Radioteleskooppi. Alt atsimutaalinen pystytys. Apupeilin kiinnitys. Peilin tukirakenne. Apupeilin kannattajat. Elevaatio enkooderi.

Transkriptio

1 Radioteleskooppi Apupeilin kiinnitys Peilin tukirakenne Apupeilin kannattajat Elevaatio enkooderi Jalusta Kiskot Perusta Atsimuuttienkooderi Alt atsimutaalinen pystytys

2 Antennin pystytys + Keila ei kierry + Halvempi + Seuraa helpommin + Vääntyilee vähemmän Kalliimpi Keila kiertyy Vääntyy painovoiman vaikutuksesta Akselit eivät leikkaa

3 Peilityypit Prime focus (Effelsberg) Offset Cassegrain (VLA) Beam Waveguide (NRO) Cassegrain focus (SEST) Naysmith (APEX) Dual Offset (ATA)

4 Peilityypit Prime focus Cassegrain focus Offset Cassegrain Beam Waveguide Nasmyth Dual Offset

5 Radiovastaanottimet Radioteleskooppi kokoaa saapuvan säteilyn ja kohdistaa sen yhteen tai useampaan vastaanottimeen Vastaanotin muuntaa säteilykentän jännitesignaaliksi Vastaanottimet sijaitsevat joko primääri, cassegrain tai Nasmyth fokuksessa NRAO

6 Vastaanotintyypit Koherentit vastaanottimet: saapuvan säteilyn intensiteetti (amplitudi) ja vaihe säilyvät, esim. radioastronomiassa tavallisimmin käytetty sekoittava (heterodyne) vastaanotin Ei koherentit vastaanottimet: vain säteilyn intensiteetti havaitaan, esim. bolometri heterodyne vastaanotin (lohkokaavio) bolometrin periaate

7 Syöttötorvi Heterodyne vastaanottimissa ja vanhanaikaisissa bolometreissa on kvasioptinen komponetti, syöttötorvi, joka sovittaa vapaassa tilassa etenevän sähkömagneettisen kentän aaltoputkeen. Syöttötorvi näkee eli valaisee teleskoopin pääpeilin joko suoraan (primäärifokus) tai apu peilin kautta. Keilan muoto riippuu tästä valaisusta.

8 Heterodyne vastaanotin linssi ikkuna sekoittaja 1. IF vahvistin 2. IF vahvistin IF signaali kryostaatti paikallisoskillaattori vaihelukituspiiri

9 Heterodyne vastaanotin Kuten tavallisessa radiossa, signaali sekoitetaan alas ns. välitaajuudelle (IF frequency), jolloin sitä on helpompi vahvistaa ja käsitellä. Sekoitus ja detektio tapahtuu epälineaarisessa liitoksessa (Schottky tai SiS). Havaittava signaali valitaan paikallisoskillaattorilla (LO), välitaajuuskaista (ja kaikki elektroniikka sekoittajan jälkeen) pysyy vakiona. Terminen kohinan minimoimiseksi mm ja alimm vastaanottimet jäähdytetään: nestemäinen N2 (80K), 4He (4K), 3He (0.3K)

10 Vastaanottimista Sekoitin eli mikseri on epälineaarinen liitos jonka sisään tulo (input) on havaitun ja paikallisoskillaattorin signaaleiden summa ja ulostulo (output) näiden summa ja erotus. Tyypillinen Schotky liitoksen virta jännite käyrä

11 Sekoittaja Sisään tulee antennin ja paikallisoskillaattorin signaalien summa vs(t)=asin(2πfs t + φ) vlo(t)=bsin(2πflo t + φ) Sekoittajan ulostulo vif(t)= [vs(t)+vlo(t)]2 Tuloksena on eritaajuisia signaaleja: fs flo, fs+flo, 2fLO, 2fS Erotus ja summasignaalit ovat vahvimmat, edellinen voidaan valita kaistanpäästösuodattimella Toisaalta erotussignaali voidaan muodostaa kahdella tavalla: fs flo tai flo fs IF signaaliin pääsee kaksi sivukaistaa (USB,LSB)

12 Sekoittaja Frequency Frequency

13 DSB/SSB DSB: Molemmat sivukaistat (signaali ja ns. peilikaista) havaitaan: kaksikaistavastaanotin (double sideband receiver) SSB: Peilikaista suodatetaan pois: yksikaistavastaanotin (single sideband receiver) Havaintojen kannalta on periaatteessa yhdentekevää, onko signaalikaista LO taajuuden ylä vai alapuolella. Joskus DSB ominaisuus on toivottavaa. Kontinuumihavainnoissa signaali on molemmissa sivukaistoissa. Kummassakin sivukaistassa saattaa myös olla tutkittava spektriviiva.

