Ilmaisimet. () 17. syyskuuta / 34

Transkriptio

1 Ilmaisimet Ilmaisin eli detektori on laite, jolla kaukoputken kokoama valo rekisteröidään ja muutetaan käsiteltävään muotoon. Aina 1800-luvun puoliväliin saakka ainoana ilmaisimena oli silmä. Sen jälkeen valokuvaus syrjäytti visuaalihavainnot luvulla mukaan tulivat valosähköiset menetelmät, kuten valomonistinputki ja televisiokameran tapaiset laitteet. Vihdoin 1970-luvulta lähtien CCD-kamera on kehittynyt kaikkein tärkeimmäksi ilmaisimeksi. Tässä luvussa käsitellään muita ilmaisimia paitsi CCD-kameraa, jolle on varattu koko seuraava luku. () 17. syyskuuta / 34

2 Silmä Silmä on kaikista detektoreista ensimmäinen. Se on tavallaan pieni teleskooppi. Silmän linssi muodostaa kohteesta ylösalaisin olevan kuvan verkkokalvolle. Silmään saapuvan valon määrää säätelee iiris eli himmennin. Silmän aukko eli pupilli on halkaisijaltaan 2 9 mm. Kirkkaassa valaistuksessa pupilli pienenee ja hämärässä laajenee. Pupillin maksimikoko pienenee iän mukana. Nuorilla se on keskimäärin 7 mm, 40-vuotiailla 6 mm ja 50-vuotiailla 5 mm. Tämän jälkeen pupillin koko ei oleellisesti muutu. Yksilölliset vaihtelut ovat kuitenkin huomattavia, jopa 2 mm suuntaan tai toiseen näistä keskiarvoista. Iiriksellä on toinenkin tarkoitus. Optisena laitteena silmä on melkoisen kehno. Kuvan laatua voidaan kuitenkin parantaa aukkoa pienentämällä. Parhaiten silmä toimiikin valoisassa, kun aukko on pieni. () 17. syyskuuta / 34

3 () 17. syyskuuta / 34

4 valon tulosuunta... hermopaate tuma sauva tappi rodopsiinikerrokset () 17. syyskuuta / 34

5 Verkkokalvolla on kahdenlaisia valoa aistivia soluja: tappeja ja sauvoja. Sauvoissa ja tapeissa on kemiallisia yhdisteitä, jotka reagoivat valoon ja synnyttävät sähköimpulsseja. Ne matkaavat kohti aivoja, jotka tulkitsevat ne. Tappisolut, jotka ovat keskittyneet varsin pienelle alueelle, toimivat kirkkaassa valossa ja ovat väriherkkiä. Niitä on kolmea eri tyyppiä, punaherkkiä, siniherkkiä ja siniviherherkkiä. Tappisoluja on silmän verkkokalvolla noin 6 7 miljoonaa kappaletta ja suuri osa niistä sijaitsee alueella, jota kutsutaan keltaiseksi täpläksi. Tappisolut muodostavat tarkan kuvan, mutta niiden kvanttihyötysuhde on vain noin 1 %. Sauvoja silmässä on noin 100 miljoonaa. Niitä on lähes kaikkialla silmän verkkokalvon alueella, lukuun ottamatta ns. sokeaa täplää. Sauvasolut eivät aisti värejä, mutta ovat tappeja paljon herkempiä; kvanttihyötysuhde on %. Hyvin himmeässä valaistuksessa näkymä on mustavalkoinen. Keltaisen täplän alueella sauvoja on vähemmän, joten himmeä kohde erottuu huonosti, jos katsoo suoraan sitä kohti. Kun katseen kääntää hieman pois kohteesta, se tulee näkyviin paljon selvemmin. () 17. syyskuuta / 34

