天文探测器
天文探测器将收集到的光线转换为可测量的电信号，决定了光子被记录的效率以及在整个电磁波谱中能探测到的最微弱光源。
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Definition
天文探测器是一种吸收电磁辐射并产生与入射光子成比例的可记录信号的设备，其特点在于量子效率、噪声、动态范围和波长响应。
Scope
该领域涵盖了半导体成像阵列，例如用于光学波段的电荷耦合器件、红外阵列探测器、在高能领域使用并逐渐应用于光学领域的单光子计数和能量分辨探测器，以及通过量子效率、噪声、线性度和校准对探测器性能进行的表征。
Sub-topics
Core questions
- 入射光如何转换为可测量的信号？
- 哪种探测器技术适合各个波长波段？
- 哪些噪声源限制了对微弱光源的探测？
- 探测器响应如何校准和表征？
Key theories
- 光电和光导探测
- 光子在半导体中被吸收后释放出电荷载流子，这些载流子被收集和读出，这是从CCD到红外阵列等大多数现代探测器的基础。
- 量子效率和探测量子效率
- 探测器性能通过记录到的入射光子比例以及设备保持信噪比的能力来体现，这是比较不同技术的关键性能指标。
- 噪声源
- 读出噪声、暗电流和光子散粒噪声共同决定了最微弱的可探测信号，通过冷却和精细读出将它们最小化是探测器设计的核心。
Clinical relevance
从照相底片到电子探测器的飞跃，通过将量子效率提高十倍以上并实现线性数字测量，彻底改变了天文学；探测器的进步持续设定着成像、测光和光谱学的深度和精度。
History
照相乳剂曾主导了一个世纪，直到1969年Boyle和Smith发明了电荷耦合器件，该器件在1970年代后期应用于天文学，彻底改变了该领域。此后，红外阵列、能量分辨探测器和大型马赛克焦平面将电子探测扩展到整个光谱。
Key figures
- Willard Boyle
- George E. Smith
- James Janesick
Related topics
Seminal works
- rieke2003
- mclean2008
- howell2006
Frequently asked questions
- 为什么电子探测器取代了天文学中的照相底片？
- 照相乳剂只能记录约百分之一的入射光子，并且响应是非线性的。而像CCD这样的电子探测器能记录大部分光子，在宽广范围内线性响应，并产生数字数据，这使得它们在灵敏度和定量方面大大提高。
- 为什么天文探测器需要冷却？
- 温暖的探测器会产生暗电流，这是一种与入射光无关的电荷流动，会增加噪声。冷却，通常是冷却到远低于冰点或对于红外阵列冷却到低温，可以抑制暗电流，从而使微弱的天文信号不至于淹没在探测器噪声中。