16249-1 (Приемники излучения и изображения)

Приемники излучения и изображения

Какую бы сложную систему из телескопа, светофильтров, интерферометров и спектрографов ни соорудили астрономы, на её выходе неизбежно находится приёмник излучения или изображения. Приёмник изображения регистрирует изображение источника. Приёмник излучения регистрирует только интенсивность излучения, ничего не сообщая о том, каковы форма и размер объекта, который его освещает.

Первым приёмником изображения в астрономии был невооружённый человеческий глаз. Вторым стала фотопластинка. Для нужд астрономов были разработаны фотопластинки, чувствительные в самых разных областях спектра, вплоть до инфракрасной и, что самое главное, хорошо работающие при наблюдении слабых объектов. Астрономическая фотопластинка - исключительно ёмкий, дешёвый и долговечный носитель информации; многие снимки хранятся в стеклянных библиотеках обсерваторий более ста лет. Самая большая фотопластинка применяется на одном из телескопов третьего поколения: её размер 53 х 53 см!

В начале 30-х гг. ленинградский физик Леонид Кубецкий изобрёл устройство, названное впоследствии фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Свет от слабого источника падает на нанесённый внутри вакуумной колбы светочувствительный слой и выбивает из него электроны, которые ускоряются электрическим полем и попадают на пластинки, умножающие их число. Один электрон выбивает три-пять электронов, которые в свою очередь размножаются на следующей пластинке и т. д. Пластинок таких около десяти, так что усиление получается огромное. Фотоумножители производятся промышленным способом и широко применяются в ядерной физике, химии, биологии и астрономии. Работа по исследованию источников звёздной энергии была выполнена в значительной степени с помощью ФЭУ - этого простого, точного и стабильного прибора.

Почти одновременно с фотоумножителем в разных странах изобретатели независимо друг от друга создали электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Он применяется в приборах ночного видения, а специально разработанные высококачественные приборы этого типа эффективно используются в астрономии. ЭОП также состоит из вакуумной колбы, на одном конце которой имеется светочувствительный слой (фотокатод), а на другом - светящийся экран, подобный телевизионному. Выбитый светом электрон ускоряется и фокусируется на светящемся под его действием экране. В современные ЭОП вставляют усиливающую электронное изображение пластинку, составленную из множества микроскопических фотоумножителей.

Значительное распространение в астрономии в последние годы получили так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС), уже завоевавшие себе место в передающих телекамерах и переносных видеокамерах. Кванты света здесь освобождают заряды, которые, не покидая специально обработанной пластинки из кристаллического кремния, скапливаются под действием приложенных напряжений в определённых её местах - элементах изображения. Манипулируя этими напряжениями, можно двигать накопленные заряды таким образом, чтобы направить их последовательно по одному в обрабатывающий комплекс. Изображения воспроизводятся и обрабатываются при помощи ЭВМ.

Системы ПЗС очень чувствительны и позволяют измерять свет с высокой точностью. Самые большие приборы такого рода не превосходят по размеру почтовую марку, но тем не менее эффективно используются в современной астрономии. Их чувствительность близка к абсолютному пределу, поставленному природой; хорошие ПЗС могут регистрировать "поштучно" большую часть падающих на них квантов света.

Аберрация

Аберрация бывает звездная и оптическая.

1. Звездная аберрация, это наблюдаемое смещение положения звезды относительно истинного. Аберрация появляется в результате конечности скорости света, идущего от звезды и движения наблюдателя на Земле относительно звезд.

Аберрация, возникающая при движения Земли вокруг Солнца, называется годичной аберрацией.

Аберрация, возникающая из-за дневного вращения Земли, называется суточной аберрацией.

Эти аберрации очень малы и обнаруживаются при помощи точных измерений.

2. Оптическая аберрация, это несовершенство линзы или зеркала телескопа и др. оптических приборов, приводящее к искажению получаемого изображения. Оптическая аберрация, в отличие от звездной легко обнаруживается глазом и, более того, снижает качество наблюдений небесных тел, в особенности планет и звезд.

Основные типы аберрации:

- хроматическая аберрация, недостаток оптических свойств линзы, проявляющийся в появлении цветных "ободков" вокруг изображения. Этот дефект возникает в результате того, что световые лучи различной длины волны фокусируются на разных расстояниях из линзы.

- сферическая аберрация, проявляется (в зеркальных системах) в искажении формы наблюдаемого объекта. Это дефект изображения, создаваемого линзой или зеркалом, который вызывается тем, что лежащие на разных расстояниях от оптической оси участки линзы или зеркала при отражении или преломлении света имеют различное фокусное расстояние. Этот дефект присущ только сферическим поверхностям и отсутствует у параболоидов, хотя другой вид искажений ( кома ) характерен как для тех, так и для других.

- кома, недостаток изображения в оптической системе, который проявляется в том, что изображение точки выглядит веерообразным. Кома заметна в тех частях изображения, которые отстоят от оптической оси, и усиливается с увеличением расстояния от нее.

- астигматизм, возникает в том случае, когда объект расположен далеко от оптической оси и, изображение, например, точки может превратиться в линию или эллипс.

- искривление поля, проявляющийся в том, что плоскость, в которой лежит изображение, кажется искривленной, а не ровной.

- дисторсия, это дефект изображения, получающийся из-за непостоянства усиления по полю линзы. В зависимости от того, уменьшается или возрастает увеличение к краям линзы, может появиться бочкообразная дисторсия или подушкообразная дисторсия.

Принцип действия радиотелескопа

Принцип действия радиотелескопа основан на приеме и обработке радиоволн и волн других диапазонов электромагнитного спектра от различных источников излучения. Такими источниками являются: Солнце, планеты, звезды, галактики, квазары и другие тела Вселенной, а так же газ. Схема радиотелескопа приведена ниже. Как видно из схемы, принцип работы радиотелескопа немногим отличается от принципа работы обычного радиоприемника, по которому уважаемые пользователи слушают, например, "Русское радио". Антенна - обработка сигнала - выходное устройство для снятия информации (в обычном радио это "динамик").

Действительно, скорость радиоволн равна скорости света, но это не значит, что мы не можем регистрировать излучение далеких объектов. Мы их видим, регистрируем, но такими, какими они были много лет назад. Если, например, расстояние до квазара равно 5 млрд. световых лет, то мы и видим его таким, каким он был 5 млрд. лет назад.

Параллактическая головка и ее строение

Правильнее будет говорить параллактическая установка. Термин "головка" применяется, но реже.

Телескоп устанавливают на прочном штативе. Любой из штативов имеет две взаимно перпендикулярные оси. Вращение вокруг этих осей позволяет направить телескоп на любое светило.

Простейшая установка - азимутальная; одна из осей в этой установке вертикальная, а другая горизонтальная. Вращением вокруг горизонтальной оси мы изменяем наклон телескопа к плоскости горизонта, а вращением вокруг вертикальной оси - азимут.

Гораздо удобнее параллактическая, или экваториальная установка. Одна из ее осей устанавливается параллельно оси мира и называется полярной осью. Вращая телескоп вокруг полярной оси, мы заставляем его следовать за суточной параллелью светил. При наличии часового механизма телескоп автоматически следить за звездой, вращаясь вокруг полярной оси. Перпендикулярная к ней ось называется осью склонений. Вращая трубу вокруг нее, мы перемещаем телескоп в плоскости круга склонений.

Существуют два основных типа параллактических установок - немецкий и английский. Немецкая установка требует одной колонны, а английская - двух.

Многие наблюдения любитель астрономии может производить и без часового механизма, но экваториальная установка, хотя бы примитивная, более чем желательна. Простейшие установки могут быть изготовлены даже из водопроводных труб.

Надо иметь прочную колонну, для чего может быть использован вкопанный в землю деревянный столб.

Верхняя часть колонны срезается под углом, равным географической широте места наблюдения. Столб ориентируется перед его укреплением таким образом, чтобы плоскость среза была параллельна оси мира. Па ней укрепляются два подшипника, в которые входит полярная ось. Вместо подшипников может быть установлен корпус автомобильного мотора. Сквозь отверстие в подшипниках (или в корпусе мотора) вставляют полярную ось, предварительно укрепив на ней толстую полосу в перпендикулярном направлении. Это будет опорой для двух подшипников, сквозь которые пройдет ось склонений. Вставив затем ось склонений, к которой прикреплен телескоп, в эти подшипники, закрепляют ось контршайбой со стопорным винтом таким образом, чтобы она не могла выпадать из подшипников. На одном конце оси склонений находится телескоп, а на втором противовес, перемещающийся вдоль оси склонений чтобы можно было уравновесить телескоп.

