光电光度计的应用

光电光度计的应用

近年来，尽管cd的发展和应用速度迅速，但光度计在某些方面具有不可替代的优势，比如在使用sd进行光度成像时需要冷容量。而目前对其致冷的手段主要通过以下三种形式:液氮致冷,半导体致冷,斯特林致冷。因此这对野外工作是极为不利的。首先,液氮致冷不能满足野外工作便于携带的要求。其次,半导体致冷,斯特林致冷不能满足野外工作中节能的要求。特别是在需用电池供电的情况下,这个问题将更为突出。但是采用光电光度计进行野外测光,完全能满足野外工作的要求(移动性好,节能性好)。另外在测光精度以及时间分辨率方面光电光度计相对于CCD而言,有其绝对的优势。1全球光度计的结构该光电光度计是在光子计数的基础上进行设计的,在总体结构上由三部分构成:光学部分、机械部分、电子部分。1.1光学、成像法。请看该设备选用了MeadeLX-90地平式天文望远镜(图1,2),为了使系统紧凑,我们设计的光学系统是折叠在望远镜外壳上的。其光线行进的路线为(按先后顺序):主镜、副镜、第一平面镜、光栏、第二平面镜、发布里透镜、滤色镜、光电管。重要的是我们调焦,使星在光栏处清晰成像。清晰与否我们可以通过目镜观察。MeadeLX-90望远镜的光学参数是:光学:施密特--卡塞格林系统;口径:200mm;焦长:2000mm;焦比:f/10。其中光栏和法布里透镜,该处的光栏其实也是一面与光轴成45°的平面反射镜,只是在该镜面的中间有一通光孔。在实际使用时可以更换不同通光孔径的光栏,但在本次观测中我们使用的是通光孔直径为5mm(已经过垂直投影)的光栏。该设计主要用于进行后面的暗导使用。法布里透镜在该处的作用主要是让非平行的入射光,变为平行的出射光,并使其均匀的照在光电管的靶面上,以提高观测精度。1.2光度计的电路结构1.2.1汽车蓄电池供电方案在野外工作中,电源问题是一个至关重要的问题。它要求我们的仪器及电源是便携的、可移动的。为解决这个问题我们采取的方案是:通过汽车蓄电池(DC12V)供电。从汽车点烟器上接出来的电源,经过逆变器以后就变成了220V的交流电。这样电脑所需的电源问题得到解决。至于高压模块和光电光度计电源的问题也容易解决,我们只需再进行一次AC到DC的转换(详见图3),便可成功解决问题。这样一来,我们的设备就能实现移动性工作。同时也支持电池供电方式。1.2.2光电增益管的选择光电倍增管是一种实现光电转换的器件,它将入射到其光电面的光信号转变为后续电路能够处理的电信号。其光电转换原理是根据爱因斯坦的光电效应而来,即光子入射到光电面时,处于价带的电子吸收光子能量(hν)而被激励,从而向表面扩散。扩散到表面的电子越过真空位垒成为光电子发射到真空中。随后,该光电子流的大小经过各倍增级的逐级倍增,最后经光电倍增管的阳极输出。其电流增益满足如下关系:μ=(αEk)n=αn(V/(n+1))kn=AVkn.μ=(αEk)n=αn(V/(n+1))kn=AVkn.其中V为工作电压,n为倍增级级数,k是和材料相关的常数,在该设备中我们选择的光电倍增管是CR115,它为10级倍增,锑铯光阴极,300～650nm(S-4)谱响应,以便和标准测光系统一致。但是,需要特别说明的是,我们选用的光电管CR115,主要用于弱光的探测。如将其用于强光探测时,将会使其输出的脉冲信号连续(即:不是一个独立的脉冲信号),这样将导致后面的电路无法正常工作,更严重的还会损坏光电倍增管。1.2.3集成运放部分的设计及调试问题经光电倍增管出来的信号无法满足对后面电路的驱动,因此我们应当将信号放大,保证有足够的信号幅度。当然,在放大电路中要必须保证足够的带宽,以及足够快的响应速度,以确保放大信号不失真。该部分的功能我们可以通过前置放大和运放两者相结合来完成(见图4)。前置放大部分,是一个分离元件构成的多级放大电路。在实际运用中分离元件构成的放大电路带宽一般容易满足,响应速度在不加深度负反馈的条件下也容易满足。这便保证了良好的脉冲边缘处理能力。但是在调试过程中,随着放大级数的增加,静态工作点的设定将较为困难。集成运放部分,设计和调试较为简单。同样,带宽和响应速度也是该部分的主要问题。从模拟电子技术中,我们得知集成放大电路的增益带宽积为常数,当然该常数是和器件的选择相关的。因此,在带宽问题方面,我们只需适当调节放大倍数,便可获得我们需要的带宽。至于响应速度我们要根据脉冲信号的上升时间选择相应的器件。由于在前面我们选择的光电倍增管为CR115,其输出信号上升时间为2.5ns,下降时间一般比上升时间长2～3倍。因此在运放的选择方面,必须保证运放的上升时间(tr)小于光电倍增管输出信号的上升时间。同时也只有在足够快的响应速度下,输入信号能够及时的获得反馈信息,才能构成我们所需的比例放大。因此,权衡各方面的因素,我们选择了高速运放LM6171AIM。1.2.4低幅脉冲过滤机构由光电倍增管特性我们可以知道,光电倍增管即使在没有光入射的情况下,在阳极依然有电流的输出(脉冲信号输出)。这主要由两方面的原因导致。一方面是由于光电倍增管本身的暗电流所导致,该部分形成的脉冲幅度较小。另一方面是由于宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出射线、环境射线等导致玻璃中发光引起的噪声电流,该部分引起的脉冲幅度一般较大。因此,我们需要一种能够完成对上述两种脉冲的过滤机构。此窗口比较器就能满足我们的需要(见图5)。从图5可知电压上限和电压下限的正确选择是降低噪声计数的关键。该工作我们可以用示波器配合完成,首先可以在没有光线照射的条件下,认真观察低幅脉冲值的上限,然后在设置下限电压时让下限电压值略略大于低幅脉冲的最大值。这样做可以让电路留有一定的余量,不至于由于外界因素的微小变化而导致错误的计数。同样的方法我们可以选择出合适的上限电压值。1.2.5对窗口比较器回用由于从窗口比较器出来的脉冲宽窄不等,而在一般情况下我们要求输入到随后计数器中的脉冲是等宽度的。因此,我们需要对窗口比较器出来的脉冲进行整形。该功能可以由图6的电路来完成。经过整形后的脉冲宽度主要是两个与门及RC电路的延时之和。1.2.6记录和读取四片带使能的脉冲数在合理的设置了比较电平后,从窗口比较器出来的脉冲便是由光子入射到光电面所导致的。所以,该部分的目的就在于对这些脉冲数进行记录。并将记录的结果送入四片带使能端的缓冲器74HCT244,等待计算机读出其记录结果(见图7)。如何实现计算机对缓冲器的控制,以及如何从缓冲器中将数据读出,将在“与计算机接口”部分阐述。1.2.7及时定时器的功能主要是完成对曝光时间的设定。具体的实现方案可以通过分频器和数据选择器联合完成(详见图8)。1.2.8打印口控制口在该设备中,计算机与外设的连接是通过打印口来实现的。通过该口主要实现以下几个功能:对曝光时间的设定,对缓冲器的使能控制,数据的采集,计数器清零,检测采集状态。打印口主要由状态口,数据口,控制口三部分组成。在具体应用中我们通过状态口实现数据采集以及检测采集状态(即:口10、11、12、13、15)。在此需要特别说明的是,从计数器出来的计数结果是16位的,但只有4个打印口(既:口10、11、12、13)能用于数据采集。我们只有经过4次采集,才能完成16位数据的采集。所以,必须分别用4个缓冲器,来完成每次4位数据的采集。数据口用于对曝光时间的设定以及缓冲器的使能控制(即:口2、3、4)。控制口用于对计数器清零(即:口1)。1.2.9曝光时间,计数次数由图9可知,通过工具栏上的“计数时”选项可以设置曝光时间,至于计数次数,可以通过它旁边的“采集次数”选项来设定。在客户区的左边是采集数据的显示区,右边则是根据左边的数据画出相应的曲线图。2线性关系的计算方法天光背景的测定按照下面几个步骤进行:(1)查找资料选定标准星。标准星的选定应当注意被选星不要太接近地平,否则,受城市灯光的影响较为严重;被选星应当尽量分布在东、南、西、北4个方向。(2)对星并且调焦,让星在光栏处清晰成像(光栏也为一平面反射镜,只是该片中间有一直径为5mm的通同光孔)。