Способы измерения блеска точечных источников света

«Фотометрия» означает «измерение света». Свет – основной источник информации об астрономических объектах и измерение его – одна из важнейших задач астрономии. В любительской и профессиональной астрономии в настоящее время применяется несколько способов измерения блеска точечных источников. Для этого используются визуальные, фотографические и фотоэлектрические фотометры. Разные типы применяются для различных задач и в наше время все больше сглаживаются различия между любительскими и профессиональными фотометрами.

Высокая чувствительность фотоэлектрических умножителей позволяет даже с относительно небольшими телескопами наблюдать достаточно слабые объекты. Так, с телескопом диаметром 600 мм в видимом диапазоне длин волн (фильтр V) можно измерять блеск звезд ярче 14^m с точностью лучшей 0.^m05, а с телескопом диаметром 400 мм – блеск звезд ярче 13^m.

Наиболее распространенным методом исследования точечных астрономических объектов является фотоэлектрическая фотометрия. Высокая точность и чувствительность позволяет этому методу решать многие астрофизические задачи. В основе метода фотоэлектрического измерения света лежит преобразование светового потока в электрический сигнал с одновременным усилением сигнала в сотни тысяч и миллионы раз. Это преобразование осуществляется с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). На рис.1 приведена упрощенная схема устройства ФЭУ. Фотон света, попадая на фотокатод, выбивает из него один электрон. Ускоренный приложенным электрическим полем, электрон ударяет по первому диноду, выбивая из него несколько электронов, которые летят ко второму диноду, образуя электронную лавину. При этом может быть достигнуто усиление до 10⁸ раз. Помимо высокой чувствительности, ФЭУ обладает еще одним важным достоинством – сигнал на выходе ФЭУ пропорционален падающему световому потоку в очень большом диапазоне интенсивностей.

В статье "Некоторые характеристики фотоумножителей ФЭУ-64 и ФЭУ-79" приводится описание методики изучения некоторых характеристик фотоумножителей и их результаты.

Рисунок 1 Устройство ФЭУ

Существует два способа регистрации электрического сигнала с ФЭУ: метод счета фотонов и метод постоянного или переменного тока. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы, но в настоящее время методы переменного и постоянного тока в профессиональной практике практически не используются.

Метод постоянного тока заключается в использовании для регистрации сигнала усилителя постоянного тока и самописца или другого регистрирующего прибора. Недостатки этого метода – большая постоянная времени (иногда несколько секунд) и непостоянство нулевого уровня усилителя («дрейф нуля»). Главное достоинство – отсутствие «мертвого времени», а значит, возможность измерять сигнал от ярких звезд.

Метод счета фотонов применяется при регистрации слабых сигналов, для которых нелинейность ФЭУ, появляющаяся в этом режиме, не существенна. В этом методе измеряется не ток, текущий с анода, а количество фотоэлектронов, выбитых с катода, т.е. число многоэлектронных импульсов на аноде. Это число пропорционально количеству фотонов света, попавших на фотокатод. Недостаток такого подхода – при большом потоке фотонов импульсы на выходе ФЭУ начинают сливаться – появляется нелинейность (двум или более упавшим фотонам может соответствовать один импульс тока на выходе – импульсы сливаются). Однако это случается лишь при наблюдении ярких звезд. Тогда поток предварительно ослабляют нейтральным фильтром с известным поглощением. Величина потока фотонов, при котором начинается нелинейность, зависит от такого параметра ФЭУ, как «мертвое время». Типичное значение мертвого времени – 50 нс. А нелинейность надо начинать учитывать при потоке ~10⁵ имп./сек. Еще одно достоинство метода счета фотонов было оценено с широким применением ЭВМ при регистрации сигнала. Малая постоянная времени позволяет копить сигнал не непрерывно в течении, например, 10 сек (как это делалось раньше), а порциями по 50-100 мсек, записывая результаты в память компьютера. Последующая математическая обработка такого ряда измерений позволяет оценивать качество изображения, прозрачность, гидирования и накапливать сигнал оптимальное время в зависимости от яркости звезды. Еще одно важное применение такого способа регистрации – возможность наблюдения быстротекущих процессов. Например, покрытий звезд и сверхкороткопериодических переменных. Для этого время накопления сигнала не должно превышать 1-2 мсек. Тогда при длительности покрытия в 50 мсек. можно получить 50 точек и построить надежную кривую изменения блеска, а регистрация излучения звезды до (после) покрытия позволит наилучшим образом учесть при обработке атмосферные искажения.

Специфика астрономических наблюдений определила «стандартную» схему устройства электрофотометра. Обычно он имеет: два подсмотра (один до, другой после диафрагмы), набор круглых диафрагм разного диаметра, набор фильтров, линзу Фабри, стакан с ФЭУ. Первый подсмотр имеет большое поле зрения и служит для наведения телескопа на объект. Диафрагма вырезает из поля зрения интересующий наблюдателя объект и кусок неба вокруг него (диаметром 10" – 2’). Второй подсмотр служит для контроля положения наблюдаемой звезды в диафрагме. Фильтр вырезает из всего спектра интересующий наблюдателя участок. Линза Фабри устраняет влияние погрешностей гидирования на величину сигнала и неравномерность чувствительности разных участков фотокатода ФЭУ. И, наконец, ФЭУ преобразует световой поток в электрический сигнал. Обычно на корпусе фотометра крепится также делитель напряжения, питающего ФЭУ, а также первичный усилитель сигнала. Фотометр должен иметь светонепроницаемый корпус, защиту от влаги и, желательно, экран от магнитного поля Земли.

Конструкция фотометра

Конструктивно, наш фотометр состоит из следующих блоков (рис. 2): 1) корпуса фотометра с блоками диафрагм, подсмотра, фильтров, линзы Фабри; 2) стакана ФЭУ с делителем напряжения питания; 3) усилителя сигнала с дискриминатором; 4) счетчика импульсов с источником питания усилителя. Входное отверстие фотометра имеет диаметр 25 мм. Входной подсмотр у фотометра отсутствует, а наведение осуществляется с помощью вторичного подсмотра и большой диафрагмы.

Кратко рассмотрим перечисленные основные узлы фотометра (см. рисунок 2).

Рисунок 2 - Конструкция электрофотометра

1- Блок смены диафрагм. Блок расположен сразу за входным отверстием. Он представляет собой вращающийся зеркальный металлический диск с просверленными в нем отверстиями с острыми и резкими краями. Пять отверстий имеют диаметр от 0.2 мм до 2 мм, и шестое – диаметром 20 мм. При фокусном расстоянии телескопа 4000 мм это соответствует размеру диафрагмы в ~0.2 - 2 угловые минуты. Использование самой большой диафрагмы с полем зрения 17 угловых минут позволяет наводить телескоп на объект через гидировочный подсмотр фотометра, расположенный за диафрагмой. Подсмотр имеет хороший крест нитей, совпадающий с центрами всех диафрагм, что облегчает наведение и смену диафрагм при работе. Смена диафрагм осуществляется поворотом ручки, вынесенной на боковую сторону фотометра. Центры всех диафрагм совпадают с крестом нитей подсмотра.

3 - Подсмотр. Блок подсмотра состоит из светоделителя (две склеенных прямых призмы), пропускающего 50% света в сторону ФЭУ и 50 % света направляющего под 90^О к оптической оси фотометра в окуляр подсмотра, и окуляра, представляющего собой небольшой микроскоп с линейным полем зрения 15 мм. Крест нитей микроскопа снабжен шкалой с разметкой через каждые 0.1 мм и центр его совпадает с центром используемой диафрагмы. Наведение подсмотра на резкость осуществляется перемещением окуляра.

4 - Блок светофильтров. Блок светофильтров представляет собой диск с закрепленными на нем светофильтрами. Вращение диска осуществляется с помощью ручки, выведенной на боковую стенку корпуса фотометра. Всего на диске может быть закреплено до 4 светофильтров. В настоящее время в фотометре установлены фильтры, реализующие фотометрические полосы BVR. Фильтр U (или W), будет установлен после замены стеклянного светоделителя подсмотра на кварцевый и исследования пропускания всей системы телескоп+фотометр в УФ области.

15. - Линза Фабри. Основная задача линзы Фабри – устранение влияния погрешностей гидирования на сигнал, возникающего из-за неравномерной чувствительности поверхности фотокатода ФЭУ. Т.е. при отсутствии линзы Фабри из-за «гуляний» звезды в диафрагме (даже когда она не касается ее краев) сигнал на выходе ФЭУ будет меняться, т.к. световое пятно также будет «гулять» по поверхности катода. Линза Фабри же строит на катоде изображение входного зрачка телескопа освещенное светом звезды находящейся в диафрагме. Поэтому перемещения звезды в диафрагме (т.е. после входного зрачка) на сигнал влиять не будут. Линза Фабри является обязательным элементом звездного электрофотометра. Процесс расчета параметров линзы прост. Фокусное расстояние вычисляется по формуле (см. Постоянную часть астрономического календаря):

(1)

Радиус линзы по формуле:

(2)

где k – расстояние от линзы Фабри до фотокатода ФЭУ, F – фокусное расстояние объектива телескопа, l – расстояние от диафрагмы до линзы Фабри, R – радиус объектива телескопа, q – радиус рабочей области фотокатода ФЭУ, r – радиус диафрагмы.

При наблюдениях в фильтре U линза должна быть изготовлена из кварца. Если наблюдения в этом фильтре не планируются, то линза может быть изготовлена и из стекла обычных марок.