Устройство простейшего телескопа

Различают два основных вида телескопов: рефракторы, объективы которых состоят из линз, и рефлекторы, имеющие зеркальные объективы. Кроме того, существуют различные типы сложных зеркально-линзовых систем, объединяющие преимущества тех и других телескопов.

В телескопе любого типа объектив в своей фокальной плоскости создает действительное изображение наблюдаемого объекта или участка неба, которое можно увидеть на экране, зафиксировать на фотопластинке или на другом светоприемнике.

В простейшем случае это изображение можно рассматривать глазом, поместив его на расстоянии нормального зрения (25 см) позади фокальной плоскости, при этом увеличение телескопа:

n = F / 25, где F - фокусное расстояние объектива в сантиметрах, а 25 см - расстояние нормального зрения (у близоруких оно меньше).

Дополнительная лупа (окуляр) позволяет приблизить глаз к фокальной плоскости и рассматривать изображение с меньшего расстояния, т. е. под большим углом зрения, и тогда увеличение телескопа будет равно:

n = F / f, где f - фокусное расстояние лупы-окуляра.

Таким образом, телескоп можно изготовить, расположив на одной оси одна за другой две линзы - объектив и окуляр - на суммарном расстоянии L = F + f. Для наблюдений близких земных предметов это расстояние должно быть увеличено, что легко находится опытным путем. Меняя окуляры, можно получить различные увеличения при одном и том же объективе.

Увеличение имеющегося инструмента при неизвестных F и f, или для любой сложной системы оптики, легко определить, измерив диаметр выходного зрачка d. Для этого необходимо направить инструмент на ярко освещенную поверхность (небо) и около окулярного конца поместить лист белой бумаги (кальки). Перемещая лист ближе - дальше от окуляра, получить наиболее резко очерченное световое пятно и с помощью миллиметровой линейки измерить его диаметр. Тогда увеличение вычисляется по формуле:

n = D / d, где D - диаметр объектива. На практике считается, что допустимое рабочее увеличение не должно превосходить 2D (мм).

Простейший телескоп может быть изготовлен из обычных очковых стекол, в необработанном виде диаметр которых обычно равен 6 см. Для объектива следует взять положительную линзу оптической силой Д=+0.75 - +1 диоптрий (фокусное расстояние такой линзы F=1м/Д, то есть для Д=+1д имеем F=100 см). В качестве окуляра лучше взять 5-ти или 10-ти кратную лупу, фокусное расстояния которой f равно расстоянию нормального зрения 25 см, деленного на кратность (то есть, 25/5 = 5 см и 25/10 = 2.5 см).

Закрепив объектив и окуляр на концах картонной или иной трубки на расстоянии L = F + f, получим телескоп вполне удовлетворительного качества. Для удобства наводки на резкость при рассматривании близких земных предметов трубу следует сделать составной и предусмотреть возможность раздвижения на 5 -10 см. Достаточно плотную трубку можно получить, свернув ее из нескольких слоев плотной бумаги, пропитанных жидким клейстером. Внутреннюю поверхность бумаги следует зачернить тушью, а наружную поверхность покрыть 2-3 слоями нитролака.

Xороший телескоп может быть изготовлен, если вместо объектива применить длиннофокусный фотографический объектив типа ТАИР-3 (D=6см, F=30см), МТО 500 (D=6см, F=50см), МТО-1000 (D=8см, F=100см).

В качестве окуляра лучше использовать либо короткофокусный фотографический объектив с F< 5см, например, от "Смены", либо объектив детского диапроектора (фильмоскопа). Неплохой окуляр можно изготовить самостоятельно при наличии двух короткофокусных линз небольшого диаметра (1-2 см), например, часовых 5-ти 10-ти кратных луп.

Положительный окуляр Рамсдена изготавливается из положительных плоско-выпуклых одинаковых линз f1 = f2, установленных в оправе выпуклостями друг к другу на расстоянии d при соотношении f1 : d : f2 = 3:2:3

Отрицательный окуляр Гюйгенса состоит из плоско-выпуклых линз, установленных выпуклостями к объективу при соотношении

f1 : f2 = 3:1 на расстояниях f1 : d : f2 = 3:2:1, а при

f1 : f2 = 2:1 на расстояниях f1 : d : f2 = 4:3:2