เครื่องตรวจจับทางดาราศาสตร์
เครื่องตรวจจับทางดาราศาสตร์จะแปลงแสงที่รวบรวมได้ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่วัดได้ ซึ่งเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพในการบันทึกโฟตอนและระดับความจางของแหล่งกำเนิดที่สามารถตรวจจับได้ตลอดสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
Definition
เครื่องตรวจจับทางดาราศาสตร์คืออุปกรณ์ที่ดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสร้างสัญญาณที่บันทึกได้ซึ่งเป็นสัดส่วนกับโฟตอนที่ตกกระทบ โดยมีลักษณะเฉพาะคือประสิทธิภาพเชิงควอนตัม, สัญญาณรบกวน, ช่วงไดนามิก (dynamic range) และการตอบสนองต่อความยาวคลื่น
Scope
ขอบเขตนี้ครอบคลุมถึงอาร์เรย์ภาพสารกึ่งตัวนำ เช่น อุปกรณ์ประจุควบ (charge-coupled devices) สำหรับช่วงแสงที่มองเห็นได้, เครื่องตรวจจับอาร์เรย์อินฟราเรด, เครื่องตรวจจับการนับโฟตอนและเครื่องตรวจจับที่สามารถแยกแยะพลังงานได้ซึ่งใช้ในย่านพลังงานสูงและกำลังเกิดขึ้นในย่านแสงที่มองเห็นได้, รวมถึงการบ่งชี้ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับผ่านประสิทธิภาพเชิงควอนตัม (quantum efficiency), สัญญาณรบกวน (noise), ความเป็นเชิงเส้น (linearity) และการสอบเทียบ (calibration)
Sub-topics
Core questions
- แสงที่เข้ามาถูกแปลงเป็นสัญญาณที่วัดได้อย่างไร?
- เทคโนโลยีเครื่องตรวจจับใดที่เหมาะสมกับแต่ละย่านความยาวคลื่น?
- แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนใดที่จำกัดการตรวจจับแหล่งกำเนิดที่จางมาก?
- การตอบสนองของเครื่องตรวจจับได้รับการสอบเทียบและบ่งชี้ลักษณะอย่างไร?
Key theories
- การตรวจจับแบบโฟโตอิเล็กทริกและโฟโตคอนดักทีฟ
- โฟตอนที่ถูกดูดซับในสารกึ่งตัวนำจะปลดปล่อยพาหะประจุ (charge carriers) ซึ่งจะถูกรวบรวมและอ่านค่า นี่คือพื้นฐานของเครื่องตรวจจับสมัยใหม่ส่วนใหญ่ ตั้งแต่ CCDs ไปจนถึงอาร์เรย์อินฟราเรด
- ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมและประสิทธิภาพเชิงควอนตัมการตรวจจับ
- ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับถูกแสดงด้วยสัดส่วนของโฟตอนที่ตกกระทบที่ถูกบันทึก และความสามารถของอุปกรณ์ในการรักษาสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ซึ่งเป็นตัวเลขสำคัญในการเปรียบเทียบเทคโนโลยีต่างๆ
- แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน
- สัญญาณรบกวนจากการอ่าน (read noise), กระแสความมืด (dark current) และสัญญาณรบกวนจากโฟตอนช็อต (photon shot noise) ร่วมกันกำหนดสัญญาณที่จางที่สุดที่สามารถตรวจจับได้ และการลดสัญญาณรบกวนเหล่านี้ผ่านการทำความเย็นและการอ่านค่าอย่างระมัดระวังเป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบเครื่องตรวจจับ
Clinical relevance
การก้าวกระโดดจากแผ่นฟิล์มถ่ายภาพไปสู่เครื่องตรวจจับอิเล็กทรอนิกส์ได้เปลี่ยนแปลงวงการดาราศาสตร์โดยการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงควอนตัมมากกว่าสิบเท่า และทำให้สามารถวัดค่าเชิงเส้นแบบดิจิทัลได้ ความก้าวหน้าของเครื่องตรวจจับยังคงกำหนดความลึกและความแม่นยำของการถ่ายภาพ, โฟโตเมตรี (photometry) และสเปกโทรสโกปี (spectroscopy)
History
อิมัลชันถ่ายภาพ (photographic emulsions) มีบทบาทสำคัญมานานนับศตวรรษจนกระทั่งมีการประดิษฐ์อุปกรณ์ประจุควบในปี 1969 โดยบอยล์และสมิธ ซึ่งการนำมาปรับใช้กับงานดาราศาสตร์ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ได้ปฏิวัติวงการนี้ ตั้งแต่นั้นมา อาร์เรย์อินฟราเรด, เครื่องตรวจจับที่สามารถแยกแยะพลังงานได้ และระนาบโฟกัสแบบโมเสกขนาดใหญ่ ได้ขยายการตรวจจับอิเล็กทรอนิกส์ครอบคลุมทั่วทั้งสเปกตรัม
Key figures
- Willard Boyle
- George E. Smith
- James Janesick
Related topics
Seminal works
- rieke2003
- mclean2008
- howell2006
Frequently asked questions
- เหตุใดเครื่องตรวจจับอิเล็กทรอนิกส์จึงเข้ามาแทนที่แผ่นฟิล์มถ่ายภาพในงานดาราศาสตร์?
- อิมัลชันถ่ายภาพสามารถบันทึกโฟตอนที่เข้ามาได้เพียงประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์และตอบสนองแบบไม่เป็นเชิงเส้น เครื่องตรวจจับอิเล็กทรอนิกส์ เช่น CCDs สามารถบันทึกโฟตอนได้เป็นสัดส่วนที่มาก ตอบสนองเป็นเชิงเส้นในช่วงกว้าง และสร้างข้อมูลดิจิทัล ทำให้มีความไวและสามารถวัดปริมาณได้มากกว่ามาก
- เหตุใดเครื่องตรวจจับทางดาราศาสตร์จึงต้องถูกทำให้เย็นลง?
- เครื่องตรวจจับที่อุ่นจะสร้างกระแสความมืด ซึ่งเป็นการไหลของประจุที่ไม่เกี่ยวข้องกับแสงที่เข้ามาและเพิ่มสัญญาณรบกวน การทำความเย็น ซึ่งมักจะทำให้อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งมาก หรือทำให้อุณหภูมิเยือกแข็งสำหรับอาร์เรย์อินฟราเรด จะช่วยลดกระแสความมืด เพื่อไม่ให้สัญญาณทางดาราศาสตร์ที่จางมากสูญหายไปในสัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับ