eddy/lectures
1
0
Fork 0
mirror of https://github.com/eddyem/lectures.git synced 2025-12-06 02:35:18 +03:00
Code Issues Packages Projects Releases Wiki Activity

add APhSch 2-nd lecture

Browse Source
This commit is contained in:
Edward Emelianov 2022-03-30 23:00:37 +03:00
parent 1094f0af28
commit 2d3279c1fc
9 changed files with 1144 additions and 366 deletions
Show Stats Download Patch File Download Diff File Expand all files Collapse all files

BIN
Astroschool_lect/02-detectors/detectors.pdf
View File

Binary file not shown.

693
Astroschool_lect/02-detectors/detectors.tex
View File

@ -1,9 +1,9 @@
\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer} \documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode},aspectratio=169]{beamer}
\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen} \hypersetup{pdfpagemode=FullScreen}
\usepackage{lect} \usepackage{lect}
\title{Физические основы регистрации излучения} \title{Физические основы регистрации излучения}
\date{21 марта 2018 года} \date{8~апреля 2022~года}
\begin{document} \begin{document}
% Титул % Титул
@ -17,9 +17,10 @@
\end{frame} \end{frame}
\section{Человеческий глаз} \section{Человеческий глаз}
\begin{frame}{Человеческий глаз} \begin{frame}{Человеческий глаз}\vspace*{-1em}
\cols{\col{0.5}\centerline{\graph[0.5]{galileo_planets}~~\graph[0.38]{Dunhuang_star}} \cols{\col{0.5}
\begin{block}{Глаз} \centerline{\graph[0.5]{galileo_planets}~~\graph[0.38]{Dunhuang_star}}
\vspace*{-1.5em}\begin{block}{Глаз}
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Маленькая апертура ($\le8\,$мм) \item Маленькая апертура ($\le8\,$мм)
\item Низкая чувствительность \item Низкая чувствительность
@ -30,28 +31,51 @@
\item Цветочувствительность только при больших интенсивностях \item Цветочувствительность только при больших интенсивностях
\end{itemize} \end{itemize}
\end{block}\col{0.5} \end{block}\col{0.5}
\img[0.8]{humaneye}\vspace{-1.5em} \img[0.6]{humaneye}\vspace{-1.5em}
\img[0.5]{galileojupiter} \img[0.4]{galileojupiter}
}\end{frame} }\end{frame}
\begin{frame}{}\cols{\col{0.6} \begin{lightframe}{}\cols{\col{0.55}
\begin{block}{} \begin{block}{}
Диапазон: $400\div750\,$нм (низкая чувствительность в УФ из-за материала хрусталика, защищающего сетчатку).\\ Диапазон: $400\div750\,$нм (низкая чувствительность в УФ из-за материала хрусталика, защищающего сетчатку).\\
Высокочувствительные палочки и менее чувствительные колбочки.\\ Высокочувствительные палочки и менее чувствительные колбочки.\\
$100\div200$ фотонов ($\lambda=510\div525\,$нм) в секунду для палочек!\\ $100\div200$ фотонов ($\lambda=510\div525\,$нм) в секунду для палочек!\\
Дальтонизм "--- схожесть или отсутствие светочувствительных белков.\\ Дальтонизм "--- схожесть или отсутствие светочувствительных белков.\\
Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году М.В.\,Ломоносов. Параллельно существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга (ее развили Дэвид Хьюбел и Торстен Визел "--- нобелевская премия 1981\,г): в мозг поступает информация о разнице яркости (white-black, G-R, B-Y, Y=R+G).\\ Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году М.В.\,Ломоносов. Параллельно
существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга (ее развили Дэвид Хьюбел и Торстен Визел "---
нобелевская премия 1981\,г): в мозг поступает информация о разнице яркости (white-black, G-R, B-Y,
Y=R+G). У некоторых женщин~--- тетрахроматизм.\\
Бинокулярное зрение "--- оценка расстояния и размеров. Бинокулярное зрение "--- оценка расстояния и размеров.
\end{block}\col{0.4}\img{Spectre_absorption_des_cones}} \end{block}\col{0.4}\hspace*{-2em}\smimg[1.2]{Spectre_absorption_des_cones}}
\end{lightframe}
\begin{frame}{}
\cols{\col{0.5}
\begin{block}{Анатомия глаза}
Cornea~-- роговица, первая <<линза>>.\\
Pupil~-- зрачок, диафрагма (iris).\\
Lens~-- зрачок, вторая <<линза>>.\\
Ciliary body~-- цилиарное тело.\\
Vitreous body~-- стекловидное тело, третья <<линза>>.\\
Choroid~-- сосудистая оболочка.\\
Retina~-- сетчатка.\\
Macula~-- центральная ямка.\\[1em]
$6\div7\,$млн колбочек, $\sim120\,$млн палочек.\\
Мозг <<переворачивает>> и <<дорисовывает>> изображение.
\end{block}
\col{0.48}\img{eye-anatomy}
}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{} \begin{frame}{}
\img{M51}Зарисовки М51: а) Джон Гершель, 1833; b) и c) Уильям Парсонс (третий граф \only<1>{\img[0.8]{saturn-lassel}\vspace*{-1em} Зарисовка Сатурна Уильямом Ласселом (1799--1880).}
Росс); d) современное изображение (Canada-France-Hawaii Telescope). \only<2>{\img[0.85]{schr_sspot}\vspace*{-1em}
Солнечные пятна (1785--1795). Hieronymus Schroeter (1745--1816).}
\only<3>{\img{M51}Зарисовки М51: а) Джон Гершель, 1833; b) и c) Уильям Парсонс (третий граф Росс); d) современное изображение (Canada-France-Hawaii Telescope).}
\end{frame} \end{frame}
\section{Типы детекторов и диапазоны} \section{Типы детекторов и диапазоны}
\begin{frame}{} \begin{frame}{Диапазоны длин волн}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{Регистрируемые формы энергии} \begin{block}{Регистрируемые формы энергии}
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Электромагнитное излучение (от гамма-- до радиоволн). \item Электромагнитное излучение (от гамма-- до радиоволн).
@ -59,15 +83,14 @@ $100\div200$
\item Нейтрино. \item Нейтрино.
\item Гравитационные волны. \item Гравитационные волны.
\end{itemize} \end{itemize}
\end{block} \end{block}\vspace*{-0.8em}
\begin{block}{Детектирование} \begin{block}{Детектирование}
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item События (фотоны, частицы) "--- детекторы частиц, счетчики фотонов \item События (фотоны, частицы) "--- детекторы частиц, счетчики фотонов
\item Создаваемое тепло "--- болометры \item Создаваемое тепло "--- болометры
\item Волновые характеристики "--- радиометры \item Волновые характеристики "--- радиометры
\item Энергия "--- фотопластинки, ПЗС и т.д.
\end{itemize} \end{itemize}
\end{block} \end{block}\vspace*{-0.8em}
\begin{block}{Измеряемые параметры} \begin{block}{Измеряемые параметры}
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Направление и время прибытия излучения. \item Направление и время прибытия излучения.
@ -79,12 +102,11 @@ $100\div200$
\end{frame} \end{frame}
\begin{blueframe}{Электромагнитный спектр} \begin{blueframe}{Электромагнитный спектр}
\img{EM_Spectrum} \img[0.85]{EM_Spectrum}
\end{blueframe} \end{blueframe}
\begin{frame}{Источники излучения} \begin{frame}{Источники излучения}
\small \centerline{\begin{tabular}{|p{1.5cm}|c|c|p{4cm}|p{2cm}|}
\begin{tabular}{|p{1.5cm}|c|c|p{4cm}|p{2cm}|}
\hline \hline
\bf Диапазон & \bf $\pmb\lambda$, нм & \bf $\pmb{T}$, K &\bf Тепловые \bf Диапазон & \bf $\pmb\lambda$, нм & \bf $\pmb{T}$, K &\bf Тепловые
источники &\bf Нетепловые \\ \hline источники &\bf Нетепловые \\ \hline
@ -96,19 +118,41 @@ $100\div200$
ИК & $700$--$10^6$& $10$--$10^3$& Холодные облака газа и пыли, планеты, спутники& SR\\ ИК & $700$--$10^6$& $10$--$10^3$& Холодные облака газа и пыли, планеты, спутники& SR\\
Радио& $>10^6$ & $<10$& Темные пылевые облака& SR\\ Радио& $>10^6$ & $<10$& Темные пылевые облака& SR\\
\hline \hline
\end{tabular} \end{tabular}}
ppI~-- протон-протонные столкновения, IC~-- обратное комптоновское рассеяние, DR~-- тормозное ppI~-- протон-протонные столкновения, IC~-- обратное комптоновское рассеяние, DR~-- тормозное
излучение, SR~-- синхротронное излучение излучение, SR~-- синхротронное излучение.
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{Всеволновой космос}
\vspace*{-1em}
\only<1>{\img[0.7]{allwavesky}}
\only<2>{\img[0.9]{MWA-whirlpool-galaxy}}
\end{frame}
\begin{frame}
\img[0.75]{multiwave_galaxy}
\end{frame}
\begin{frame}{Атмосферное пропускание} \begin{frame}{Атмосферное пропускание}
\only<1>{\img{atm_trans}} \vspace*{-0.8em}
%\only<2>{\img{MWA-Observatories}} \only<1>{\img[0.9]{atm_trans}}
\only<2>{\img[0.9]{MWA-Observatories}}
\end{frame} \end{frame}
\if0
\begin{frame}{Типы подложек светоприемников}
\img{detector_wavelengths}
\end{frame}
\fi
\begin{frame}{}
\img[0.85]{Observatories_across_spectrum_labeled_full}
\end{frame}
\begin{frame}{Инфракрасный диапазон} \begin{frame}{Инфракрасный диапазон}
\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{} \vspace*{-1em}\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
1800~--- открытие ИК излучения Уильямом Гершелем. 1800~--- открытие ИК излучения Уильямом Гершелем.
1838~--- измерение солнечной постоянной Клодом Пулье (1.23\,кВт/м$^2$, современное значение 1838~--- измерение солнечной постоянной Клодом Пулье (1.23\,кВт/м$^2$, современное значение
@ -116,7 +160,7 @@ ppI~--
1880~--- болометр Лэнгли. 1875~--- радиометр Крукса. Термопары. 1880~--- болометр Лэнгли. 1875~--- радиометр Крукса. Термопары.
1957~--- открытие свойств халькогенидов. 1957~--- открытие свойств HgCdTe.
1962~--- фотометрическая система Джонсона, измерения фотоэлектрическими ячейками на PbS и InSb. 1962~--- фотометрическая система Джонсона, измерения фотоэлектрическими ячейками на PbS и InSb.
@ -125,8 +169,8 @@ ppI~--
2000е~--- различные виды FPA. 2000е~--- различные виды FPA.
\ldots \ldots
\end{block} \end{block}
\col{0.4}\img{herschel}}} \col{0.35}\img{herschel}}}
\only<2>{\img[0.7]{IR_atm} \only<2>{\img[0.6]{IR_atm}\vspace*{-1em}
\begin{block}{Диапазоны} \begin{block}{Диапазоны}
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item $0.75\div1.4\,$мкм~--- ближний ИК, ПЗС; \item $0.75\div1.4\,$мкм~--- ближний ИК, ПЗС;
@ -136,67 +180,42 @@ ppI~--
\item $15\div1000\,$мкм~--- дальний ИК и субмиллиметровый диапазон. \item $15\div1000\,$мкм~--- дальний ИК и субмиллиметровый диапазон.
\end{itemize} \end{itemize}
\end{block}} \end{block}}
%\only<3>{ \only<3>{
%\centering\begin{tabular}{|c|c|c|c|} \centering\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
%\hline\ж $\pmb\lambda,\,$мкм & \ж Полоса &\ж Прозрачность неба & \ж Яркость неба\\\hline \hline\ж $\pmb\lambda,\,$мкм & \ж Полоса &\ж Прозрачность неба & \ж Яркость неба\\\hline
%$1.1$--$1.4$ & J & высокая & низкая\\ $1.1$--$1.4$ & J & высокая & низкая\\
%$1.5$--$1.8$ & H & высокая & очень низкая\\ $1.5$--$1.8$ & H & высокая & очень низкая\\
%$2.0$--$2.4$ & K & высокая & очень низкая\\ $2.0$--$2.4$ & K & высокая & очень низкая\\
%$3.0$--$4.0$ & L & достаточно высокая& низкая\\ $3.0$--$4.0$ & L & достаточно высокая& низкая\\
%$4.6$--$5.0$ & M & низкая & высокая \\ $4.6$--$5.0$ & M & низкая & высокая \\
%$7.5$--$14.5$& N & \multicolumn{1}{p{3.5cm}|}{низкая (кроме 8--9 и 10--12\,мкм, где средняя)} & $7.5$--$14.5$& N & \multicolumn{1}{p{3.5cm}|}{низкая (кроме 8--9 и 10--12\,мкм, где средняя)} &
%очень высокая\\ очень высокая\\
%$17$--$25$ & Q & очень низкая & очень высокая \\ $17$--$25$ & Q & очень низкая & очень высокая \\
%$28$--$40$ & Z & очень низкая & очень высокая \\ $28$--$40$ & Z & очень низкая & очень высокая \\
%$330$--$370$ & & очень низкая & низкая\\\hline $330$--$370$ & & очень низкая & низкая\\\hline
%\end{tabular} \end{tabular}
%} }
\only<3>{\begin{block}{Телескопы} \only<4>{\begin{block}{Телескопы}
{\ж Наземные}: {\ж VISTA} (4.1\,м), UKIRT (3.8\,м), IRTF (3\,м), и др. {\ж Наземные}: {\ж VISTA} (4.1\,м), UKIRT (3.8\,м), IRTF (3\,м), и др.
{\ж На борту самолета}: {\ж SOFIA} (2.5\,м). {\ж На борту самолета}: {\ж SOFIA} (2.5\,м).
{\ж Космические}: JWST (6.5\,м, в планах), {\ж Herschel} (3.5\,м), Spitzer (0.85\,м) и др. {\ж Космические}: JWST (6.5\,м), {\ж Herschel} (3.5\,м), Spitzer (0.85\,м) и др.
\end{block} \end{block}
\centering \centering
\graph[0.3]{VISTA}\hspace{1em} \graph[0.3]{VISTA}\hspace{1em}
\graph[0.35]{SOFIA}\hspace{1em} \graph[0.35]{SOFIA}\hspace{1em}
\graph[0.25]{HERSCHEL} \graph[0.25]{HERSCHELS}
} }
\end{frame} \end{frame}
\begin{blueframe}{Болометр}
\only<1>{\cols{
\col{0.5}\img{Bolometer_conceptual_schematic}\col{0.4}
\begin{block}{}
1878~г. Сэмюэль Лэнгли изобрел болометр: две платиновые полоски, зачерненные
ламповой сажей,
включенные по схеме моста Уитсона и подключенные к чувствительному гальванометру.
Болометр Лэнгли чувствовал корову за милю!
Расширение диапазона до ИК.
\end{block}}}
\only<2>{\cols{\col{0.4}\img{Wheatstonebridge}
\col{0.6}\begin{block}{}
Мост Уитстона: $\dfrac{R_2}{R_1}=\dfrac{R_x}{R_3}$ \Arr $R_x=\dfrac{R_2}{R_1}R_3$.
$$V_{G}=\left(\frac{R_2}{R_{1}+R_{2}}-\frac{R_x}{R_{x}+R_{3}}\right)V_{s}$$
$\dfrac{R_x}{R_3}=\dfrac{V_s-2V_G}{V_s+2V_G}$~--- если $V_s=10\,$В, то при
$V_G=1\,$мВ
относительное изменение сопротивления составит $4\cdot10^{-4}$.
$R_3$ и $R_x$~--- зачерненные платиновые полоски. Точность измерений~--- до
$10^{-5}{}\degr C$.
\end{block}}}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Оптический диапазон} \begin{frame}{Оптический диапазон}
\vspace*{-1em}
\only<1>{Световое загрязнение\img{light_pollution}} \only<1>{Световое загрязнение\img{light_pollution}}
%\only<2>{\img[0.5]{lpchange}} \only<2>{\img[0.4]{lpchange}}
\only<2>{Расположение\img{largest_scopes}} \only<3>{Расположение\img{largest_scopes}}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{Ультрафиолетовый диапазон} \begin{frame}{Ультрафиолетовый диапазон}
Только космические телескопы: UVIT на Astrosat (40\,см), HST (2.4\,м), UVOT на SWIFT (30\,см) и Только космические телескопы: UVIT на Astrosat (40\,см), HST (2.4\,м), UVOT на SWIFT (30\,см) и
многие другие. многие другие.
@ -207,9 +226,19 @@ ppI~--
\graph[0.25]{SWIFT} \graph[0.25]{SWIFT}
\end{frame} \end{frame}
\section{Характеристики детекторов}
\begin{frame}{Характеристики детекторов}
\begin{block}{}
Размер, количество пикселей (каналов), чувствительность в зависимости от длины волны (квантовая эффективность) и доступный спектральный диапазон, динамический диапазон, линейность, накопление сигнала, временн\'ое разрешение, шумовые характеристики, стабильность, цена.
\end{block}
\begin{block}{Эволюция детекторов}
Историческая эволюция: глаз \Arr фотопластинка \Arr одноканальные фотоэлектрические приемники \Arr сканеры фотопластинок \Arr телевизионные сканеры \Arr полупроводниковые устройства (фотодиоды, ПЗС, композитные ИК приемники, болометры, лавинные фотодиоды, КМОП) \Arr устройства, измеряющие энергию фотона (STJ "--- на сверхпроводящих туннельных переходах, transition-edge sensor "--- повышение сопротивления свехпроводящего перехода).
\end{block}
\end{frame}
\section{Аналоговая регистрация и счет фотонов} \section{Аналоговая регистрация и счет фотонов}
\begin{frame}{Фотографические пластинки}\only<1>{ \begin{frame}{Фотографические пластинки}\only<1>{
1826, Нисефор Ньепс, гелиография (полимеризация битума).\img[0.8]{Nieps}} 1826, Нисефор Ньепс, гелиография (полимеризация битума).\img[0.75]{Nieps}}
\only<2>{ \only<2>{
\cols{\col{0.5} \cols{\col{0.5}
\begin{block}{} \begin{block}{}
@ -220,7 +249,7 @@ ppI~--
\item Нелинейность, сложность калибровки \item Нелинейность, сложность калибровки
\end{itemize} \end{itemize}
\end{block}\img[0.8]{ISO6speedMethod} \end{block}\img[0.8]{ISO6speedMethod}
\col{0.5}\img{Orion-Nebula_A_A_Common} \col{0.4}\img{Orion-Nebula_A_A_Common}\vspace*{-1em}
\begin{block}{} \begin{block}{}
Andrew Ainslie Common, 1883~г. "--- туманность Ориона. Andrew Ainslie Common, 1883~г. "--- туманность Ориона.
\end{block}}} \end{block}}}
@ -229,23 +258,48 @@ Edward Charles Pickering, 1881.
Гарвардской обсерватории. The Henry Draper Catalogue. Обнаружение переменных звезд, изучение Гарвардской обсерватории. The Henry Draper Catalogue. Обнаружение переменных звезд, изучение
спектров, классификация галактик. спектров, классификация галактик.
\end{block}\vspace*{-0.5em} \end{block}\vspace*{-0.5em}
\img[0.5]{annie_jump_cannon_with_plate} \img[0.45]{annie_jump_cannon_with_plate}
Annie Jump Cannon, 1896.} Annie Jump Cannon, 1896.}
\end{frame} \end{frame}
%\begin{blueframe}{Термопара} \begin{blueframe}{Болометр}
%\cols{\col{0.5}\begin{block}{Эффект Зеебека} \only<1>{\cols{
%Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и \col{0.4}\img[0.8]{Bolometer_conceptual_schematic}\col{0.4}
%температур горячего ($T_1$) и холодного ($T_2$) контактов: \begin{block}{}
%$$\mathcal {E}=\Int_{T_{1}}^{T_{2}}\alpha_{12}(T)dT.$$ 1878~г. Сэмюэль Лэнгли изобрел болометр: две платиновые полоски, зачерненные ламповой сажей,
% включенные по схеме моста Уитсона и подключенные к чувствительному гальванометру.
%Объясняется совокупностью трех эффектов: зависимостью от температуры скорости электронов и
%энергии Ферми (контактная разность потенциалов) и фононным увлечением электронов. Болометр Лэнгли чувствовал корову за милю!
%\end{block}
%\col{0.5}\img{Zeebek}\black{Термоэлектрический генератор на элементах Пельтье}} Расширение диапазона до ИК.
%\end{blueframe} \end{block}}}
\only<2>{\cols{\col{0.4}\img{Wheatstonebridge}
\col{0.6}\begin{block}{}
Мост Уитстона: $\dfrac{R_2}{R_1}=\dfrac{R_x}{R_3}$ \Arr $R_x=\dfrac{R_2}{R_1}R_3$.
$$V_{G}=\left(\frac{R_2}{R_{1}+R_{2}}-\frac{R_x}{R_{x}+R_{3}}\right)V_{s}$$
$\dfrac{R_x}{R_3}=\dfrac{V_s-2V_G}{V_s+2V_G}$~--- если $V_s=10\,$В, то при $V_G=1\,$мВ
относительное изменение сопротивления составит $4\cdot10^{-4}$.
$R_3$ и $R_x$~--- зачерненные платиновые полоски. Точность измерений~--- до $10^{-5}{}\degr C$.
\end{block}}}
\end{blueframe}
\begin{blueframe}{Термопара}
\cols{\col{0.5}\begin{block}{Эффект Зеебека}
Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и
температур горячего ($T_1$) и холодного ($T_2$) контактов:
$$\mathcal {E}=\Int_{T_{1}}^{T_{2}}\alpha_{12}(T)dT.$$
Объясняется совокупностью трех эффектов: зависимостью от температуры скорости электронов и
энергии Ферми (контактная разность потенциалов) и фононным увлечением электронов.
\end{block}
\col{0.5}\img{Zeebek}\vspace*{-6em}
\black{Термоэлектрический генератор на элементах Пельтье}}
\end{blueframe}
\begin{blueframe}{Фотоэффект} \begin{blueframe}{Фотоэффект}
\vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.5} \only<1>{\cols{\col{0.5}
\begin{block}{Внешний фотоэффект} \begin{block}{Внешний фотоэффект}
$$h\nu =A+\frac{mv^2}{2}$$ $$h\nu =A+\frac{mv^2}{2}$$
@ -268,7 +322,7 @@ $W_{min}$~---
Фотодиоды, ПЗС, CMOS. Фотодиоды, ПЗС, CMOS.
\end{block} \end{block}
\col{0.5}\img[0.9]{PhotovoltaicEffect}}} \col{0.4}\img{PhotovoltaicEffect}}}
\end{blueframe} \end{blueframe}
\begin{frame}{Ускорение и размножение электронов} \begin{frame}{Ускорение и размножение электронов}
@ -280,7 +334,7 @@ $W_{min}$~---
\section{Многоканальные светоприемники} \section{Многоканальные светоприемники}
\begin{blueframe}{ЭЛТ} \begin{blueframe}{ЭЛТ}
\vspace*{-2em}\begin{block}{} \vspace*{-1em}\begin{block}{}
1964, E. Luedicke, A. D. Cope, and L. E. Flory. Astronomical Image-Integration System Using a 1964, E. Luedicke, A. D. Cope, and L. E. Flory. Astronomical Image-Integration System Using a
Television Camera Tube. Television Camera Tube.
@ -302,11 +356,10 @@ Television Camera Tube.
\img{Gen3-Image-Tube}} \img{Gen3-Image-Tube}}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{МКП + КПА}
\begin{block}{}
Конец 1970-х "--- микроканальные пластины.
1979, Lampton, M. and Carlson. C; 1982, Firmani, C. et. al. \begin{frame}{МКП + КПА}
\vspace*{-1em}\begin{block}{}
Конец 1970-х "--- микроканальные пластины.
1983, Siegmund, O.H.W. et al. "Application of the wedge and strip anode to position sensing with 1983, Siegmund, O.H.W. et al. "Application of the wedge and strip anode to position sensing with
microchannel plates and proportional counters". microchannel plates and proportional counters".
@ -315,7 +368,7 @@ microchannel plates and proportional counters".
in space astronomy". in space astronomy".
\end{block} \end{block}
\begin{columns} \begin{columns}
\column{0.5\textwidth} \column{0.45\textwidth}
\img{MCP} \img{MCP}
\column{0.4\textwidth} \column{0.4\textwidth}
\img[0.8]{WSA} \img[0.8]{WSA}
@ -323,8 +376,9 @@ in space astronomy".
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{ПЗС} \begin{frame}{ПЗС}
\vspace*{-1em}
\begin{columns} \begin{columns}
\column{0.5\textwidth} \column{0.4\textwidth}
\img{ccdintro} \img{ccdintro}
\column{0.5\textwidth} \column{0.5\textwidth}
\begin{block}{} \begin{block}{}
@ -333,22 +387,93 @@ in space astronomy".
1975 "--- первая ПЗС 100x100 (Steven Sasson, Kodak). 1975 "--- первая ПЗС 100x100 (Steven Sasson, Kodak).
1976 "--- запуск спутника--шпиона с ПЗС 800x800. 1976 "--- запуск спутника--шпиона с ПЗС 800x800.
\end{block} \end{block}\vspace*{-1em}
\img[0.7]{ccdanatomy}
\end{columns} \end{columns}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{Электронное умножение на кремнии} \begin{frame}{Квантовая эффективность ПЗС}
\vspace*{-1em}\begin{block}{Лавинные фотодиоды и EMCCD} \only<1>{QE "--- отношение количества падающих фотонов к детектируемым.\img[0.92]{QE_PTGrey}}
Лавинный фотодиод "--- ударная ионизация при больших напряжениях смещения. (лавинные стабилитроны). \only<2>{\img[0.6]{quantumefficiencyfigure1}}
Electron-Multiplying CCD содержат <<регистр умножения>> (аналогия с лавинным диодом).
Неопределенность уровня усиления "--- предпочтительна работа с одиночными фотонами (короткие
экспозиции).
\end{block}
\img[0.7]{EMCCD}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{КМОП} \begin{frame}{Линейность}
Линейность ПЗС-камеры Apogee Alta 16M-HC (Kodak KAF-16803).
\img[0.6]{Apogee_linearity}
$\pm0.5\%$ ($2000\div40000$ ADU) $\pm1.0\%$ ($0\div45000$ ADU).
\end{frame}
\begin{frame}{Динамический диапазон}
\cols{\col{0.4}\begin{block}{}
Максимальный размах уровней сигнала, при котором он регистрируется без потерь.\\
Идеал "--- бесконечный динамический диапазон.
\end{block}
\col{0.6}\img{bloomingfigure4}}
\end{frame}
\begin{frame}{Временн\'ое разрешение}
\begin{block}{}
Минимальный интервал времени, в течение которого можно обнаружить изменение потока
излучения.\\
Потери времени на считывание и сохранение.
\end{block}
\img{TauOphPicsD}
\end{frame}
\begin{frame}{Пространственное разрешение}
\vspace*{-0.7em}
\begin{block}{}Степень детализации изображения зависит от условий наблюдения, оптики телескопа
и прибора, размера пикселя.
\end{block}\vspace*{-0.4em}
\img[0.75]{digitalimagingfigure2}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Выбор светоприемника под масштаб}
\centering\begin{minipage}{0.6\textwidth}
\begin{block}{Масштаб изображения}\centering
$5a\ge\Delta x \ge 2a,\qquad S_{tel}=\dfrac{F_{tel}}{206265}$, $m =
\dfrac{S_{cam}}{S_{tel}}=\dfrac{F_{cam}}{F_{coll}}$.
БТА: $1/S=8.6''/$мм, $\Delta x_{1''}=116.36\,$мкм
$a_{opt}=13\,$мкм. Нужен редуктор $\sim2.5\,$раз!
\end{block}\end{minipage}
\img[0.9]{focal_reducer}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Шумы}\vspace*{-1em}
\only<1>{
\begin{block}{}
Выходной сигнал всегда отличается от входного: пуассонова статистика фотонов, фон неба,
тепловой (темновой) шум, космические частицы, шум считывания и т.п.
\end{block}\vspace*{-0.5em}
\img[0.6]{Kodak_dark}}
\only<2>{
\begin{block}{}
Если пуассонов шум фотонов плоского поля превышает шум считывания, гистограмма имеет
почти
гауссову
форму.
$$\sigma\ind{ADU}=\frac{\sqrt{\mean{F}\cdot G}}{G}$$
$\sigma\ind{ADU}$~-- полуширина гистограммы плоского поля, $\mean F$~-- средний уровень
плоского,
$G$~-- gain (коэффициент преобразования фотоэлектронов в ADU).
Два кадра bias ($B$) и плоского ($F$):
$$
G = \frac{(\mean{F_1}+\mean{F_2}) -
(\mean{B_1}+\mean{B_2})}{\sigma^2_{F_1-F_2}-\sigma^2_{B_1-B_2}}
$$
Шум считывания:
$$
RN = \frac{G\cdot\sigma_{B_1-B_2}}{\sqrt2}
$$
\end{block}
}
\end{frame}
\begin{frame}{КМОП}\vspace*{-1em}
\begin{columns} \begin{columns}
\column{0.7\textwidth} \column{0.7\textwidth}
\only<1>{\img{CCD-VS-CMOS}} \only<1>{\img{CCD-VS-CMOS}}
@ -363,7 +488,7 @@ Electron-Multiplying CCD
\end{columns} \end{columns}
\end{frame} \end{frame}
\begin{blueframe}{Гибридные матрицы (Focal Plane Array)} \begin{blueframe}{Гибридные матрицы (Focal Plane Array)}\vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{} \only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
В n-канальном полупроводнике легируются p-канальные площадки "--- пиксели. В n-канальном полупроводнике легируются p-канальные площадки "--- пиксели.
@ -377,7 +502,7 @@ Electron-Multiplying CCD
\end{block} \end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte1}}} \col{0.4}\img{hgcdte1}}}
\only<2>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{} \only<2>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
На силиконе "--- считывающая схема (ReadOut Integrated Circuit). На кремнии "--- считывающая схема (ReadOut Integrated Circuit).
Регистрирующая структура прижимается к считывающей. Регистрирующая структура прижимается к считывающей.
@ -389,12 +514,38 @@ Electron-Multiplying CCD
<<Плохие>> пиксели не влияют на окружение! <<Плохие>> пиксели не влияют на окружение!
\end{block} \end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte2}}} \col{0.4}\img{hgcdte2}}}
\only<3>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{}
$V_{reset}$~--- уровень смещения (bias), $V_{read}\propto q$.
Усилитель на МОП позволяет практически свести к нулю утечки при недеструктивном считывании.
$\Phi_{read}$ подается через элемент <<2И>> на двух МОП (адресация столбца и строки).
\end{block}
\col{0.5}\img{hgcdte3}}}
\only<4>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Hawaii HgCdTe 1024x1024.\par Пиксель 18.5\,мкм.\par Gain 5.4\,e/ADU.\par RON 2.1\,ADU.\par Около
10000 плохих пикселей.\par Нелинейность меньше 1.5\% от 0 до 10000\,ADU.\par Темновой ток при
T=78\,K меньше 0.1\,e/s.
\end{block}
\col{0.5}\img{hawqe}}
\vspace{1em}
\black{\small https://www.eso.org/sci/facilities/lasilla/instruments/sofi/inst/HawaiiDetector.html}}
\only<5>{\cols{\col{0.4}\begin{block}{}
Высокий шум InSb при $T>60\,$К определяется большим уровнем генерационно-рекомбинационных токов.
У HgCdTe в этом диапазоне г-р токи практически нулевые, шум определяется в основном диффузными
токами.
$$T_{max}=\frac{200\,K}{\lambda_c\text{\,$\mu$m}}$$
\end{block}
\col{0.5}\img[0.8]{irdark}}\vspace*{-1em}
\black{\small OPTO--ELECTRONICS REVIEW \textbf{20}\,(3), 279--308.}}
\end{blueframe} \end{blueframe}
\section{Примеры детекторов} \section{Примеры детекторов}
\begin{frame}{} \begin{frame}{}
\begin{columns} \begin{columns}
\column{0.5\textwidth} \column{0.4\textwidth}
\only<1>{\img{SDSSFaceplate}} \only<1>{\img{SDSSFaceplate}}
\only<2>{\img{frame_transfer_CCD}} \only<2>{\img{frame_transfer_CCD}}
\column{0.5\textwidth} \column{0.5\textwidth}
@ -413,12 +564,12 @@ Electron-Multiplying CCD
Алюминий (1.2К), ниобий (4.2К). Алюминий (1.2К), ниобий (4.2К).
100..1000ГГц "--- радиоастрономия. Счетчик фотонов в широком диапазоне. 100..1000ГГц "--- радиоастрономия. Счетчик фотонов в широком диапазоне.
\end{block}\img[0.6]{Josephson}} \end{block}\img[0.5]{Josephson}}
\only<2>{ \only<2>{
\begin{block}{TES} \begin{block}{TES}
Transition-edge sensor "--- криогенный датчик, в основе работы которого используется зависимость от температуры сопротивления на границе фазового перехода в сверхпроводящее состояние. Transition-edge sensor "--- криогенный датчик, в основе работы которого используется зависимость от температуры сопротивления на границе фазового перехода в сверхпроводящее состояние.
\end{block} \end{block}
\img[0.5]{NIST_Tungsten_Transition_Edge_Sensor}} \img[0.4]{NIST_Tungsten_Transition_Edge_Sensor}}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{OTCCD} \begin{frame}{OTCCD}
@ -426,110 +577,98 @@ Transition-edge sensor "---
\begin{block}{arXiv:astro-ph/9705165, 1997} \begin{block}{arXiv:astro-ph/9705165, 1997}
The Orthogonal Transfer CCD позволяет переносить заряд в любом из четырех направлений. Отслеживание атмосферных наклонов волнового фронта с частотой до 100\,Гц. Проще tip-tilt систем. The Orthogonal Transfer CCD позволяет переносить заряд в любом из четырех направлений. Отслеживание атмосферных наклонов волнового фронта с частотой до 100\,Гц. Проще tip-tilt систем.
\end{block} \end{block}
\col{0.35}\img{OTCCD}} \col{0.3}\img{OTCCD}}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{Обработка снимков} \begin{frame}{ПЗС, итоги}\vspace*{-0.5em}
\cols{\col{0.57}\begin{block}{Последовательность обработки} \begin{block}{}
\begin{itemize}
\item Для повышения эффективности толщина рабочего слоя ПЗС должна быть не больше подложки n-типа,
back-illuminated. Усложнение техпроцесса, удорожание.
\item Глубокое охлаждение чипа: при $-80\degr$C с ростом температуры на $\sim7\degr$C темновой шум
увеличивается в два раза.
\item Кремниевая подложка имеет красную границу на $\sim1.1\,$мкм, в ИК светоприемники с
кремниевыми подложками не будут работать.
\item Утончение чипа приводит к росту прозрачности для больших длин волн и появлению фрингов.
\item Большой проблемой является растекание заряда с переэкспонированных пикселей.
\item ПЗС невозможно оснастить <<электронным>> затвором, их затвор механический.
\item Дефекты подложки приводят к появлению <<горячих>> и <<плохих>> пикселей.
\item Постоянное воздействие космических частиц вызывает необратимую деградацию.
\end{itemize}
\end{block}
\end{frame}
\begin{blueframe}{CMOS, итоги}\vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Сканирование производится построчно.
<<Медленная>> шина "--- строки (Y). <<Быстрая>> "--- столбцы (X).
Тактирование сдвигового регистра X поочередно адресует пиксели в строке.
Подключение сброса: индивидуально, построчно или глобально.
Если считывание не завершается сбросом, накопление продолжается "--- недеструктивное считывание.
\end{block}
\col{0.4}\img{hawlcc}}}
\only<2>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Двойная коррелированная выборка}
$V_b$~--- начальный уровень смещения.\par
$V_1$~--- уровень при считывании сразу после сброса.\par
$V_2$~--- считывание в конце экспозиции.
$V_2-V_1$~--- двойная коррелированная выборка.
\end{block}
\col{0.5}\img{cds}}}
\only<3>{\cols{\col{0.57}\begin{block}{Недеструктивное считывание}
Fowler (F) and Follow-Up-the-Ramp (FUR, отслеживание наклона) sampling.\par
$\SNR_{FUR}=\SNR_{DC}\sqrt{\dfrac{n(n+1)}{6(n-1)}}$.\par
Для $n\gg1$\par
$t=nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{8}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{\frc68}$
$t\gg nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{2}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{3}$!
Однако, FUR более применим в космосе: восстановление изображений, поврежденных космикой!
\end{block}
\col{0.4}\img{nondestr}}}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Обработка ИК-снимков}\vspace*{-1em}
\only<1>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Яркость неба}
Высокий уровень шумов от самого телескопа.\par
В дальнем ИК небо ярче объектов!\par
Фон неба зависит от положения объекта.\par
<<Nodding>> "--- небольшие перемещения телескопа между экспозициями для получения снимков неба.
\end{block}
\col{0.4}\img{irsky}}}
\only<2>{\cols{\col{0.57}\begin{block}{Последовательность обработки}
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Темновые, <<плоские поля>>, bias'ы.
\item Медианное усреднение снимков неба. \item Медианное усреднение снимков неба.
\item Вычитание из рабочих кадров темновых.
\item Вычитание неба из снимков объекта. \item Вычитание неба из снимков объекта.
\item Деление результата на плоское поле. \item Деление результата на плоское поле.
\item Обработка результата. \item Обработка результата.
\end{enumerate} \end{enumerate}
Переполненные поля требуют б\'ольших перемещений телескопа для формирования изображения неба. Переполненные поля требуют б\'ольших перемещений телескопа для формирования изображения неба.
\end{block} \end{block}
\col{0.4}\img{irframe}} \col{0.34}\img{irframe}}}
\end{frame} \only<3,4>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Mid IR: Chopping + Nodding}
В среднем ИК фон неба быстро меняется. Экспозиции "--- не более 50\,мс!
\section{Характеристики детекторов} \begin{enumerate}
\begin{frame}{Квантовая эффективность ПЗС} \item{} <<Chopping>> \Arr on$_i$/off$_i$.
\only<1>{QE "--- отношение количества падающих фотонов к детектируемым.\img{QE_PTGrey}} \item $\Sum_{i=0}^{i=xxxxx}$ \Arr On$^1$-Off$^1$.
\only<2>{\img[0.8]{quantumefficiencyfigure1}} \item{} <<Nodding>>, repeat \Arr On$^2$-Off$^2$.
\end{frame} \item Sky=On$^1$-Off$^1$+On$^2$-Off$^2$.
\item Accumulated=On$^1$-Off$^1$-(On$^2$-Off$^2$).
\begin{frame}{Линейность} \item Совмещение \Arr Shift+add.
Линейность ПЗС-камеры Apogee Alta 16M-HC (Kodak KAF-16803). \end{enumerate}
\img[0.7]{Apogee_linearity} \end{block}
$\pm0.5\%$ ($2000\div40000$ ADU) $\pm1.0\%$ ($0\div45000$ ADU). \col{0.5}\only<3>{\img{irdemob}}
\end{frame} \only<4>{\img{chopnod}}}}
\begin{frame}{Динамический диапазон}
\cols{\col{0.4}\begin{block}{}
Максимальный размах уровней сигнала, при котором он регистрируется без потерь.\\
Идеал "--- бесконечный динамический диапазон.
\end{block}
\col{0.6}\img{bloomingfigure4}}
\end{frame}
\begin{frame}{Временн\'ое разрешение}
\begin{block}{}
Характерное время изменения состояния светоприемника, определяющее предельные экспозиции.\\
Потери времени на считывание и сохранение.
\end{block}
\img{TauOphPicsD}
\end{frame} \end{frame}
\begin{frame}{Пространственное разрешение} \begin{blueframe}{Закон Мура}\vspace*{-1em}
\begin{block}{}Степень детализации изображения зависит от условий наблюдения, оптики телескопа \vspace*{-1em}\img[0.5]{moorelaw}
и прибора, размера пикселя. \vspace*{-1em}\vbox to 0pt{\black{Удвоение числа транзисторов на ИС каждые 2 года.}}
\end{block}
\img[0.85]{digitalimagingfigure2}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Выбор светоприемника под масштаб}
\centering\begin{minipage}{0.6\textwidth}
\begin{block}{Масштаб изображения}\centering
$5a\ge\Delta x \ge 2a,\qquad S_{tel}=\dfrac{F_{tel}}{206265}$
БТА: $1/S=8.6''/$мм, $\Delta x_{1''}=116.36\,$мкм
$a_{opt}=23.3\,$мкм. Нужен редуктор $\sim2.5\,$раз!
$m = \dfrac{S_{cam}}{S_{tel}}=\dfrac{F_{cam}}{F_{coll}}<1$
\end{block}\end{minipage}
\img[0.9]{focal_reducer}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Шумы}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{}
Выходной сигнал всегда отличается от входного: пуассонова статистика фотонов, фон неба,
тепловой (темновой) шум, космические частицы, шум считывания и т.п. Мультипликативный и
аддитивный шумы.
\end{block}\vspace*{-0.5em}
\img[0.7]{Kodak_dark}
\end{frame}
\begin{frame}{Характеристики детекторов}
\begin{block}{}
Размер, количество пикселей (каналов), чувствительность в зависимости от длины волны
(квантовая эффективность) и доступный спектральный диапазон, динамический диапазон,
линейность, накопление сигнала, временн\'ое разрешение, шумовые характеристики,
стабильность, цена.
\end{block}
\begin{block}{Эволюция детекторов}
Историческая эволюция: глаз \Arr фотопластинка \Arr одноканальные фотоэлектрические
приемники \Arr сканеры фотопластинок \Arr телевизионные сканеры \Arr полупроводниковые
устройства (фотодиоды, ПЗС, композитные ИК приемники, болометры, лавинные фотодиоды, КМОП)
\Arr устройства, измеряющие энергию фотона (STJ "--- на сверхпроводящих туннельных
переходах, transition-edge sensor "--- повышение сопротивления свехпроводящего перехода).
\end{block}
\end{frame}
\begin{frame}{Типы подложек светоприемников}
\img{detector_wavelengths}
\end{frame}
\begin{frame}{}
\img{Observatories_across_spectrum_labeled_full}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Закон Мура}
\vspace*{-1em}\img[0.7]{moorelaw}
\vspace*{-2\baselineskip}\vbox to 0pt{\black{Удвоение числа транзисторов на ИС каждые 2 года.}}
\end{blueframe} \end{blueframe}
@ -541,148 +680,4 @@ eddy@sao.ru\\
edward.emelianoff@gmail.com edward.emelianoff@gmail.com
\end{block}\end{minipage} \end{block}\end{minipage}
\end{frame} \end{frame}
\end{document}
\begin{frame}{}
\cols{\col{0.5}
\begin{block}{Анатомия глаза}
Cornea~-- роговица, первая <<линза>>.\\
Pupil~-- зрачок, диафрагма (iris).\\
Lens~-- зрачок, вторая <<линза>>.\\
Ciliary body~-- цилиарное тело.\\
Vitreous body~-- стекловидное тело, третья <<линза>>.\\
Choroid~-- сосудистая оболочка.\\
Retina~-- сетчатка.\\
Macula~-- центральная ямка.\\[1em]
$6\div7\,$млн колбочек, $\sim120\,$млн палочек.\\
Мозг <<переворачивает>> и <<дорисовывает>> изображение.
\end{block}
\col{0.48}\img{eye-anatomy}
}
\end{frame}
\begin{frame}{}
\only<1>{\img[0.8]{saturn-lassel}Зарисовка Сатурна Уильямом Ласселом (1799--1880).}
\only<2>{\img{schr_sspot}Солнечные пятна (1785--1795). Hieronymus Schroeter (1745--1816).}
\only<3>{\img{M51}Зарисовки М51: а) Джон Гершель, 1833; b) и c) Уильям Парсонс (третий граф
Росс); d) современное изображение (Canada-France-Hawaii Telescope).}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Гибридные матрицы (Focal Plane Array)}
\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
$V_{reset}$~--- уровень смещения (bias), $V_{read}\propto q$.
Усилитель на МОП позволяет практически свести к нулю утечки при недеструктивном
считывании.
$\Phi_{read}$ подается через элемент <<2И>> на двух МОП (адресация столбца и
строки).
\end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte3}}}
\only<2>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Hawaii HgCdTe 1024x1024.\par Пиксель 18.5\,мкм.\par Gain 5.4\,e/ADU.\par RON
2.1\,ADU.\par Около
10000 плохих пикселей.\par Нелинейность меньше 1.5\% от 0 до 10000\,ADU.\par
Темновой ток при
T=78\,K меньше 0.1\,e/s.
\end{block}
\col{0.5}\img{hawqe}}
\vspace{1em}
\black{\small
https://www.eso.org/sci/facilities/lasilla/instruments/sofi/inst/HawaiiDetector.html}}
\only<3>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{}
Высокий шум InSb при $T>60\,$К определяется большим уровнем
генерационно-рекомбинационных токов.
У HgCdTe в этом диапазоне г-р токи практически нулевые, шум определяется в основном
диффузными
токами.
$$T_{max}=\frac{200\,K}{\lambda_c\text{\,$\mu$m}}$$
\end{block}
\col{0.5}\img{irdark}}
\black{\small OPTO--ELECTRONICS REVIEW \textbf{20}\,(3), 279--308.}}
\end{blueframe}
\begin{frame}{ПЗС, итоги}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{}
\begin{itemize}
\item Для повышения эффективности толщина рабочего слоя ПЗС должна быть не больше
подложки n-типа,
back-illuminated. Усложнение техпроцесса, удорожание.
\item Глубокое охлаждение чипа: при $-80\degr$C с ростом температуры на $\sim7\degr$C
темновой шум
увеличивается в два раза.
\item Кремниевая подложка имеет красную границу на $\sim1.1\,$мкм, в ИК светоприемники с
кремниевыми подложками не будут работать.
\item Утончение чипа приводит к росту прозрачности для больших длин волн и появлению
фрингов.
\item Большой проблемой является растекание заряда с переэкспонированных пикселей.
\item ПЗС невозможно оснастить <<электронным>> затвором, их затвор механический.
\item Дефекты подложки приводят к появлению <<горячих>> и <<плохих>> пикселей.
\item Постоянное воздействие космических частиц вызывает необратимую деградацию.
\end{itemize}
\end{block}
\end{frame}
\begin{blueframe}{CMOS, итоги}
\only<1>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Сканирование производится построчно.
<<Медленная>> шина "--- строки (Y). <<Быстрая>> "--- столбцы (X).
Тактирование сдвигового регистра X поочередно адресует пиксели в строке.
Подключение сброса: индивидуально, построчно или глобально.
Если считывание не завершается сбросом, накопление продолжается "---
недеструктивное считывание.
\end{block}
\col{0.5}\img{hawlcc}}}
\only<2>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Двойная коррелированная выборка}
$V_b$~--- начальный уровень смещения.\par
$V_1$~--- уровень при считывании сразу после сброса.\par
$V_2$~--- считывание в конце экспозиции.
$V_2-V_1$~--- двойная коррелированная выборка.
\end{block}
\col{0.5}\img{cds}}}
\only<3>{\cols{\col{0.57}\begin{block}{Недеструктивное считывание}
Fowler (F) and Follow-Up-the-Ramp (FUR, отслеживание наклона) sampling.\par
$\SNR_{FUR}=\SNR_{DC}\sqrt{\dfrac{n(n+1)}{6(n-1)}}$.\par
Для $n\gg1$\par
$t=nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{8}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{\frc68}$
$t\gg nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{2}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{3}$!
Однако, FUR более применим в космосе: восстановление изображений, поврежденных
космикой!
\end{block}
\col{0.4}\img{nondestr}}}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Обработка снимков}
\only<1>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Яркость неба}
Высокий уровень шумов от самого телескопа.\par
В дальнем ИК небо ярче объектов!\par
Фон неба зависит от положения объекта.\par
<<Nodding>> "--- небольшие перемещения телескопа между экспозициями для получения снимков неба.
\end{block}
\col{0.5}\img{irsky}}}
\only<2,3>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Mid IR: Chopping + Nodding}
В среднем ИК фон неба быстро меняется. Экспозиции "--- не более 50\,мс!
\begin{enumerate}
\item{} <<Chopping>> \Arr on$_i$/off$_i$.
\item $\Sum_{i=0}^{i=xxxxx}$ \Arr On$^1$-Off$^1$.
\item{} <<Nodding>>, repeat \Arr On$^2$-Off$^2$.
\item Sky=On$^1$-Off$^1$+On$^2$-Off$^2$.
\item Accumulated=On$^1$-Off$^1$-(On$^2$-Off$^2$).
\item Совмещение \Arr Shift+add.
\end{enumerate}
\end{block}
\col{0.5}\only<2>{\img{irdemob}}
\only<3>{\img{chopnod}}}}
\end{frame}
\end{document}