6 - Блок ФЭУ. ФЭУ – важнейшая часть электрофотометра. Во многом именно от того какой ФЭУ используется зависят основные характеристики фотометра. В нашем фотометре используется мультищелочный фотоумножитель ФЭУ-79. Это 11-ти каскадный ФЭУ, обладающий большой чувствительностью и небольшим темновым током. У отдельных экземпляров темновой ток при комнатной температуре может быть меньше, чем 20 электронов/сек (что соответствует звезде ~16^m для 400 мм телескопа). Баллон ФЭУ изготовлен из зачерненного стекла и имеет диаметр 58 мм. ФЭУ имеет торцевой фотокатод, диаметр чувствительной площадки 5 мм. ФЭУ установлен в металлический стакан, при этом электрическая изоляция баллона от корпуса достигается с помощью толстого поролона. Стакан ФЭУ закреплен на подвижном относительно корпуса фотометра основании. Это позволяет юстировать ФЭУ, добиваясь максимальной чувствительности, не снимая крышки фотометра прямо на телескопе. С обратного торца стакана закреплена плата с делителем питающего высокого напряжения. Она служит также для крепления ФЭУ через штырьковый разъем. Питание ФЭУ осуществляется от источника высокого напряжения ВС-22. На плате делителя установлен разъем для подачи выходного сигнала на усилитель. Усилитель смонтирован в отдельном небольшом корпусе и может быть закреплен в непосредственной близости от ФЭУ либо на телескопе, либо прямо на фотометре.

Усилитель.При астрономических наблюдениях сигнал, идущий от ФЭУ, слишком слаб для того, чтобы его можно было непосредственно регистрировать. Для этого его необходимо предварительно усилить. В комплексе для этого применяется импульсный усилитель собранный по схеме опубликованной в Астрономическом журнале (1991 год, том 68, с.121).

Рисунок 3 - Блок-схема усилителя фотометра

В качестве собственно усилителя в ней применена цифровая микросхема К500ЛП216 (Рисунок 4). Это построенный по ЭСЛ-технологии приемник с линии, используемый при работе с длинными линиями. Микросхема обладает способностью работать на очень высоких частотах, что очень важно при астрономических наблюдениях, когда заранее не известно время, проходящее между приходами от звезды двух фотонов. Оно является случайной величиной и может быть очень маленьким при наблюдениях ярких звезд. К выходу микросхемы-усилителя подключена микросхема-компаратор. Назначение компаратора – отсекать импульсы малой амплитуды, соответствующие темновым импульсам идущим с первых динодов. Амплитуда таких импульсов меньше информационных, т.е. вызванных падением на фотокатод фотонов света и по этому признаку их можно отсеивать.

Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема импульсного усилителя

Питается усилитель от двух источников питания: +5В и –6В. Чтобы максимально уменьшить размеры корпуса усилителя, блоки питания расположены в корпусе счетчика импульсов.

Счетчик импульсов. При работе в режиме счета фотонов сигналом является не значение силы тока, идущего от ФЭУ, а количество электронных лавин, приходящих с анода за единицу времени. Поэтому на выход усилителя должен быть подключен счетчик импульсов. Это может быть и обычный частотомер. Однако, при этом доступен лишь один режим работы – одно измерение значения потока от звезды с экспозицией, жестко определяемой конструкцией частотомера (в случае Ч3-34 – это 0.01, 0.1, 1 и 10 секунд). Этого вполне достаточно при работе по стандартной схеме. При этом обычно измеряют поток фотонов от звезды, стандартной звезды и фона неба. При наблюдениях очень быстрой переменной или при наблюдениях покрытий звезд порой требуются выдержки длительностью 0.1-1 мсек. с нулевой скважностью (т.е. одна выдержка за другой должна следовать без перерыва). Конечно, запись результатов ведется при этом не вручную, а с помощью компьютера. Все это задает критерии, которым должен удовлетворять счетчик импульсов такого фотометра. При этом счетчик превращается из просто регистрирующего прибора в пульт регистрации и управления работой фотометра.

На рисунке 5 приведена функциональная схема счетчика импульсов, изготовленного на обсерватории «Вега». Он состоит из следующих узлов: 1) Блок входного делителя импульсов, 2) Блок управления, 3) Блок двоичных счетчиков, 4) Блок десятичных счетчиков, 5) Блок индикации, 6) Блок выходных регистров.

Рисунок 5 - Блок-схема счетчика

Счетчик позволяет измерять потоки до тридцати миллионов импульсов в секунду с временем накопления от 100 микросекунд до 1 минуты и может работать в обычном режиме (т.е. с единичной длинной экспозицией) и в циклическом (после экспозиции результат выводится на индикаторы, помещается в выходной регистр и начинается новый цикл). После окончания экспозиции накопленный сигнал отправляется в ЭВМ. В настоящее время мы заканчиваем изготовление интерфейсной платы к компьютеру. Она позволит записывать результат с частотой более 1000 раз в секунду.

В корпусе счетчика размещены блоки питания, как самого счетчика, так и усилителя импульсов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: