第二章 天文辐射探测器.PDFVIP

第二章天文辐射探测器 天文观测是通过天文观测仪器系统来接收天体的信息- -电磁辐射的。 一个完整的天文光学观测仪器系统包括： • 望远镜：收集天体的辐射 • 辐射分析仪：摄谱仪，滤光片等； • 辐射探测器：常用的辐射探测器除了眼睛以外有照相底 片、光电倍增管、电荷耦合器件(CCD)等。 • 计算机：控制，实时处理和分析观测资料； 天文光学观测仪器系统 §2.1 辐射探测器的性能 天文辐射探测器接收光子的方式，以及把光子携带的物 理信息转换成可测量信号的转换机制，完全决定于入射到 探测器电磁辐射的性质。电磁辐射最基本的性质是波动粒 子的二象性。 电磁辐射的甚短波段，即高能光子，如X和γ射线表现出 明显的粒子性，当它们的能量超过几个MeV (λ0.001nm) 时，可以用光子计数的方法探测一个一个的光子。 而在长波，电磁辐射表现出明显的波动性，如射电波段 （从毫米波到米波），此时探测系统（接收机）可以直接 探测入射电磁波或者说电磁场。这两种极端情况的电磁辐 射有截然不同的探测原理。 在这两种极端情况之间的波段，如红外、亚毫米波段， 电磁辐射既不能说粒子性占主导地位又不能说波动性占主 导地位，一般利用电磁辐射的热辐射效应进行探测。按照 波段的不同，探测器的工作原理(技术)可分为三大类： 光子探测 ——短波（高能），光学，红外 热探测 ——短波（高能），光学，红外，亚毫米 电磁场探测 ——射电 本章只对光子探测的物理原理作简单介绍。 本章只对 物理原理作简单介绍。 光子探测器主要是利用光电效应、光化学效应、气体的光 致电离等原理制成。 2.1.1 光子统计和噪音 天体的辐射，无论是把它看作为光子流或电磁场，都是随机过程。 (1) 光子统计 从天体来的在各相继的等时间间隔到达辐射探测器的光子数并不 是一个常数，而是一个围绕某个平均值上下随机起伏的值。它符 合泊松统计，若单位时间内事件发生的平均率为k，则在任意时间 间隔内发生r次事件的几率为 k −r e k p (r ) r ! 按统计分析，在T时间单位内发生r次事件的平均计数率为： r k −r e rk 1 r ∑ 随着时间T增加，此式的值趋向于k ∑rTP r 0 ⇒k T r 0 r! 1 r 2 − σr ⋅ (k T )P ∑ 而事件发生率的均方差为： T r 0 随着时间T增加，此式的值也趋向于k，所以它的均方根偏差 趋向于 （理论值）。 k （2 ）噪声 信号中任何误差源都称为噪声。噪声分为背景噪 声、探测器噪声和读出噪声。 (a) 背景噪声 所观测天体以外的所有其它光源射到探测器的光子引起 的噪声，主要的来源是背景天光。 除了感兴趣的被观测天体以外，宇宙中还有许许多 多辐射源，发射各种各样能量的光子，构成天空背景 辐射。在光学波段，主要是天光，天光噪声是探测器 探测暗弱恒星的主要限制； (b) 探测器噪声 即使在没有光源信号的情况下，探测器仍然可能给出一 些信号，称探测器噪声 如：照相底片主要指底片灰雾(veiling)； 光电倍增管和CCD表现为输出电流