BIN
Astroschool_lect/02-detectors/detectors_old.pdf Normal file
View File

Binary file not shown.

646
Astroschool_lect/02-detectors/detectors_old.tex Normal file
View File

@ -0,0 +1,646 @@
\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer}
\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen}
\usepackage{lect}
\title{Физические основы регистрации излучения}
\date{21 марта 2018 года}
\begin{document}
% Титул
\bgroup\setbeamercolor{normal text}{bg=black}
\begin{frame}
\maketitle
\end{frame}\egroup\logo{}
% Содержание
\begin{frame}
\tableofcontents
\end{frame}
\section{Человеческий глаз}
\begin{frame}{Человеческий глаз}
\cols{\col{0.5}\centerline{\graph[0.5]{galileo_planets}~~\graph[0.38]{Dunhuang_star}}
\begin{block}{Глаз}
\begin{itemize}
\item Маленькая апертура ($\le8\,$мм)
\item Низкая чувствительность
\item Низкое угловое разрешение ($>16''$, чаще $1'$)
\item Узкий спектральный диапазон
\item Невозможность накопления сигнала
\item Малое поле ясного зрения
\item Цветочувствительность только при больших интенсивностях
\end{itemize}
\end{block}\col{0.5}
\img[0.8]{humaneye}\vspace{-1.5em}
\img[0.5]{galileojupiter}
}\end{frame}
\begin{frame}{}\cols{\col{0.6}
\begin{block}{}
Диапазон: $400\div750\,$нм (низкая чувствительность в УФ из-за материала хрусталика, защищающего сетчатку).\\
Высокочувствительные палочки и менее чувствительные колбочки.\\
$100\div200$ фотонов ($\lambda=510\div525\,$нм) в секунду для палочек!\\
Дальтонизм "--- схожесть или отсутствие светочувствительных белков.\\
Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году М.В.\,Ломоносов. Параллельно существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга (ее развили Дэвид Хьюбел и Торстен Визел "--- нобелевская премия 1981\,г): в мозг поступает информация о разнице яркости (white-black, G-R, B-Y, Y=R+G).\\
Бинокулярное зрение "--- оценка расстояния и размеров.
\end{block}\col{0.4}\img{Spectre_absorption_des_cones}}
\end{frame}
\begin{frame}{}
\cols{\col{0.5}
\begin{block}{Анатомия глаза}
Cornea~-- роговица, первая <<линза>>.\\
Pupil~-- зрачок, диафрагма (iris).\\
Lens~-- зрачок, вторая <<линза>>.\\
Ciliary body~-- цилиарное тело.\\
Vitreous body~-- стекловидное тело, третья <<линза>>.\\
Choroid~-- сосудистая оболочка.\\
Retina~-- сетчатка.\\
Macula~-- центральная ямка.\\[1em]
$6\div7\,$млн колбочек, $\sim120\,$млн палочек.\\
Мозг <<переворачивает>> и <<дорисовывает>> изображение.
\end{block}
\col{0.48}\img{eye-anatomy}
}
\end{frame}
\begin{frame}{}
\only<1>{\img[0.8]{saturn-lassel}Зарисовка Сатурна Уильямом Ласселом (1799--1880).}
\only<2>{\img{schr_sspot}Солнечные пятна (1785--1795). Hieronymus Schroeter (1745--1816).}
\only<3>{\img{M51}Зарисовки М51: а) Джон Гершель, 1833; b) и c) Уильям Парсонс (третий граф Росс); d) современное изображение (Canada-France-Hawaii Telescope).}
\end{frame}
\section{Типы детекторов и диапазоны}
\begin{frame}{Диапазоны длин волн}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{Регистрируемые формы энергии}
\begin{itemize}
\item Электромагнитное излучение (от гамма-- до радиоволн).
\item Космические лучи (субатомные заряженные частицы высоких энергий).
\item Нейтрино.
\item Гравитационные волны.
\end{itemize}
\end{block}
\begin{block}{Детектирование}
\begin{itemize}
\item События (фотоны, частицы) "--- детекторы частиц, счетчики фотонов
\item Создаваемое тепло "--- болометры
\item Волновые характеристики "--- радиометры
\end{itemize}
\end{block}
\begin{block}{Измеряемые параметры}
\begin{itemize}
\item Направление и время прибытия излучения.
\item Интенсивность на разных длинах волн.
\item Степень поляризации излучения.
\item Фазовые сдвиги между волнами.
\end{itemize}
\end{block}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Электромагнитный спектр}
\img{EM_Spectrum}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Источники излучения}
\small
\begin{tabular}{|p{1.5cm}|c|c|p{4cm}|p{2cm}|}
\hline
\bf Диапазон & \bf $\pmb\lambda$, нм & \bf $\pmb{T}$, K &\bf Тепловые
источники &\bf Нетепловые \\ \hline
Гамма & $<0.01$ & $>10^8$ & Термоядерный синтез & ppI, IC, DR\\
Рентген & $0.01$--$20$ & $10^6$--$10^8$& Газ в скоплениях галактик, остатки сверхновых, солнечная
корона & IC, SR\\
УФ & $20$--$400$& $10^5$--$10^6$& Остатки сверхновых, горячие звезды& SR\\
Видимый& $400$--$700$& $10^4$--$10^5$& Звездные атмосферы, оболочки& SR\\
ИК & $700$--$10^6$& $10$--$10^3$& Холодные облака газа и пыли, планеты, спутники& SR\\
Радио& $>10^6$ & $<10$& Темные пылевые облака& SR\\
\hline
\end{tabular}
ppI~-- протон-протонные столкновения, IC~-- обратное комптоновское рассеяние, DR~-- тормозное
излучение, SR~-- синхротронное излучение
\end{frame}
\begin{frame}{Всеволновой космос}
\only<1>{\img[0.86]{allwavesky}}
\only<2>{\img{MWA-whirlpool-galaxy}}
\end{frame}
\begin{frame}
\img{multiwave_galaxy}
\end{frame}
\begin{frame}{Атмосферное пропускание}
\only<1>{\img{atm_trans}}
\only<2>{\img{MWA-Observatories}}
\end{frame}
\begin{frame}{Типы подложек светоприемников}
\img{detector_wavelengths}
\end{frame}
\begin{frame}{}
\img{Observatories_across_spectrum_labeled_full}
\end{frame}
\begin{frame}{Инфракрасный диапазон}
\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
1800~--- открытие ИК излучения Уильямом Гершелем.
1838~--- измерение солнечной постоянной Клодом Пулье (1.23\,кВт/м$^2$, современное значение
1.367\,кВт/м$^2$).
1880~--- болометр Лэнгли. 1875~--- радиометр Крукса. Термопары.
1957~--- открытие свойств HgCdTe.
1962~--- фотометрическая система Джонсона, измерения фотоэлектрическими ячейками на PbS и InSb.
1970~--- IR~CCD, матрицы диодов Шоттки.
2000е~--- различные виды FPA.
\ldots
\end{block}
\col{0.4}\img{herschel}}}
\only<2>{\img[0.7]{IR_atm}
\begin{block}{Диапазоны}
\begin{itemize}
\item $0.75\div1.4\,$мкм~--- ближний ИК, ПЗС;
\item $1.4\div3\,$мкм~--- коротковолновый ИК, HgCdTe (до $2.54\,$мкм), InSb (до $5.4\,$мкм);
\item $3\div8\,$мкм~--- средний ИК, Si:As ($5\div28\,$мкм);
\item $8\div15\,$мкм~--- длинноволновый ИК, Si:As;
\item $15\div1000\,$мкм~--- дальний ИК и субмиллиметровый диапазон.
\end{itemize}
\end{block}}
\only<3>{
\centering\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
\hline\ж $\pmb\lambda,\,$мкм & \ж Полоса &\ж Прозрачность неба & \ж Яркость неба\\\hline
$1.1$--$1.4$ & J & высокая & низкая\\
$1.5$--$1.8$ & H & высокая & очень низкая\\
$2.0$--$2.4$ & K & высокая & очень низкая\\
$3.0$--$4.0$ & L & достаточно высокая& низкая\\
$4.6$--$5.0$ & M & низкая & высокая \\
$7.5$--$14.5$& N & \multicolumn{1}{p{3.5cm}|}{низкая (кроме 8--9 и 10--12\,мкм, где средняя)} &
очень высокая\\
$17$--$25$ & Q & очень низкая & очень высокая \\
$28$--$40$ & Z & очень низкая & очень высокая \\
$330$--$370$ & & очень низкая & низкая\\\hline
\end{tabular}
}
\only<4>{\begin{block}{Телескопы}
{\ж Наземные}: {\ж VISTA} (4.1\,м), UKIRT (3.8\,м), IRTF (3\,м), и др.
{\ж На борту самолета}: {\ж SOFIA} (2.5\,м).
{\ж Космические}: JWST (6.5\,м, в планах), {\ж Herschel} (3.5\,м), Spitzer (0.85\,м) и др.
\end{block}
\centering
\graph[0.3]{VISTA}\hspace{1em}
\graph[0.35]{SOFIA}\hspace{1em}
\graph[0.25]{HERSCHEL}
}
\end{frame}
\begin{frame}{Оптический диапазон}
\only<1>{Световое загрязнение\img{light_pollution}}
\only<2>{\img[0.5]{lpchange}}
\only<3>{Расположение\img{largest_scopes}}
\end{frame}
\begin{frame}{Ультрафиолетовый диапазон}
Только космические телескопы: UVIT на Astrosat (40\,см), HST (2.4\,м), UVOT на SWIFT (30\,см) и
многие другие.
\centering
\graph[0.3]{Astrosat}\hspace{1em}
\graph[0.35]{HST}\hspace{1em}
\graph[0.25]{SWIFT}
\end{frame}
\section{Характеристики детекторов}
\begin{frame}{Характеристики детекторов}
\begin{block}{}
Размер, количество пикселей (каналов), чувствительность в зависимости от длины волны (квантовая эффективность) и доступный спектральный диапазон, динамический диапазон, линейность, накопление сигнала, временн\'ое разрешение, шумовые характеристики, стабильность, цена.
\end{block}
\begin{block}{Эволюция детекторов}
Историческая эволюция: глаз \Arr фотопластинка \Arr одноканальные фотоэлектрические приемники \Arr сканеры фотопластинок \Arr телевизионные сканеры \Arr полупроводниковые устройства (фотодиоды, ПЗС, композитные ИК приемники, болометры, лавинные фотодиоды, КМОП) \Arr устройства, измеряющие энергию фотона (STJ "--- на сверхпроводящих туннельных переходах, transition-edge sensor "--- повышение сопротивления свехпроводящего перехода).
\end{block}
\end{frame}
\begin{frame}{Квантовая эффективность ПЗС}
\only<1>{QE "--- отношение количества падающих фотонов к детектируемым.\img{QE_PTGrey}}
\only<2>{\img[0.8]{quantumefficiencyfigure1}}
\end{frame}
\begin{frame}{Линейность}
Линейность ПЗС-камеры Apogee Alta 16M-HC (Kodak KAF-16803).
\img[0.7]{Apogee_linearity}
$\pm0.5\%$ ($2000\div40000$ ADU) $\pm1.0\%$ ($0\div45000$ ADU).
\end{frame}
\begin{frame}{Динамический диапазон}
\cols{\col{0.4}\begin{block}{}
Максимальный размах уровней сигнала, при котором он регистрируется без потерь.\\
Идеал "--- бесконечный динамический диапазон.
\end{block}
\col{0.6}\img{bloomingfigure4}}
\end{frame}
\begin{frame}{Временн\'ое разрешение}
\begin{block}{}
Минимальный интервал времени, в течение которого можно обнаружить изменение потока излучения.\\
Потери времени на считывание и сохранение.
\end{block}
\img{TauOphPicsD}
\end{frame}
\begin{frame}{Пространственное разрешение}
\begin{block}{}Степень детализации изображения зависит от условий наблюдения, оптики телескопа и прибора, размера пикселя.
\end{block}
\img[0.85]{digitalimagingfigure2}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Выбор светоприемника под масштаб}
\centering\begin{minipage}{0.6\textwidth}
\begin{block}{Масштаб изображения}\centering
$5a\ge\Delta x \ge 2a,\qquad S_{tel}=\dfrac{F_{tel}}{206265}$
БТА: $1/S=8.6''/$мм, $\Delta x_{1''}=116.36\,$мкм
$a_{opt}=23.3\,$мкм. Нужен редуктор $\sim2.5\,$раз!
$m = \dfrac{S_{cam}}{S_{tel}}=\dfrac{F_{cam}}{F_{coll}}<1$
\end{block}\end{minipage}
\img[0.9]{focal_reducer}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Шумы}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{}
Выходной сигнал всегда отличается от входного: пуассонова статистика фотонов, фон неба, тепловой (темновой) шум, космические частицы, шум считывания и т.п.
\end{block}\vspace*{-0.5em}
\img[0.7]{Kodak_dark}
\end{frame}
\section{Аналоговая регистрация и счет фотонов}
\begin{frame}{Фотографические пластинки}\only<1>{
1826, Нисефор Ньепс, гелиография (полимеризация битума).\img[0.8]{Nieps}}
\only<2>{
\cols{\col{0.5}
\begin{block}{}
\begin{itemize}
\item Большой формат
\item Очень низкая эффективность ($<1\%$)
\item Сложность перевода в цифровую форму
\item Нелинейность, сложность калибровки
\end{itemize}
\end{block}\img[0.8]{ISO6speedMethod}
\col{0.5}\img{Orion-Nebula_A_A_Common}
\begin{block}{}
Andrew Ainslie Common, 1883~г. "--- туманность Ориона.
\end{block}}}
\only<3>{\vspace*{-0.5em}\begin{block}{``Harvard Computers'' (Pickering's Harem)}
Edward Charles Pickering, 1881. Привлечение женщин для обработки растущей коллекции фотопластинок
Гарвардской обсерватории. The Henry Draper Catalogue. Обнаружение переменных звезд, изучение
спектров, классификация галактик.
\end{block}\vspace*{-0.5em}
\img[0.5]{annie_jump_cannon_with_plate}
Annie Jump Cannon, 1896.}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Болометр}
\only<1>{\cols{
\col{0.5}\img{Bolometer_conceptual_schematic}\col{0.4}
\begin{block}{}
1878~г. Сэмюэль Лэнгли изобрел болометр: две платиновые полоски, зачерненные ламповой сажей,
включенные по схеме моста Уитсона и подключенные к чувствительному гальванометру.
Болометр Лэнгли чувствовал корову за милю!
Расширение диапазона до ИК.
\end{block}}}