14 SIS vastaanotin SiS sekoitin (Superconductor Insulation Superconductor) koostuu kahdesta suprajohtavasta metalli pinnasta joiden välissä on eriste (esim, niobium alumiinioksidi niobium). Eristekerros on niin ohut että varatut hiukkaset voivat tunneloitua sen läpi. Sekoittimen pintojen ala on vain muutama neliömikrometri. Jotta suprajohtava metalli olisi suprajohtavassa tilassa sen lämpötila saa olla korkeintaan 4K. Näin matalia lämpötiloja saadaan aikaan käyttämällä esim. nestemäistä heliumia jonka kiehumispiste on 4K yhden ilmakehän paineessa.

15 SIS vastaanotin SiS sekoittimen toiminta (yksinkertaistettu versio): Kun suprajohtimien välillä ei ole jännitettä, elektronit eivät voi tunneloitua eristeen läpi. Kun johtimien välillä on (bias) jännite tunneloituminen on mahdollista, jos elektronit saavat. lisäenergiaa absorboidessaan säteilyä.

16 Vastaanottimista Hyvä vastaanottin on stabiili ja sen tuottama kohina on alhainen. Vastaanottimen kohinan eli kohinalämpötilan teoreettinen alaraja on havaintotaajuudella vastaanotetun yhden fotonin energia. Käytännössa tätä alarajaa ei saavuteta johtuen sekoittajasta riippumattomasta lämpö ja sähköisesta kohinasta. mm vastaanottimien lämpötilat ovat laskeneet merkittävästi kuluneiden n. 35 v aikana. 70 luvun alussa jäähdyttämättömien vastaanottimien lämpötilat olivat luokkaa 2000K 4000K. Tällä hetkellä SiS SSB lämpötilat ovat alle 100K. Tämän seurauksena ilmakehä on havaintoja dominoiva kohinalähde, ei vastaanotin.

17 Bolometrit Radioaallonpituusaluetta pidetään yleensä termisesti dominoituna alueena (terminen energia kt on suurempi kuin fotonin energia). Radioaaltoja havaitaan kahdella eri tekniikalla: Suoralla (ei koherentilla) ja radio (koherentilla, heterodyyni) tekniikalla.

18 Bolometrit Saapuva fotoni nostaa absorboivan materiaalin lämpötilaa, ja sähkövastusta. Jos elementin läpi johdetaan vakiovirta (vakiojännite, bias voltage), lämpötilan muutos havaitaan jännitteen (virran) muutoksena (U=RI,...). Sopivalla jännitteellä muutos on suoraan verrannollinen saapuvaan säteilytehoon.

19 Bolometrit Hyvän tähtitieteessä käytettävän bolometrin ominaisuudet: Sen lämpötilan nousu osuvaa tehoa kohti on mahdollisimman suuri Mahdollisimman suuri terminen johtavuus jotta tausta kohde mittaus voidaan tehdä nopeammin kuin sään tai elektroniikan vaihtelusta johtuva muutos Vastaanottimen kohinan on lähellä teoreettista vähimmäisarvoa

20 Bolometrit Klassinen bolometri on yksin kertaisempi rakenteeltaan kuin heterodyynivastaanotin. Lämpökohinan minimoimiseksi bolometrit jäähdytetään 0.3K käyttäen 3He kaasua. Bolometriin kuuluu syöttötorvi, absorboiva elementti ja lukuelektroniikka.

21 Bolometrit Esimerkki 'klassisesta bolometrista': Simba (SEST Imaging Bolometer Array)

22 Bolometrit LABOCA (Large Bolometer Array Camera, APEX): ~300 elementtiä, =0.87mm

23 Bolometrikennostot Bolometrikennostot (filled bolometer array) koostuvat mikroskooppisista, kalvomaisista superjohtavista detektoripiireistä ja kylmistä (0.3 K) lukupiireistä, jotka on kytketty elektroniikkaan. Detektorielementit (esim. TES, Transition Edge Sensor) eivät tarvitse syöttötorvea, ja niitä voi panna n x m kappaletta kalvoa kohti. Kalvon vastus riippuu sopivalla bias jännitteellä jyrkästi lämpötilasta. infrapuna alueen mikrobolometrielementti

24 PACS/Herschel μm 2 kennostoa: & N. Billot