6 Silmän sopeutuminen eli adaptaatio himmeään valaistukseen tapahtuu vähitellen. Pupillin laajenemisesta johtuva adaptaatio tapahtuu ensin hyvin nopeasti, vaikka jatkuukin vielä muutaman minuutin ajan. Varsinaisen hämäränäön kehittyminen edellyttää paljon hitaampaa kemiallista prosessia, joka vie aikaa keskimäärin puolisen tuntia. Tänä aikana silmässä kehittyy valoherkkää rodopsiinia eli näköpurppuraa. Lyhytaikainenkin kirkas valo tuhoaa rodopsiinin. Siksi visuaalihavaintojen aikana on varottava kirkasta valaistusta. Hämäränäön säilymisen kannalta parasta on himmeä punainen valo. Silmän reaktio on karkeasti ottaen verrannollinen valaistuksen logaritmiin. Tämä on syynä siihen, että Hipparkhoksen visuaalihavaintoihin perustuva tähtien kirkkauksien luokittelu ja sitä noudatteleva nykyinen magnitudiasteikko ovat logaritmisia. Ärsykkeen logaritmisuuden vuoksi silmä pystyy toimimaan hyvin laajalla valaistusalueella, jota sen kaksi erilaista aistinsolutyyppiä vielä laajentavat. Silmän herkkyyttä rajoittaa sen pienen koon lisäksi lyhyt integrointiaika: silmä ei pysty kokoamaan valoa pitkältä aikaväliltä, vaan sen on saatava koko ajan uusia fotoneja valoaistimuksen ylläpitämiseksi. () 17. syyskuuta / 34

7 Silmän erotuskyky riippuu pupillin koon ja optiikan heikon laadun lisäksi aistinsolujen keskinäisistä välimatkoista. Ihmisellä erotuskyky voi parhaimmillaan olla noin 2 kaariminuuttia. Lopuksi mainittakoon vielä silmän heikko kyky havaita polarisoitunutta säteilyä, joka näkyy ns.haidingerin lyhteenä katsottaessa tasaisesti valaistua pintaa, jonka säteily on polarisoitunutta (esim. pilvetön taivas tai tasaisen valkoinen pinta LCD-ruudulla). () 17. syyskuuta / 34

8 Valokuvaus Ennen CCD-kameroiden aikakautta valokuvauslevy oli fotometrin ohella tärkein tähtitieteellisissä havainnoissa käytetty ilmaisin. Levyn pinnalla oleva valoherkkä emulsio sisältää tavallisimmin hopeabromidia AgBr. Hopeabromidi absorboi fotoneja, joiden aiheuttamista kemiallisista muutoksista syntyy näkymätön latentti kuva. Latentista kuvasta saadaan näkyvä negatiivikuva kehittämällä latentin kuvan sisältävät hopeabromidikiteet hopeaksi. Tavallisimpia kehitteenä käytettäviä aineita ovat metoli ja hydrokinoni. Kehitysaika on tyypillisesti muutamia minuutteja. Syntyvän mustuman määrä ja kuvan kontrasti riippuvat kehitysajasta, lämpötilasta, kehitteen väkevyydestä ja kehiteastian heiluttelusta, joka tuo tuoretta kehitettä muodostuvien kiteiden lähelle. () 17. syyskuuta / 34

9 () 17. syyskuuta / 34

10 Kehityksen jälkeen emulsiossa on edelleen valottumattomia kiteitä, jotka tummuvat valon vaikutuksesta. Siksi kuvaa käsitellään niin, että valottumaton hopeabromidi liukenee pois, mutta valottunut metallinen hopea jää jäljelle. Tähän kiinnittämiseen käytetään tavallisesti natriumtiosulfaattia, johon on hapettumisen estämiseksi lisätty jotakin hapanta ainetta. Kun levy on ollut muutamia minuutteja kiinnitteessä, se ei ole enää herkkä valolle. Levyyn jäänyt kiinnite turmelee vähitellen syntyneen kuvan. Siksi levy on kiinnittämisen jälkeen pestävä huolellisesti. Tavallisesti levyä pidetään juoksevassa vedessä ainakin noin puoli tuntia. Jos huuhteluvesi on kovaa, se voi jättää levyyn kalkkitahroja. Siksi levy voidaan aivan lopuksi käsitellä veden pintajännitystä alentavalla huuhteluaineliuoksella. Kun levy tämän jälkeen kuivataan, se on valmis arkistoitavaksi. () 17. syyskuuta / 34