(3)首先,让星成像于通光孔内,然后光度计开始曝光。当曝光结束后,保存光度计的记录结果。(4)将星像从通光孔中移出,然后让光度计曝光(曝光时间和上一步骤相同),这时我们测到的则是标准星附近的天光背景。(5)数据处理。下面是按照上面的步骤处理在云南省楚雄市姚安县的一些观测数据。数据处理:设:星在孔内记录的结果为A;星不在孔内记录的结果为B;星光的净计数为C=A-B;根据天光背景的定义求出在1平方角秒视场范围内的光子数。首先计算本测光系统的视场:θ=a/F⇒θ=5/2000≈9′=540″其中:θ为视场,a为通光孔直径,F为等效焦长;1平方角秒的范围内的光子数为:n=B/S=B/(π(θ2)2)=4Bπθ2n=B/S=B/(π(θ2)2)=4Bπθ2其中:n为1平方角秒范围内的光子数。根据星等与照度之间的关系有:mv=-2.5lgE*+c;E*=kx其中k:是比例系数,x是光子数。以标准星20149为例,详细说明天光背景的计算方法:m标=-2.5lgk(A-B)+c(1)m背=-2.5lgkn+c=-2.5lgk4Bπθ2+c(2)−2.5lgkn+c=−2.5lgk4Bπθ2+c(2)由(1)式减(2)式得:m标-m背=-2.5lgπθ2(A-B)4B=-2.5lg540×540×(16550-13601)π4×13601(3)=−2.5lgπθ2(A−B)4B=−2.5lg540×540×(16550−13601)π4×13601(3)m背=m标+2.5lg540×540×(16550-13601)π4×13601=5.607+2.5lg540×540×(16550-13601)π4×13601=17.35magm背=m标+2.5lg540×540×(16550−13601)π4×13601=5.607+2.5lg540×540×(16550−13601)π4×13601=17.35mag以2828为标准星时:m背=14.98mag;以75523为标准星时:m背=17.46mag;以1148为标准星时:m背=17.37mag。以上结果说明在不同的方向上天光背景不同,14.98mag为靠近城市的方向,17.35mag、17.46mag、17.37mag为背离城市的方向。以上计算方法,是便于在野外工作时粗略得出结论而使用,其中忽略了消光系数的计算。当然在大气质量比较好的情况下,其结果将与考虑消光系数时相接近。以下简要说明了当需要考虑消光系数时的计算方法。步骤1:当某星成像在通光孔时,由光电光度计记录的光子数为N。N由A(由星体辐射所导致的计数),B(由天光背景所导致的计数),C(设备本身的噪声所导致的计数)三部分构成。即:N=A+B+C。步骤2:当星像移出通光孔时,由光电光度计记录的光子数为M。M由B(由天光背景所导致的计数),C(设备本身的噪声所导致的计数)两部分构成。即:M=B+C。步骤3:N减M便可得到由天体辐射所导致的计数。这时大气内外星等满足以下关系:-2.5logΝ-Μη=mo+k′F(z)(4)−2.5logN−Mη=mo+k′F(z)(4)其中:η为系统响应函数,mo为大气外星等(该数值在我们选定定标时便已知道),k′为一次消光系数,F(z)为大气质量。(注意:本来还应当考虑二次消光系数,但是该设备测量的是V波段时的情况,所以该项可以忽略)。步骤4:选一颗星重复步骤1至步骤3,便可得:-2.5lgΝ′-Μ′η=m′o+k′F′(z)(5)步骤5:(4)式减(5)式得:-2.5lgΝ-ΜΝ′-Μ′=(mo-m′o)+k′[F(z)-F′(z)]整理且计算便可得到k′的值。其中F(z)的计算参见文。步骤6:将k′的结果代到(4)式,我们就可以知道被测星在大气内的星等。即:m=mo+k′F(z)。步骤7:-2.5lgΝ-Μη=m(6)-2.5lg(Μ-CS/η)=m背(7)上式中(M-C)/S表示在1平方角秒的范围内的光子计数;其中C为仪器噪声所导致的计数,如果在窗口