokatódból
elektronok lépnek ki
kinetikus energiával. Ebben h * v a
belépő foton energiája; W a kilépési munka, amely a fotokatód anyagára
jellemző állandó, és eV nagyságrendű. ˙˙˙
A fotokatód másik jellemző paramétere a kvantumhatásfok, amely alatt a
kilépő elektronok átlagos számát értjük egy fotonra vonatkoztatva. További
fontos jellemzője a fotokatódnak a spektrális érzékenység. Csak olyan
anyagok alkalmazhatók fotokatódként, amelyek a 400-500 nm hullámhossz-
tartományban a legérzékenyebbek, mert ebbe a tartományba esik a
szcintillátorok emissziós spektrumának maximuma.
▪ Vidikon kamera (Almár-Both-Horváth, 1996)
Képfelvevő cső, amely a fény hatására ellenállását változtató felületet
tartalmaz, erre vetíti az optikai rendszer a képet. A felpárologtatott
antimon-trioxid félvezető réteg csak a megvilágított helyeken válik
vezetővé. A fény beesési irányából ezt a felületet átlátszó vezetőréteg, a
jel-lemez határolja, amelyen az optikai képnek megfelelő töltéskép
keletkezik. A katód felőli oldalon a megvilágítás erősségének megfelelő
elektronhiány, vagyis pozitív töltés (pozitív kép) marad, amelyet a
letapogató elektronsugár a kép minden végigpásztázásakor újra negatív
potenciálra tölt fel.
▪ Fabry-Perot interferométer (Almár-Both-Horváth, 1996)
A Fabry-Perot interferométer olyan fényfelbontó eszköz, amelyet két sík,
üveg- vagy kvarclap által határolt plánparalel levegőréteg alkot. Minden
egyes belépő sugár több kilépő sugárra bomlik, s ezeket egy lencse
gyújtópontjában egyesítve, interferenciájuk nagymértékben erősítheti
egymást. A berendezéssel igen nagy felbontóképesség érhető el.
˙ ▪ Fotopolariméter (Almár-Both-Horváth, 1996)
A polariméter olyan műszer, amelynek segítségével meghatározható az
égitest adott pontjáról érkező fény polarizáltságának mértéke. Például a
Pioneer-10 és -11 szondákon elhelyezett leképező fotopolariméter egyidejűleg
két színben (kék tartomány: 390-490 nm között, illetve vörös tartomány:
580-700 nm között) végez polarimetriai és radiometriai méréseket. Optikai
eleme egy 25,4 mm-es Makszutov-távcső. A fényt egy Wollaston prizma
(kvarcból vagy mészpátból készült kettős prizma, amelyben a két prizma
optikai tengelye merőleges egymásra) két, egymásra merőleges síkban
polarizált nyalábra bontja. A fókuszsíkba szűrőkereket helyeztek el
szűrőkkel és kalibrációs forrásokkal. Egy 45º-os dikromatikus tükör a kék
fényt visszaveri, a vöröset pedig átengedi. Végül olyan csatornás sokszorozó
(Channeltron) detektorok regisztrálták az intenzitást, amelyekben nagy
elektromos potenciálgradiens segítségével minden nagyenergiájú részecske
becsapódása lavinaszerű elektronáramot hoz létre. Az impulzus magassága a
részecske energiájával arányos.