11 () 17. syyskuuta / 34

12 Valokuvausemulsion ominaisuuksista tärkeimpiä ovat sen herkkyys, erotuskyky ja kontrasti. Filmin herkkyyden ilmoittamiseen käytetään nykyisin kahta eri tapaa. ISOja ASA-standardin asteikot ovat samoja. Ne ovat lineaarisia: filmin merkintä 100 ASA (tai 100 ISO ) tarkoittaa, että samanlaisen kuvan saamiseksi tarvitaan samalla aukolla neljä kertaa niin pitkä valotusaika kuin 400 ASAn filmille. Nykyisin käytöstä jo poistuva DIN-asteikko on logaritminen. Kun DIN-arvo kasvaa kolmella, filmin herkkyys kaksinkertaistuu: 100 ISO = 21 DIN, 200 ISO = 24 DIN, 400 ISO = 27 DIN jne. () 17. syyskuuta / 34

13 Erotuskyky ilmoitetaan viivoina millimetriä kohti. Kun kuvataan tasavälistä mustavalkoista raidoitusta, erotuskyky kertoo, miten tiheässä olevat viivat voidaan vielä erottaa toisistaan. Tyypillisesti erotuskyky on paikkeilla. Herkän filmin raekoko on suurempi kuin hitaan filmin. Kuvaa suurennettaessa rakeet tulevat näkyviin ja rajoittavat filmin erotuskykyä. Filmimateriaalit ovat aikojen kuluessa kehittyneet huomattavasti, joten täsmällistä yhteyttä herkkyyden ja raekoon ja siten erotuskyvyn välille ei voi antaa. Kontrasti riippuu mustumakäyrän kulmakertoimesta γ. Jos γ on pieni ja käyrä siis loiva, kyseessä on loiva filmi. Loiva filmi toistaa laajan kirkkausalueen, mutta hyvin pienet kirkkauserot eivät siitä erotu. Jos γ on suuri, filmi on jyrkkää. Jyrkän filmin avulla saadaan näkyviin pieniä kirkkauseroja, mutta vain kapealta alueelta; himmeämmät kohteet eivät tule lainkaan näkyviin ja kirkkaammat saturoituvat. () 17. syyskuuta / 34

14 1 0mustuma ei mustumaa α optimaalinen valotus taustahuntu saturaatio valotus Filmin mustuman riippuvuus valotuksesta eli valon vaikutuksesta muuttuneiden hopearakeiden osuus. (Valotus tarkoittaa oikeastaan filmille tulevaa energiaa, joka riippuu sekä aukosta että valotusajasta.) Käytännöstä filmiltä mitataan sen optinen paksuus. Kullakin materiaalilla on tietty optimaalinen valotus, jolla mustuma riippuu valotuksesta suunnilleen lineaarisesti eli kulmakerroin γ = tan α on vakio. Valokuvauksella on monta etua silmin tehtäviin havaintoihin verrattuna. Joissakin suhteissa valokuva on myös CCD-kuvaa parempi. () 17. syyskuuta / 34

15 () 17. syyskuuta / 34

16 Valokuvaukseen liittyy myös monia ongelmia: + Valokuva on objektiivinen. Havaitsijan ominaisuudet eivät vaikuta kuvasta mitattaviin arvoihin. + Levylle saadaan kerralla suuri joukko tähtiä tai spektrejä, joita voidaan tutkia kaikessa rauhassa tarkoilla mittalaitteilla. + Silmä toimii kuin elokuvakamera; pitkäkään tuijottaminen ei tuo himmeämpiä kohteita näkyviin. Valokuvauslevyä sen sijaan voidaan valottaa pitkiä aikoja, jolloin näkyviin saadaan himmeitäkin kohteita. + Valokuvien erotuskyky on parempi kuin CCD-kuvien. + Kuvakenttä on yleensä paljon suurempi kuin CCD-kuvissa. () 17. syyskuuta / 34

17 Valokuvausmateriaalit eivät ole erityisen valoherkkiä, minkä vuoksi tarvitaan pitkiä valotusaikoja. Kvanttihyötysuhde on luokkaa 1 %. Tätä voidaan hieman parantaa käsittelemällä filmiä erilaisilla kaasuilla. Epälineaarisuus. Levylle syntyvän mustuman määrä ei kasva tasaisesti siihen osuvien fotonien määrän kasvaessa. Jos valoa tulee hyvin vähän, levy ei reagoi siihen lainkaan. Tällaisessa kohdassa nähdään silti vaalea taustahuntu, koska edes valottumaton emulsio ei ole täysin läpinäkyvä. Tietyn kynnysarvon jälkeen mustuma alkaa sitten kasvaa valon määrän lisääntyessä. Kun valon määrä edelleen lisääntyy, mustuman kasvu alkaa hidastua. Kun kaikki hopea on valottunut, mustuma ei voi enää kasvaa; tällöin saavutetaan kyllästys- eli saturaatiotila. Vaikka nykyaikaisten materiaalien käyttäytyminen onkin aika tarkasti tunnettu, siinä voi esiintyä pieniä vaihteluja eri valmistuserien välillä. Lämpötila kuvaushetkellä, kehitteen lämpötila ja kehitysaika vaikuttavat lopputulokseen. () 17. syyskuuta / 34

18 Resiprookki-ilmiö. Levylle osuu sama määrä fotoneita käytetäänpä pientä aukkoa ja pitkää valotusaikaa tai suurta aukkoa ja lyhyttä valotusaikaa. Mustuman määrä ei silti ole sama. Emulsiolla on tietty optimaalinen valotusaika, jolla se on kaikkein herkin. Jos valotusaika on paljon lyhempi tai pitempi, herkkyys pienenee. Kehitysprosessin vuoksi tasaisestikaan valottuneen alueen mustuma ei ole aivan tasainen. - Reunaefekti: tumman alueen reunoille tulee enemmän käyttämätöntä kehitettä ja ne kehittyvät tummemmiksi. - Eberhardin efekti: samasta syystä pieni tumma läiskä kehittyy tummemmaksi kuin samalla tavoilla valottunut suurempi alue. - Kostinskyn efekti: esimerkiksi kaksoistähden komponenttien kuvat eivät ole symmetrisiä, vaan leviävät ulospäin. Nämä viat eivät ole aina samanlaisia, vaan riippuvat siitä, miten voimakkaasti kehitettä sekoitetaan kehityksen aikana esimerkiksi heiluttelemalla kehiteallasta. () 17. syyskuuta / 34

19 Nämä ongelmat vaikeuttavat erityisesti fotometrisia ja spektrometrisia mittauksia. Jotta tähtien tai spektriviivojen mittaaminen olisi mahdollista, levyllä on oltava tähtiä, joiden kirkkaudet tunnetaan, tai levylle on valotettava tarkasti säädeltyjä kalibrointivalotuksia. Kalibroinnin vaikeuksien vuoksi tarkkuus on 0.1 magnitudin luokkaa. Astrometriassa levyjen kalibrointi sen sijaan ei ole kovin oleellista, ja etuna on suuri kuvakenttä ja hyvä erotuskyky. Resiprookki-ilmiön vuoksi filmin herkkyys huononee, kun valotusaika tulee hyvin pitkäksi. Tätä muutosta voidaan pienentää jäähdyttämällä filmiä. Tähtikuvauksessa on käytetty kameroita, joissa filmi pidetään kylmänä esimerkiksi hiilihappojään avulla. Kosteus ja happi heikentävät myös filmin herkkyyttä. Herkkyyttä voidaan parantaa käsittelemällä filmiä sopivasti ennen valotusta. Tavallinen menetelmä on pitää filmiä useita tunteja noin deg asteen lämpöisessä hapettomassa kaasussa, joka voi olla vetyä, typpeä tai näiden seosta. Käsittelyn jälkeen filmi tulisi käyttää ja kehittää mahdollisimman pian (muutaman päivän tai viikon kuluessa). () 17. syyskuuta / 34

20 Puolijohteista Valomonistinputken ja CCD-kameran toiminta perustuu puolijohteiden ominaisuuksiin. Nimensä mukaisesti puolijohteiden sähkönjohtavuus on huonompi kuin johteiden, mutta parempi kuin eristeiden. Jotta materiaali voisi johtaa sähköä, siinä täytyy esiintyä vapaita varauksia, jotka pystyvät liikkumaan materiaalissa. Tarkastellaan ensin yksittäistä atomia ja sen elektroneja. Elektroni voi atomissa olla tietyissä energiatiloissa, joiden arvot määräytyvät kvanttimekaniikan lakien mukaisesti. Atomin elektronit hakeutuvat spontaanisti alimpaan vapaana olevaan energiatilaan, jolloin atomin sanotaan olevan perustilassa. Mikäli elektroni saa ulkopuolista energiaa esim. säteilykvantin muodossa, se voi siirtyä ylempään energiatilaan eli virittyä, mistä se palaa nopeasti takaisin alimpaan vapaaseen energiatilaan emittoiden samalla säteilykvantin. Mikäli ulkopuolelta saatu energialisäys on riittävän suuri, elektroni voi irrota ytimen otteesta kokonaan ja olla siten vapaa liikkumaan. Energiamäärää, jolla elektroni voidaan irrottaa atomista sanotaan irrotustyöksi ja se on esimerkiksi vetyatomille noin 13.6 ev (1 ev = J). () 17. syyskuuta / 34

21 energia energia etäisyys etäisyys Kiinteän aineen atomin energiatasot jakautuvat kahtia, kun lähellä on toinen atomi (vasemmalla). Välimatkan kasvaessa energiatasojen ero pienenee. Kun lähistöllä on useita atomeja, energiatasot jakautuvat useammaksi (oikealla). Tilanne muuttuu hieman kiinteässä aineessa, jossa atomit sijaitsevat lähellä toisiaan. Tällöin atomien energiatasot häiriintyvät naapuriatomien vaikutuksesta ja kapeiden energiatasojen sijaan syntyy energiavöitä. Näiden energiavöiden sijainti toistensa suhteen ratkaisee ko. materiaalin sähkönjohtavuusominaisuudet. Kuvassa on esitetty energiatasokaaviot eristeille, johteille ja puolijohteille. Kiinteässä aineessa on ylimpänä tasona ns. johtavuusvyö, jossa sijaitsevilla elektroneilla on riittävästi energiaa, jotta ne voivat liikkua vapaasti materiaalissa. () 17. syyskuuta / 34

22 E - vapaa e johtavuusvyö E iso E ulk valenssivyö E pieni sidotut tilat 0 eriste johde puolijohde Johtavuusvyön alapuolella on valenssivyö. Se on ylin energiataso, jolla on atomiin sidottuja elektroneja. Valenssivyön alapuolella on lisää energiatasoja, jotka ovat täynnä elektroneja. Eristeessä valenssivyö on täynnä, jolloin elektronit eivät pääse liikkumaan ja aine ei johda sähköä. Johteessa valenssivyö on vajaa tai päällekkäin johtavuusvyön kanssa, jolloin elektronit pääsevät liikkumaan. Puolijohteessa pieni ulkoinen energia E ulk riittää nostamaan elektronin johtavuusvyöhön. Sähkönjohtavuuden kannalta ratkaisevaa on johtavuusvyön ja valenssivyön välinen energiaero E. Eristeissä tämä väli on suuri, joten tarvitaan paljon energiaa (esim. hyvin voimakas sähkökenttä) jotta elektronit saadaan nostetuiksi johtavuusvyöhön. () 17. syyskuuta / 34

23 Johteissa valenssivyö ja johtavuusvyö ovat osittain päällekkäin, joten ylimmän energiatason elektronit ovat vapaita liikkumaan ja materiaali johtaa hyvin sähköä. Puolijohteissa väli on suhteellisen pieni, ja materiaali johtaa sähköä vain hieman. Puhtaiden puolijohteiden (esim. pii tai germanium) sähkönjohtavuus on kuitenkin melko huono, eivätkä ne sovi sellaisenaan elektroniikan tarpeisiin. Sähkönjohtavuuden parantamiseksi puolijohteita doopataan pienillä määrillä epäpuhtauksia. Piiatomilla on valenssivyöllä neljä elektronia, joiden avulla se muodostaa kovalenttisidoksen naapuriatomien kanssa. Mikäli piikiteeseen lisätään epäpuhtautta, jonka valenssivyöllä on kolme elektronia (esim. Al, Ga, In), jää valenssivyölle aukkoja. Suhteellisen pienellä energiamäärällä voidaan naapuriatomin elektroni saada hyppäämään tähän aukkoon, jolloin aukko on itse asiassa siirtynyt askeleen eteenpäin, eli kuljettanut positiivista varausta. () 17. syyskuuta / 34

24 Doping : Ge, Si + Al Ga In Ar Sb P "doping -aineella" vähemmän valenssielektroneja p -tyyppi enemmän valenssielektroneja n -tyyppi Kun puolijohdetta doopataan epäpuhtauksilla saadaan valenssi- ja johtavuusvyön väliin luoduksi uusi energiataso, jota kautta elektronien on helppo liikkua atomista toiseen. Tarvittava energia on pieni, koska dooppaus synnyttää ylimääräisen energiatason valenssi- ja johtavuusvöiden väliin, jota kautta elektronit voivat liikkua atomista toiseen. Puolijohdetta, jossa aukot toimivat varauksenkuljettajina sanotaan p-tyypin puolijohteeksi. Dooppaus voidaan suorittaa myös atomeilla, joiden valenssivyöllä on viisi elektronia (Ar, Sb, P), jolloin kiteeseen jää ylimääräisiä elektroneja, jotka voivat toimia varauksenkuljettajina ja puhutaan n-tyypin puolijohteista. () 17. syyskuuta / 34

25 Puolijohteiden käyttö detektoreissa perustuu valosähköiseen ilmiöön eli sähkömagneettisen säteilyn kykyyn irrottaa elektroni kokonaan kiteestä tai siirtää se valenssivyöltä johtavuusvyöhön. CCD-kameran toiminta perustuu jälkimmäiseen ilmiöön. ionisaatioraja valenssivyö johtavuusvyö W γ E > W Valosähköinen ilmiö. Tuleva fotoni irrottaa elektronin valenssivyöltä. () 17. syyskuuta / 34

26 Valomonistinputki Valomonistinputki on laite, joka muuttaa siihen osuvan valon sähkövirraksi ja vahvistaa virran niin, että se on helppo mitata. Valomonistin perustuu valosähköiseen ilmiöön. Putken fotokatodille osuva fotoni irrottaa siitä elektronin, jota kiihdytetään suurjännitteellä, kunnes se osuu anodille. Jotta aine olisi hyvä valosähköisten elektronien tuottamiseen, sillä on oltava seuraavat ominaisuudet: Absorboi hyvin säteilyä. Irronneiden elektronien vapaa matka aineessa l f (l) on pitempi kuin fotonien vapaa matka ko. aineessa l f (γ) () 17. syyskuuta / 34

27 Johteet ovat tässä suhteessa huonoja (hyvin heijastavia ja l f (l) 1 nm, l f (γ) 10 nm). On siis käytettävä eristeitä tai puolijohteita tai niiden sekoituksia. Eri materiaaliyhdistelmillä irrotustyö on erilainen ja siten niillä on myös erilainen spektriherkkyys. () 17. syyskuuta / 34

28 γ ikkuna dynodi anodi ilmatiivis putki e katodi pulssi laskuri + ~1000V Valomonistinputki. Katodilta irtoava elektroni kiihdytetään sähkökentän avulla kohti dynodia, johon osuva elektroni irrottaa siitä useita uusia elektroneja. Valomonistimessa on peräkkäin dynodia, jolloin alkuperäinen virta voidaan vahvistaa kertaiseksi, niin että se on helpommin mitattavissa. Peräkkäisten dynodien välillä on noin 100 voltin potentiaaliero, jolla elektroneja kiihdytetään. Kaiken kaikkiaan valomonistimen kiihdytysjännite on siten 1 2 kilovoltin luokkaa. Valomonistimen kvanttihyötysuhde on luokkaa %. () 17. syyskuuta / 34