\only<2>{\cols{\col{0.4}\img{Wheatstonebridge}
\col{0.6}\begin{block}{}
Мост Уитстона: $\dfrac{R_2}{R_1}=\dfrac{R_x}{R_3}$ \Arr $R_x=\dfrac{R_2}{R_1}R_3$.
$$V_{G}=\left(\frac{R_2}{R_{1}+R_{2}}-\frac{R_x}{R_{x}+R_{3}}\right)V_{s}$$
$\dfrac{R_x}{R_3}=\dfrac{V_s-2V_G}{V_s+2V_G}$~--- если $V_s=10\,$В, то при $V_G=1\,$мВ
относительное изменение сопротивления составит $4\cdot10^{-4}$.
$R_3$ и $R_x$~--- зачерненные платиновые полоски. Точность измерений~--- до $10^{-5}{}\degr C$.
\end{block}}}
\end{blueframe}
\begin{blueframe}{Термопара}
\cols{\col{0.5}\begin{block}{Эффект Зеебека}
Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и
температур горячего ($T_1$) и холодного ($T_2$) контактов:
$$\mathcal {E}=\Int_{T_{1}}^{T_{2}}\alpha_{12}(T)dT.$$
Объясняется совокупностью трех эффектов: зависимостью от температуры скорости электронов и
энергии Ферми (контактная разность потенциалов) и фононным увлечением электронов.
\end{block}
\col{0.5}\img{Zeebek}\black{Термоэлектрический генератор на элементах Пельтье}}
\end{blueframe}
\begin{blueframe}{Фотоэффект}
\only<1>{\cols{\col{0.5}
\begin{block}{Внешний фотоэффект}
$$h\nu =A+\frac{mv^2}{2}$$
\end{block}
\begin{block}{Внутренний фотоэффект}
$W_{min}$~--- ширина запрещенной зоны. $W_{max}$~--- энергия выхода.
Фотон с требуемой энергией формирует электронно-дырочную пару. Примеси позволяют уменьшить красный
предел (электрон находится в запрещенной зоне).
Фоторезисторы.
\end{block}
\col{0.5}\img{inside-photo-effect}}}
\only<2>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{Фотовольтаический (фотогальванический) эффект}
Напрямую связан с фотоэлектическим эффектом.
Режимы: фотогальванический (без внешнего напряжения) и фотопроводимости (обратное смещение).
Генерируемая в обедненной области пара разрывается потенциалом Гальвани. Происходит накопление
заряда.
Фотодиоды, ПЗС, CMOS.
\end{block}
\col{0.5}\img[0.9]{PhotovoltaicEffect}}}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Ускорение и размножение электронов}
\vspace*{-2em}\begin{block}{}
1940-е годы. Счет фотонов. Большие "--- потому одноканальные.
\end{block}
\img{PhotoMultiplierTubeAndScintillator}
\end{frame}
\section{Многоканальные светоприемники}
\begin{blueframe}{ЭЛТ}
\vspace*{-2em}\begin{block}{}
1964, E. Luedicke, A. D. Cope, and L. E. Flory. Astronomical Image-Integration System Using a
Television Camera Tube.
На $3^m\div4^m$ чувствительнее фотопластинок.
\end{block}
\img{Orthicon}
\end{blueframe}
\begin{frame}{ЭОП}
\cols{\col{0.4}
\begin{block}{}
Первую конструкцию ЭОП предложили в 1928\,г. изобретатели из компании Philips.\\
Первое поколение "--- каскады ФЭУ.\\
Второе "--- микроканальная технология (уменьшение паразитной засветки).\\
Третье "--- фотокатоды на арсениде галлия (больше усиление, меньше размеры).\\
Четвертое (2014\,г!) "--- чувствительность $400\div1000\,$нм, лучшее качество изображения, уменьшение размеров.
\end{block}
\col{0.58}
\img{Gen3-Image-Tube}}
\end{frame}
\begin{frame}{МКП + КПА}
\begin{block}{}
Конец 1970-х "--- микроканальные пластины.
1983, Siegmund, O.H.W. et al. "Application of the wedge and strip anode to position sensing with
microchannel plates and proportional counters".
1986, Siegmund, O.H.W. et al. "Wedge and strip image readout systems for photon-counting detectors
in space astronomy".
\end{block}
\begin{columns}
\column{0.5\textwidth}
\img{MCP}
\column{0.4\textwidth}
\img[0.8]{WSA}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}{ПЗС}
\begin{columns}
\column{0.5\textwidth}
\img{ccdintro}
\column{0.5\textwidth}
\begin{block}{}
1969, Уиллард Бойл и Джордж Смит, лаборатории Белла.
1975 "--- первая ПЗС 100x100 (Steven Sasson, Kodak).
1976 "--- запуск спутника--шпиона с ПЗС 800x800.
\end{block}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}{КМОП}
\begin{columns}
\column{0.7\textwidth}
\only<1>{\img{CCD-VS-CMOS}}
\only<2>{\img{HgCdTe_ULBcam}}
\column{0.3\textwidth}
\begin{block}{}
Конец 1980-х "--- <<активно-пиксельные датчики>>. Недеструктивное считывание, произвольный доступ.
Но низкая квантовая эффективность.
\onslide<2>{ИК-детекторы на HgCdTe}
\end{block}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Гибридные матрицы (Focal Plane Array)}
\only<1>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
В n-канальном полупроводнике легируются p-канальные площадки "--- пиксели.
Каждый пиксель является конденсатором, накапливающим фотогальванические дырки, либо же конденсаторы
легируются в ROIC.
Толщина полупроводника: слишком маленькая "--- прозрачная для фотонов, слишком большая "---
рекомбинация пар в процессе экспозиции. Обычно около 10\,мкм.
Просветляющее покрытие.
\end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte1}}}
\only<2>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
На силиконе "--- считывающая схема (ReadOut Integrated Circuit).
Регистрирующая структура прижимается к считывающей.
Контакт посредством индиевых шариков (мягкий металл даже при криогенных температурах).
Индивидуальная цепь считывания для каждого пикселя.
Независимая адресация, недеструктивное считывание. Отсутствие растекания заряда, как в ПЗС.
<<Плохие>> пиксели не влияют на окружение!
\end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte2}}}
\only<3>{\cols{\col{0.6}\begin{block}{}
$V_{reset}$~--- уровень смещения (bias), $V_{read}\propto q$.
Усилитель на МОП позволяет практически свести к нулю утечки при недеструктивном считывании.
$\Phi_{read}$ подается через элемент <<2И>> на двух МОП (адресация столбца и строки).
\end{block}
\col{0.4}\img{hgcdte3}}}
\only<4>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Hawaii HgCdTe 1024x1024.\par Пиксель 18.5\,мкм.\par Gain 5.4\,e/ADU.\par RON 2.1\,ADU.\par Около
10000 плохих пикселей.\par Нелинейность меньше 1.5\% от 0 до 10000\,ADU.\par Темновой ток при
T=78\,K меньше 0.1\,e/s.
\end{block}
\col{0.5}\img{hawqe}}
\vspace{1em}
\black{\small https://www.eso.org/sci/facilities/lasilla/instruments/sofi/inst/HawaiiDetector.html}}
\only<5>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{}
Высокий шум InSb при $T>60\,$К определяется большим уровнем генерационно-рекомбинационных токов.
У HgCdTe в этом диапазоне г-р токи практически нулевые, шум определяется в основном диффузными
токами.
$$T_{max}=\frac{200\,K}{\lambda_c\text{\,$\mu$m}}$$
\end{block}
\col{0.5}\img{irdark}}
\black{\small OPTO--ELECTRONICS REVIEW \textbf{20}\,(3), 279--308.}}
\end{blueframe}
\section{Примеры детекторов}
\begin{frame}{}
\begin{columns}
\column{0.5\textwidth}
\only<1>{\img{SDSSFaceplate}}
\only<2>{\img{frame_transfer_CCD}}
\column{0.5\textwidth}
\begin{block}{}
\only<1>{Слоановский обзор SDSS, 30 ПЗС 2048x2048 в сканирующем режиме.}
\only<2>{ПЗС с переносом заряда позволяют уменьшить воздействие посторонней засветки во время
считывания.}
\end{block}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}{STJ, TES "--- измерение энергии фотона}
\only<1>{\begin{block}{STJ}
Два сверхпроводника, разделенных тонким изолятором.
Алюминий (1.2К), ниобий (4.2К).
100..1000ГГц "--- радиоастрономия. Счетчик фотонов в широком диапазоне.
\end{block}\img[0.6]{Josephson}}
\only<2>{
\begin{block}{TES}
Transition-edge sensor "--- криогенный датчик, в основе работы которого используется зависимость от температуры сопротивления на границе фазового перехода в сверхпроводящее состояние.
\end{block}
\img[0.5]{NIST_Tungsten_Transition_Edge_Sensor}}
\end{frame}
\begin{frame}{OTCCD}
\vspace*{-1em}\cols{\col{0.6}
\begin{block}{arXiv:astro-ph/9705165, 1997}
The Orthogonal Transfer CCD позволяет переносить заряд в любом из четырех направлений. Отслеживание атмосферных наклонов волнового фронта с частотой до 100\,Гц. Проще tip-tilt систем.
\end{block}
\col{0.35}\img{OTCCD}}
\end{frame}
\begin{frame}{ПЗС, итоги}\vspace*{-0.5em}
\begin{block}{}
\begin{itemize}
\item Для повышения эффективности толщина рабочего слоя ПЗС должна быть не больше подложки n-типа,
back-illuminated. Усложнение техпроцесса, удорожание.
\item Глубокое охлаждение чипа: при $-80\degr$C с ростом температуры на $\sim7\degr$C темновой шум
увеличивается в два раза.
\item Кремниевая подложка имеет красную границу на $\sim1.1\,$мкм, в ИК светоприемники с
кремниевыми подложками не будут работать.
\item Утончение чипа приводит к росту прозрачности для больших длин волн и появлению фрингов.
\item Большой проблемой является растекание заряда с переэкспонированных пикселей.
\item ПЗС невозможно оснастить <<электронным>> затвором, их затвор механический.
\item Дефекты подложки приводят к появлению <<горячих>> и <<плохих>> пикселей.
\item Постоянное воздействие космических частиц вызывает необратимую деградацию.
\end{itemize}
\end{block}
\end{frame}
\begin{blueframe}{CMOS, итоги}
\only<1>{\cols{\col{0.5}\begin{block}{}
Сканирование производится построчно.
<<Медленная>> шина "--- строки (Y). <<Быстрая>> "--- столбцы (X).
Тактирование сдвигового регистра X поочередно адресует пиксели в строке.
Подключение сброса: индивидуально, построчно или глобально.
Если считывание не завершается сбросом, накопление продолжается "--- недеструктивное считывание.
\end{block}
\col{0.5}\img{hawlcc}}}
\only<2>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Двойная коррелированная выборка}
$V_b$~--- начальный уровень смещения.\par
$V_1$~--- уровень при считывании сразу после сброса.\par
$V_2$~--- считывание в конце экспозиции.
$V_2-V_1$~--- двойная коррелированная выборка.
\end{block}
\col{0.5}\img{cds}}}
\only<3>{\cols{\col{0.57}\begin{block}{Недеструктивное считывание}
Fowler (F) and Follow-Up-the-Ramp (FUR, отслеживание наклона) sampling.\par
$\SNR_{FUR}=\SNR_{DC}\sqrt{\dfrac{n(n+1)}{6(n-1)}}$.\par
Для $n\gg1$\par
$t=nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{8}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{\frc68}$
$t\gg nT_{read}$: $\SNR_{F} = \SNR_{DC}\sqrt{\frc{n}{2}}\approx\SNR_{FUR}\sqrt{3}$!
Однако, FUR более применим в космосе: восстановление изображений, поврежденных космикой!
\end{block}
\col{0.4}\img{nondestr}}}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Обработка ИК-снимков}
\only<1>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Яркость неба}
Высокий уровень шумов от самого телескопа.\par
В дальнем ИК небо ярче объектов!\par
Фон неба зависит от положения объекта.\par
<<Nodding>> "--- небольшие перемещения телескопа между экспозициями для получения снимков неба.
\end{block}
\col{0.5}\img{irsky}}}
\only<2>{\cols{\col{0.57}\begin{block}{Последовательность обработки}
\begin{enumerate}
\item Медианное усреднение снимков неба.
\item Вычитание неба из снимков объекта.
\item Деление результата на плоское поле.
\item Обработка результата.
\end{enumerate}
Переполненные поля требуют б\'ольших перемещений телескопа для формирования изображения неба.
\end{block}
\col{0.4}\img{irframe}}}
\only<3,4>{\cols{\col{0.47}\begin{block}{Mid IR: Chopping + Nodding}
В среднем ИК фон неба быстро меняется. Экспозиции "--- не более 50\,мс!
\begin{enumerate}
\item{} <<Chopping>> \Arr on$_i$/off$_i$.
\item $\Sum_{i=0}^{i=xxxxx}$ \Arr On$^1$-Off$^1$.
\item{} <<Nodding>>, repeat \Arr On$^2$-Off$^2$.
\item Sky=On$^1$-Off$^1$+On$^2$-Off$^2$.
\item Accumulated=On$^1$-Off$^1$-(On$^2$-Off$^2$).
\item Совмещение \Arr Shift+add.
\end{enumerate}
\end{block}
\col{0.5}\only<3>{\img{irdemob}}
\only<4>{\img{chopnod}}}}
\end{frame}
\begin{blueframe}{Закон Мура}
\vspace*{-1em}\img[0.7]{moorelaw}
\vspace*{-2\baselineskip}\vbox to 0pt{\black{Удвоение числа транзисторов на ИС каждые 2 года.}}
\end{blueframe}
\begin{frame}{Спасибо за внимание!}
\centering
\begin{minipage}{5cm}
\begin{block}{mailto}
eddy@sao.ru\\
edward.emelianoff@gmail.com
\end{block}\end{minipage}
\end{frame}
\end{document}

17
Astroschool_lect/02-detectors/lect.sty
View File

@ -18,23 +18,6 @@
{\begin{figure}[!h]\begin{center}\noindent}% {\begin{figure}[!h]\begin{center}\noindent}%
{\end{center}\end{figure}} {\end{center}\end{figure}}
\setbeamertemplate{footline}
{
\leavevmode%
\hbox{%
\begin{beamercolorbox}[wd=.333333\paperwidth,ht=2.25ex,dp=1ex,center]{author in head/foot}%
\usebeamerfont{author in head/foot}\insertshortauthor~~(\insertshortinstitute)
\end{beamercolorbox}%
\begin{beamercolorbox}[wd=.333333\paperwidth,ht=2.25ex,dp=1ex,center]{title in head/foot}%
\usebeamerfont{title in head/foot}\insertshorttitle
\end{beamercolorbox}%
\begin{beamercolorbox}[wd=.333333\paperwidth,ht=2.25ex,dp=1ex,right]{date in head/foot}%
\usebeamerfont{date in head/foot}\insertshortdate{}\hfill\insertframenumber\hspace{1em}
\end{beamercolorbox}
}%
\vskip0pt%
}
\setbeamercolor{color1}{bg=blue!50!black,fg=white} \setbeamercolor{color1}{bg=blue!50!black,fg=white}
\setbeamercolor{normal text}{bg=blue!20!black,fg=cyan!70!white} \setbeamercolor{normal text}{bg=blue!20!black,fg=cyan!70!white}
\setbeamercolor{frametitle}{fg=red,bg=blue!40!black} \setbeamercolor{frametitle}{fg=red,bg=blue!40!black}

154
Astroschool_lect/02-detectors/lect.sty.old Normal file
View File

@ -0,0 +1,154 @@
\usepackage[T2A]{fontenc} %ÐÏÄÄÅÒÖËÁ ËÉÒÉÌÌÉÃÙ
\usepackage[koi8-r]{inputenc}
\usepackage[english,russian]{babel}
\usepackage{xspace}
\usepackage{array}
%\usepackage[intlimits]{amsmath}
\renewcommand{\arraystretch}{1.2}
\def\No{\textnumero}
\graphicspath{{./pic/}}
\usetheme{Boadilla}
\usefonttheme{structurebold}
\usefonttheme[onlymath]{serif}
\setbeamercovered{transparent}
\newenvironment{pict}%
{\begin{figure}[!h]\begin{center}\noindent}%
{\end{center}\end{figure}}
\setbeamertemplate{footline}
{
\leavevmode%
\hbox{%
\begin{beamercolorbox}[wd=.333333\paperwidth,ht=2.25ex,dp=1ex,center]{author in head/foot}%
\usebeamerfont{author in head/foot}\insertshortauthor~~(\insertshortinstitute)
\end{beamercolorbox}%
\begin{beamercolorbox}[wd=.333333\paperwidth,ht=2.25ex,dp=1ex,center]{title in head/foot}%
\usebeamerfont{title in head/foot}\insertshorttitle
\end{beamercolorbox}%
\begin{beamercolorbox}[wd=.333333\paperwidth,ht=2.25ex,dp=1ex,right]{date in head/foot}%
\usebeamerfont{date in head/foot}\insertshortdate{}\hfill\insertframenumber\hspace{1em}
\end{beamercolorbox}
}%
\vskip0pt%
}
\setbeamercolor{color1}{bg=blue!50!black,fg=white}
\setbeamercolor{normal text}{bg=blue!20!black,fg=cyan!70!white}
\setbeamercolor{frametitle}{fg=red,bg=blue!40!black}
\setbeamercolor{title}{fg=red,bg=blue!40!black}
\setbeamercolor{block title}{fg=cyan,bg=blue!40!black}
\newenvironment{defin}{\begin{beamercolorbox}[shadow=true, rounded=true]{color1}}%
{\end{beamercolorbox}}
\newcommand{\graph}[2][]{\includegraphics[width=#1\columnwidth]{#2}}
\newcommand{\img}[2][]{\begin{pict}\includegraphics[width=#1\columnwidth]{#2}\end{pict}}
\newcommand{\smimg}[2][]{\includegraphics[width=#1\columnwidth]{#2}}
\logo{\includegraphics[height=1cm,keepaspectratio]{traektory_AFSH}\hspace{2em}%
\includegraphics[height=1cm,keepaspectratio]{saologo.pdf}}
\def\daterussian{ % fix for iÀÎÑ and iÀÌÑ
\def\today{\number\day~\ifcase\month\or
\cyrya\cyrn\cyrv\cyra\cyrr\cyrya\or
\cyrf\cyre\cyrv\cyrr\cyra\cyrl\cyrya\or
\cyrm\cyra\cyrr\cyrt\cyra\or
\cyra\cyrp\cyrr\cyre\cyrl\cyrya\or
\cyrm\cyra\cyrya\or
\cyri\cyryu\cyrn\cyrya\or
\cyri\cyryu\cyrl\cyrya\or
\cyra\cyrv\cyrg\cyru\cyrs\cyrt\cyra\or
\cyrs\cyre\cyrn\cyrt\cyrya\cyrb\cyrr\cyrya\or
\cyro\cyrk\cyrt\cyrya\cyrb\cyrr\cyrya\or
\cyrn\cyro\cyrya\cyrb\cyrr\cyrya\or
\cyrd\cyre\cyrk\cyra\cyrb\cyrr\cyrya\fi
\space \number\year~\cyrg.}}
\author[åÍÅÌØÑÎÏ× ü.÷.]{åÍÅÌØÑÎÏ× üÄÕÁÒÄ ÷ÌÁÄÉÍÉÒÏ×ÉÞ}
\institute[óáï òáî]{óÐÅÃÉÁÌØÎÁÑ ÁÓÔÒÏÆÉÚÉÞÅÓËÁÑ ÏÂÓÅÒ×ÁÔÏÒÉÑ òáî\\
{\tiny ìÁÂÏÒÁÔÏÒÉÑ ÏÂÅÓÐÅÞÅÎÉÑ ÎÁÂÌÀÄÅÎÉÊ}\\
}
\def\Ö{\bf}
\def\Ô{\tt}
\def\Î{\normalfont}
\def\Ë{\it}
\def\t#1{\texttt{#1}}
\def\bi{\bfseries\itshape} % öÉÒÎÙÊ ËÕÒÓÉ×
\def\red#1{\textcolor{red}{#1}}
\def\green#1{\textcolor{green}{#1}}
\def\blue#1{\textcolor{blue}{#1}}
\def\black#1{\textcolor{black}{#1}}
\newenvironment{lightframe}{\bgroup\setbeamercolor{normal text}%
{bg=blue}\begin{frame}}{\end{frame}\egroup}
\newenvironment{blueframe}{\bgroup\setbeamercolor{normal text}%
{bg=cyan!70!white}\begin{frame}}{\end{frame}\egroup}
\newsavebox{\hght} % for ddotvec
\newlength{\lngth}
\def\arr{\ensuremath{\,\rightarrow\,}} % óÔÒÅÌËÁ ×ÐÒÁ×Ï
\def\Arr{\ensuremath{\,\Rightarrow\,}} % ÖÉÒÎÁÑ -//-
\def\aver#1{\bgroup\mathopen{<}#1\mathclose{>}\egroup}
\def\Ang{\mbox{\rm\AA}} % áÎÇÓÔÒÅÍ
\def\B#1{\ensuremath{\mathbf{#1}}}
\def\ceil#1{\bgroup\lceil #1\rceil\egroup}
\def\const{\ensuremath{\mathfrak{const}}}
\def\C{\ensuremath{\mathfrak{C}}}
\def\degr{\ensuremath{^\circ}} % çÒÁÄÕÓ
\def\ddotvec#1{ % ×ÔÏÒÁÑ ÐÒÏÉÚ×ÏÄÎÁÑ ×ÅËÔÏÒÁ ÐÏ ×ÒÅÍÅÎÉ
\savebox{\hght}{$\vec{#1}$}\ddot{\raisebox{0pt}[.8\ht\hght]{$\vec{#1}$}}}
\def\dotvec#1{ % ðÒÏÉÚ×ÏÄÎÁÑ ×ÅËÔÏÒÁ ÐÏ ×ÒÅÍÅÎÉ
\savebox{\hght}{$\vec{#1}$}\dot{\raisebox{0pt}[.8\ht\hght]{$\vec{#1}$}}}
\def\dpartder#1#2{\dfrac{\partial^2 #1}{\partial #2^2}} % ×ÔÏÒÁÑ ÞÁÓÔÎÁÑ ÐÒÏÉÚ×ÏÄÎÁÑ
\def\e{\mathop{\mathrm e}\nolimits}
\renewcommand{\epsilon}{\varepsilon} % ëÒÁÓÉ×ÙÊ ÜÐÓÉÌÏÎ
\def\frc#1#2{\raisebox{2pt}{$#1$}\big/\raisebox{-3pt}{$#2$}} % a/b, a ×ÙÛÅ, b ÎÉÖÅ
\def\floor#1{\bgroup\lfloor #1\rfloor\egroup}
\def\frc#1#2{\bgroup\raisebox{2pt}{$#1$}\big/\raisebox{-3pt}{$#2$}\egroup}
\def\F{\ensuremath{\mathop{\mathfrak F}}\nolimits} % ëÒÁÓÉ×ÁÑ æ
\def\FT#1{\mathcal{F}\left(#1\right)}
\def\FWHM{\mathrm{FWHM}}
\renewcommand{\ge}{\geqslant}
\def\grad{\mathop{\mathrm{grad}}\nolimits} % çÒÁÄÉÅÎÔ
\def\ind#1{_{\text{\scriptsize #1}}} % îÉÖÎÉÊ ÉÎÄÅËÓ ÒÕÓÓ. ÂÕË×ÁÍÉ
\def\indfrac#1#2{\raisebox{2pt}{$\frac{\mbox{\small $#1$}}{\mbox{\small $#2$}}$}}
\def\I{\ensuremath{\mathfrak{I}}} % éÎÔÅÇÒÁÌ
\def\IFT#1{\mathcal{F}^{-1}\left(#1\right)} % ïÂÒÁÔÎÏÅ æð
\def\IInt{\mathop{{\int\!\!\!\int}}\limits} % ä×ÏÊÎÏÊ ÂÏÌØÛÏÊ ÉÎÔÅÇÒÁÌ
\def\ILT#1{\mathop{\mathfrak{L}}\nolimits^{-1}\left(#1\right)} % ïÂÒÁÔÎÏÅ ÐÒÅÏÂÒ. ìÁÐÌÁÓÁ
\def\Int{\int\limits}
\def\Infint{\int\limits_{-\infty}^\infty}
\def\IZT#1{\mathop{\mathcal{Z}}\nolimits^{-1}\left(#1\right)} % ïÂÒÁÔÎÏÅ Z-ÐÒÅÏÂÒÁÚÏ×ÁÎÉÅ
\renewcommand{\kappa}{\varkappa} % ëÒÁÓÉ×ÁÑ ËÁÐÐÁ
\renewcommand{\le}{\leqslant} % íÅÎØÛÅ ÉÌÉ ÒÁ×ÎÏ
\def\ltextarrow#1{\ensuremath{\stackrel{#1}\leftarrow}} % óÔÒÅÌËÁ ×ÌÅ×Ï Ó ÐÏÄÐÉÓØÀ Ó×ÅÒÈÕ
\def\lvec{\overrightarrow} % äÌÉÎÎÙÊ ×ÅËÔÏÒ
\def\LT#1{\mathop{\mathfrak{L}}\nolimits\left(#1\right)} % ðÒÅÏÂÒÁÚÏ×ÁÎÉÅ ìÁÐÌÁÓÁ
\def\mean#1{\overline{#1}}
\def\med{\mathop{\mathrm{med}}\nolimits}
\def\moda{\mathop{\mathrm{Mo}}\nolimits}
\def\Oint{\oint\limits} % âÏÌØÛÏÊ ÉÎÔÅÇÒÁÌ
\def\partder#1#2{\dfrac{\partial #1}{\partial #2}}
\renewcommand{\phi}{\varphi} % ëÒÁÓÉ×ÁÑ ÆÉ
\def\rev#1{\frac{1}{#1}} % ïÂÒÁÔÎÁÑ ×ÅÌÉÞÉÎÁ
\def\rot{\mathop{\mathrm{rot}}\nolimits} % òÏÔÏÒ
\def\rtextarrow#1{\ensuremath{\stackrel{#1}\rightarrow}} % óÔÒÅÌËÁ ×ÐÒÁ×Ï Ó ÐÏÄÐÉÓØÀ
\def\R{\ensuremath{\mathbb{R}}} % ÒÁÃÉÏÎÁÌØÎÙÅ ÞÉÓÌÁ
\def\so{\ensuremath{\Longrightarrow}\xspace} % ÓÌÅÄÏ×ÁÔÅÌØÎÏ
\def\sinc{\mathop{\mathrm{sinc}}\nolimits} % éÎÔÅÇÒÁÌØÎÙÊ ÓÉÎÕÓ
\def\SNR{\mathop{\mathrm{SNR}}\nolimits}
\def\Sum{\sum\limits}
\def\Tr{\mathop{\mathrm{Tr}}\nolimits} % óÌÅÄ ÍÁÔÒÉÃÙ
\def\veci{{\vec\imath}} % i-ÏÒÔ
\def\vecj{{\vec\jmath}} % j-ÏÒÔ
\def\veck{{\vec{k}}} % k-ÏÒÔ
\def\when#1{\ensuremath{\Bigr|_{#1}}} % ÷ÅÒÔ. ÌÉÎÉÑ Ó ÎÉÖÎÉÍ ÉÎÄÅËÓÏÍ
\def\WT#1{\ensuremath{\mathop{\mathrm{WT}\left(#1\strut\right)}}} % ×ÅÊ×ÌÅÔ-ÐÒÅÏÂÒÁÚÏ×ÁÎÉÅ
\def\ZT#1{\mathop{\mathcal{Z}}\nolimits\left(#1\right)} % Z-ÐÒÅÏÂÒÁÚÏ×ÁÎÉÅ
\long\def\cols#1{\begin{columns}#1\end{columns}}
\def\col#1{\column{#1\textwidth}}

BIN
Astroschool_lect/02-detectors/pic/HERSCHELS.jpg Normal file
View File

Binary file not shown.
Side by Side

After

Width:  |  Height:  |  Size: 15 KiB

BIN
Astroschool_lect/02-detectors/pic/ccdanatomy.jpg Normal file
View File

Binary file not shown.
Side by Side

After

Width:  |  Height:  |  Size: 59 KiB

BIN
Astroschool_lect/02-detectors/pic/digitalimagingfigure2.jpg
View File

Binary file not shown.
Side by Side Swipe Overlay

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 79 KiB

After

Width:  |  Height:  |  Size: 92 KiB