Все о космосе

Космос. Астрономия. Вселенная. Наука

Leaf
Главная
Новости
FAQ по Астрономии
Астрословарь
Древняя астрономия
Современные теории
Метагалактика
Солнечная система
Статьи о космосе
Космонавтика
Галерея астрофото
Популярно о космосе
Карта сайта
Поиск
Обратная связь
Партнеры

Астрономия
Leaf Главная arrow Новости arrow Статьи о космосе arrow Электронный телескоп



Электронный телескоп PDF Напечатать Е-мейл

За последние годы в науке и технике широкое развитие получили электронные методы усиления яркости изображений. Применение некоторых из них в астрономии позволяет значительно сократить время выдержки при фотографировании и увеличить проницающую силу современных оптических телескопов, а в ряде случаев вести наблюдения в таких областях спектра (инфракрасная область), в которых даже специальные фотографические пластинки   мало   пригодны.

Интервалы освещенностей изображений, с которыми приходится сталкиваться астроному при фотографировании небесных объектов, очень велики. Это обстоятельство определяет необходимое время выдержки фотопластинки для получения негативов хорошего качества. В зависимости от яркости объекта время выдержки может меняться от сотых, а иногда и меньших долей секунды (для Солнца) до десятков часов (для слабых туманностей и пр.). Уменьшение времени выдержки, в частности при фотографировании планет, позволяет повысить качество изображения. Как известно, длительное фотографирование дает нечеткие изображения на негативах из-за помех от атмосферной турбуленции.

Время выдержки можно сократить или увеличением диаметра входного отверстия телескопа, что иногда бывает трудно сделать, или использованием фотоэлектрических светоприемников более чувствительных, чем фотопластинка. Их относительная чувствительность в большинстве случаев неизменна, в то время как у фотопластинки при длительных экспозициях она падает. Выигрыш в чувствительности по сравнению с фотопластинкой при средней освещенности регистрируемого изображения может быть около 300 раз.

В настоящее время в технике широко применяются три способа усиления яркости изображения: электролюминесцентный, электронно-оптический, телевизионный. Некоторые из них используются и в астрономии.

На основе первого способа разработаны электролюминесцентные усилители яркости (ЭЛУ). Они состоят из многослойной системы чередующихся между собою фотосопротивлений и люминофоров, питаемых электрическим током. Эти усилители, несмотря на чрезвычайную простоту обращения с ними и почти полное отсутствие в них элементов настройки, пока не используются в астрономии, так как обладают малой разрешающей способностью и относительно малой световой чувствительностью. Однако параметры ЭЛУ быстро улучшаются и, вероятно, скоро станут удовлетворять  требованиям  астрономических  наблюдений.

Второй способ усиления яркости состоит в преобразовании оптического изображения с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) сначала в электронное, а затем снова в видимое.

Может быть использован также и принцип электронной фотографии (Э Ф). В ЭФ оптическое изображение проецируется на полупрозрачный фотокатод. Последний под действием света излучает электроны. В светлых местах изображения их излучается больше, в темных — меньше. Таким образом фотокатод образует электронный поток. При помощи добавочного электрического поля напряжением 20 кв поток электронов ускоряется и фокусируется на фотопластинке, образуя электронное изображение. При ударе электронов в фотоэмульсию создается эффект, подобный действию света. Такой прибор может обладать весьма высокой разрешающей силой. Четкость получаемого на фотопластинке изображения ограничивается лишь ее зернистостью.

В зависимости от материала фотокатода преобразователь может иметь различную чувствительность в разных лучах света, т. е. обладать различной спектральной чувствительностью. Так, например, широко распространенный сурьмяно-цезиевый фотокатод имеет максимум чувствительности в синих лучах. Кислородно-цезиевый фотокатод имеет два максимума чувствительности — первый в синих лучах, второй — в инфракрасных. Это дает возможность применять преобразователь для фотографирования изображения в невидимых глазу лучах света. Кислородно-висмутово-цезиевый фотокатод имеет максимальную чувствительность в зеленых лучах, подобно спектральной чувствительности человеческого глаза. Наиболее эффективным, как видно из графика, является многощелочной фотокатод.