29 () 17. syyskuuta / 34

30 Mittaus voidaan suorittaa kahdella eri tavalla: 1) Tasavirtamoodissa (DC) mitataan jatkuvasti anodilta tulevaa virtaa. 2) Pulssimoodissa lasketaan anodiin osuvien elektronien aiheuttamia yksittäisiä pulsseja. Huomattava etu on valomonistimen lineaarisuus. Pulssien lukumäärä on suoraan verrannollinen katodille tulevaan säteilyvuohon. Elektronien määrä on myös suoraan verrannollinen fotonin energiaan. Lineaarisuuden ansiosta havaintojen käsittely on huomattavasti yksinkertaisempaa kuin valokuvausta käytettäessä. Diskriminaattori : U U max U min 0 t vain välillä U -> U olevat pulssit hyväksytään min max () 17. syyskuuta / 34

31 Valomonistimen ongelmia ja kohinalähteitä ovat: Fotokatodin herkkyys on erilainen eri kohdissa. Tämä aiheutuu mm. pintavirheistä ja epäpuhtauksista. Jotta tulokset olisivat vertailukelpoisia, valon on osuttava aina samaan kohtaan fotokatodilla. Käytännössä tähden kuva levitetään laajemmalle alueelle Fabry-linssillä. Herkkyys muuttuu myös pitkän ajan kuluessa (kemialliset muutokset katodissa ja dynodeissa, tyhjiön huononeminen, liian kirkas valo...). Siksi laite on kalibroitava usein. Ylimääräiset pulssit kohina). Vaikka fotokatodille ei osu valoa, havaitaan pulsseja (pimeää virtaa). Sen syitä ovat mm. - Termiset elektronit katodilta ja ensimmäisiltä dynodeilta. - Kosmiset säteet ja radioaktiivisuuden tuottamat hiukkaset osuvat katodiin ja ensimmäisiin dynodeihin. - Cerenkovin säteily katodin ikkunassa. () 17. syyskuuta / 34

32 - Pulssimoodissa pimeää virtaa voidaan pienentää jäähdytyksellä ja diskriminaattorilla DC-moodissa vain jäähdytyksellä. Siten kohina on pulssimoodissa pienempi kuin DC-moodissa. Pulssimoodin käyttöä rajoittaa kuollut aika. Anodilla havaittavalla pulssilla on tietty kestoaika (elektronit kulkevat eri matkan dynodilta dynodille. Jos pulsseja tulee paljon, ne alkavat mennä toistensa päälle ja esimerkiksi kaksi pulssia havaitaan yhtenä. Jos siis valoa tulee liikaa, valomonistinputki alkaa käyttäytyä epälineaarisesti. Magneetti- ja sähkökentät saattavat aiheuttaa häiriöitä. Häiriön lähde voi olla esimerkiksi voimakas moottori (kupu jne.) tai maan magneettikenttä. Magneetti- ja sähkökentät muuttavat elektronien ratoja, mikä muuttaa pulssin korkeutta. Laite on suojattava kentiltä; tämä ei tosin ole yleensä tärkeää, mutta se on helppo tehdä. () 17. syyskuuta / 34

33 Kuvanvahvistimet Myös kuvanvahvistimen toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön. Kohteen valo fokusoidaan ohuelle lasilevylle, jonka pintaan on höyrystetty ohut kerros puolijohdemateriaalia (esim. Ga-As -seos). Kerros toimii valomonistinputken tapaan katodina, johon osunut valokvantti irrottaa siitä elektronin. Elektroni kiihdytetään sähkökentän avulla, minkä jälkeen se osuu esimerkiksi fosforilla päällystettyyn levyyn ja havaitaan jälleen valona. Kiihdytyksen vuoksi havaittu valo on voimakkaampaa kuin alkuperäinen valo. Katodilta irtoavat elektronit on fokusoitava fosforilevylle, jotta alkuperäinen kuva ei vääristyisi tai sumenisi. Tämä saavutetaan yleensä joko sijoittamalla fosforilevy lähelle katodia tai käyttämällä magneettista fokusointia. Kiihdytyksen lisäksi elektroneja voidaan myös monistaa esimerkiksi käyttämällä mikrokanavalevyjä, jolloin saavutetaan huomattavasti parempi vahvistus. () 17. syyskuuta / 34

34 katodi fosforilevy γ objektiivi e E tyhjiöputki γ okulaari () 17. syyskuuta / 34