Чтобы сравнить чувствительность фотопластинки и фотокатода как приемников света, необходимо определить общие для них качественные показатели. Обычно для сравнения берут коэффициенты полезного действия, вводя понятие о квантовом выходе светоприемника. Для фотокатода это — число фотоэлектронов, излучаемых под действием одного кванта света, попадающего на его поверхность; для фотопластинки — число зерен металлического серебра, которое можно обнаружить после проявления. Квантовый выход окажется равен 100%, если каждый квант света вызовет излучение одного электрона или появление одного зерна металлического серебра в фотоэмульсии. Наибольшим квантовым выходом обладает сурьмяно-цезиевый фотокатод. В максимуме его спектральной чувствительности квантовый выход достигает 30% теоретического, принимаемого за 100%. Для чувствительной фотопластинки необходимо около 1000 квантов, чтобы получить одно зерно металлического серебра. Таким образом, квантовый выход фотоэмульсии составляет около 0,1 %. Чувствительность фотокатода выше чувствительности фотопластинки в максимуме квантового выхода в 300 раз. Если считать средний квантовый выход фотокатода равным 10%, тогда выигрыш в светочувствительности снизится до 100 раз. Это значит, что полуметровый телескоп с фотокатодом, используемый в качестве светоприемника, окажется эквивалентным телескопу с зеркалом диаметром 5 ж, но снабженному только чувствительной фотопластинкой.

Реальный выигрыш времени выдержки в результате применения ЭОП, очевидно, также может быть от 300 до 100 раз при масштабе увеличения 1:1.

Преобразователь для электронной фотографии впервые был изготовлен французским астрономом А. Лаллемандом в 1936 г. и использован для фотографирования слабо светящихся звезд и др. В связи с тем, что изображение на фотопластинке прибора является результатом воздействия на эмульсию не светового потока, а пучка фотоэлектронов, вылетающих из фотокатода, новый метод усиления яркости и фотографирования был назван электронной фотографией, а прибор — электронным телескопом.

Один из первых типов преобразователя изображения Лаллеманда: преобразователь состоит из стеклянного сосуда, собранного из двух частей, соединенных между собой воздухонепроницаемым устройством. В первой его части оптическое изображение небесного объекта проецируется на сферическую поверхность сосуда, внутренняя часть которого образует полупрозрачный фотокатод. Электронный преобразователь 120-сантиметрового телескопа в обсерватории Хаут Провенс (Франция) используется с 1956 г. для усиления яркости изображений при спектральных астрономических наблюдениях слабых объектов. Преобразователь установлен на спектрографе, смонтированном в прямом фокусе. Такой телескоп дает хорошие фотоснимки спектров астрономических объектов при экспозиции 15 мин. Обычная фотосъемка того же спектра на том же телескопе с использованием только фотопластинки потребовала бы значительно большей выдержки.

Дальнейшее усовершенствование электронного преобразователя привело к созданию конструкции из трех секций с промежуточной алюминиевой пленкой. Первая секция представляет собой камеру с высоким вакуумом, в которой помещается фотокатод. Вместо фотопластинки применена алюминиевая пленка толщиной в несколько микрон. Назначение ее — сохранять вакуум в первой секции и при фотосъемке пропускать электроны от фотокатода к фотопластинке, плотно прилегающей к пленке. Между пленкой и фотокатодом приложено высокое ускоряющее напряжение до 30-—35 кв. Электроны под воздействием электрического поля приобретают большую скорость и легко проходят через металлическую пленку, бомбардируя фотоэмульсию на пластинке. Во второй и третьей секциях имеется промежуточный вакуум. Секции сообщаются между собою и с наружным воздухом через плотно закрывающиеся окна.

Фотопластинка постепенно проходит все секции и плотно прижимается к пленке. Ее движение происходит не сразу, а постепенно: вначале ее вставляют в третью секцию и наружное окно плотно закрывают. Из этой секции выкачивают воздух. Когда давление во второй и третьей секциях станет одинаковым, открывают второе окно и фотопластинку вводят во вторую секцию. После окончания съемки фотопластинку в обратном порядке вынимают из прибора. Все эти операции производят при помощи внешнего электромагнита, что, конечно, усложняет эксплуатацию прибора. Усовершенствование преобразователя для электронной фотографии привело к некоторому упрощению его конструкции.

В существующих конструкциях ЭОП размер выходного изображения может быть больше или меньше входного, но чаще масштаб увеличения делают равным единице. При уменьшении его электронный поток уплотняется, повышая яркость изображения на экране.

Увеличение яркости изображения сопровождается одновременным появлением на экране рассеянного света. Контрастность и четкость изображения ухудшаются. Для устранения этого недостатка люминесцентный экран с внутренней стороны, обращенной к фотокатоду, покрывают пленкой алюминия толщиной 0,08 мк. Электроны свободно проходят через нее и достигают экрана, а рассеянный свет поглощается ею. В результате четкость и контрастность изображения на люминесцентном экране улучшаются.

Преобразователи с уменьшенным масштабом изображения применяют редко, так как изображение экрана обычно не рассматривают визуально, а фотографируют. Для этого используют светосильные фотографические объективы, которые позволяют снизить большие световые потери. Например, при объективе с относительным отверстием 1:1 используется только около 8% света от экрана преобразователя, остальная часть бесполезно рассеивается, не попадая на фотопластинку. Таким образом, использование фотообъектива уменьшает реальное усиление яркости электронно-оптического преобразователя примерно до 7 раз.

В целях увеличения коэффициента использования света в ряде стран создан преобразователь для контактной фотопечати, имеющий достаточно тонкую и прочную прозрачную стенку, на которую наносится люминофор.

Недостаток преобразователей, использующих для подложки экрана тонкую слюдяную пленку, заключается в невозможности увеличения диаметра выходного изображения. Если диаметр экрана больше 10 мм, прочность пленки становится недостаточной, и она разрушается под действием атмосферного давления.

В настоящее время преобразователи такого типа широко используются в астрономии для фотографирования звезд и туманностей.

Дальнейшая разработка и усовершенствование конструкций ЭОП привели к созданию каскадных схем. В них изображение на экране первого преобразователя проецируется светосильной оптикой на фотокатод второго, а с экрана второго преобразователя   фотографируется фотокамерой. Такая схема дает сокращение экспозиции приблизительно в 12—15 раз. Однако наличие большого количества линз в промежуточной оптике вызывает появление рассеянного света, снижающего контрастность и четкость изображения.

Значительно большее усиление можно получить, если применить два преобразователя без промежуточной оптики. Для этой цели делают общую стеклянную пластинку малой толщины (0,05—0,02 мм), являющуюся основой для двухслойного элемента. На одну ее сторону наносят материал экрана первого преобразователя, а на другую — полупрозрачный фотокатод второго. Каждый каскад получает напряжение 12—15 кв, а двухкаскадный блок 24—30 кв. Фотографирование изображения с экрана такого преобразователя уменьшает время выдержки в 100—140 раз.

Для получения очень большого усиления яркости число каскадов доводят до 3—4. Однако дальнейшему увеличению их препятствуют технологические трудности изготовления, а также снижение контрастности изображения и увеличение помех в самом приборе. Так, в многокаскадных преобразователях (полезное усиление до 100 000 раз) темновые токи первого фотокатода вызывают внутренние помехи в виде светлого фона. Он образуется из большого числа светящихся точек, беспорядочно перемещающихся во всех направлениях по экрану. Каждая точка возникает от удара одного или нескольких электронов об люминесцентный экран. Очевидно, коэффициент усиления яркости 100 000 оказывается предельным. Дальнейшее его увеличение только ухудшает работу прибора. Минимальная освещенность изображения на фотокатоде, при которой возможно обнаружить изображение на экране преобразователя, составляет около 10-6 л/с. Примерно такая же освещенность наблюдается на поверхности Земли в сильно облачную и безлунную ночь.

Помимо перечисленных конструкций ЭОП известны лабораторные образцы и других типов. К одному из них относится преобразователь, в котором используется метод вторичной эмиссии от ряда динодов, расположенных на одинаковом расстоянии в промежутке между фотокатодом и люминесцентным экраном. Диноды могут иметь форму тонких металлических пленок, обладающих достаточно большим ко-эффициентом вторичной электронной эмиссии. Поток электронов, летящий от фотокатода к люминесцентному экрану, выбивает много вторичных электронов из динодов. Это сильно увеличивает его плотность, вследствие чего происходит усиление яркости изображения на экране преобразователя.

В другом типе преобразователя с вторичной эмиссией электронов в качестве динодов используются мелкие металлические сетки. Принцип его действия не отличается от первого типа. Такие усилители яркости пока не нашли применения на практике, так как не обеспечивают хорошей четкости изображения.

В заключение следует отметить, что, например, применение ЭОП с разрешающей силой 0,1 мм дает выигрыш в выдержке, необходимой для получения фотографии небесного объекта.

<Предыдущая   След.>