ساختار فنی رادیو تلسکوپ ها
رادیوتلسکوپها همانند دستگاه‌های رادیویی معمولی که در تمام منازل یافت می‌شود، کار می‌کنند. اما میان این دو وسیله، دو تفاوت عمده وجود دارد. اول امواجی که رادیوتلسکوپها مجبور به آشکار سازی آنها هستند، بسیار ضعیف بوده و دوم رادیوتلسکوپها باید تمام سیگنالهای دریافتی را برای آنالیزهای بعدی ذخیره نمایند.
|
|
رادیوتلسکوپها همانند دستگاه‌های رادیویی معمولی که در تمام منازل یافت می‌شود، کار می‌کنند. اما میان این دو وسیله، دو تفاوت عمده وجود دارد. اول امواجی که رادیوتلسکوپها مجبور به آشکار سازی آنها هستند، بسیار ضعیف بوده و دوم رادیوتلسکوپها باید تمام سیگنالهای دریافتی را برای آنالیزهای بعدی ذخیره نمایند. از نظر ساختمانی، یک رادیوتلسکوپ را می‌توان به هشت قسمت اصلی و مهم زیر تقسیم‌بندی نمود: |
1. آنتن
2. پیش تقویت کننده یا آمپلی‌فایر اولیه
3. مخلوط کننده
4. نوسان ساز
5. تقویت کننده موج متوسط یا آی‌اِف
6. آشکارساز مجذوری
7. تقویت کننده DC
8. ابزار ضبط اطلاعات
... آنتن
در عالم الکترونیک، آنتن به سیستمی مشتمل بر سیمها و یا سایر اجسام هادی گفته می‌شود که جهت ارسال و یا دریافت امواج رادیویی یا سایر طول موجهای امواج الکترومغناطیسی به کار می‌روند. این ایده اولین بار توسط گاگلیلمو مارکونی در سال 1897 ارائه شد.
در یک آنتن فرستنده، سیگنالهای رسیده از مدار الکتریکی باعث نوسان الکترونها در آنتن می‌شوند. حرکت بار الکتریکی باعث تولید میدان الکترومغناطیسی در اطراف خود شده و این میدان به نوبه خود امواج الکترومغناطیسی را در جهت خاصی که به طراحی آنتن بستگی دارد پخش می‌کند. برای مثال آنتن ایستگاه‌های رادیویی به گونه‌ای طراحی می‌شوند تا امواج را در تمام جهات به طور یکسان پخش نمایند اما از آن سو آنتنهای یک دستگاه رادار امواج را در جهت خاصی منتشر می‌نماید.
در آنتنهای گیرنده، مسیر بر عکسی برای تولید جریان در مدار آنتن طی می‌شود. ابتدا امواج الکترومغناطیسی به گونه‌ای باعث تحریک الکترونها می‌شوند که جریان القایی در مدار آنتن تولید می‌گردد، سپس این جریان در مدارهای الکتریکی خاصی تقویت و فیلتر شده و در نهایت اطلاعات آن استخراج می‌شود.
در رادیو تلسکوپها و یا در تلسکوپهای راداری، معمولا از آنتنهای بشقابی برای دریافت امواج استفاده می‌کنند. آنتن رادیوتلسکوپها آشکارترین بخش آن هستند. آنها موظفند امواج رادیویی فوق‌العاده ضعیفی را که از اعماق فضا به زمین می‌رسد جمع‌آوری نمایند. اغلب این آنتن‌ها بسیار بزرگ هستند تا تلسکوپ قادر به نگاه دقیقتر و عمیقتری به فضا باشد.
... پیش تقویت کننده
سیگنالهای رادیویی گسیل شده از فضا بسیار ضعیف هستند. ضعف این سیگنالها زمانی بیشتر نمایان می‌شود که بدانیم اگر تمامی انرژی حاصل از دریافت این سیگنالها را از ابتدای تاریخ مشاهده فضا با تلسکوپهای رادیویی، با هم جمع کنیم به سختی قادر به آتش زدن یک چوب کبریت خواهیم شد. متوسط انرژی سیگنالهای رادیویی که از فضا دریافت می‌شوند در حدود 5-10*2 وات می‌باشد.
برای اندازه‌گیری و مشاهده چنین سیگنال ضعیفی باید آنچه را که دریافت می‌کنیم میلیونها بار تقویت نماییم. اما مشکل زمانی خود را نشان می‌دهد که بدانیم ابزارهای الکتریکی که در رادیوتلسکوپها مورد استفاده قرار می‌گیرند، در زمان عملکرد نویزهای ضعیف و قوی فراوانی تولید می‌کنند. اگر قادر به تشخیص و حذف این اغتشاشات نباشیم، در فرآیند تقویت امواج، آنها نیز به شدت تقویت می‌شوند و امواج ضعیف دریافتی در پس امواج قوی اغتشاشی ناپدید می‌گردند.
نقش پیش تقویت کننده‌ها تقویت محدوده خاصی از امواج به گونه‌ای است که کمترین اغتشاش را به آنها وارد کند. به همین دلیل اغلب، این تقویت کننده را تقویت کننده کم اغتشاش می‌نامند.
برای کاهش اغتشاشات، معمولا از ترانزیستورهای بسیار ویژه‌ای در این تقویت کننده‌ها استفاده می‌شود و در ضمن، با سرد کردن آنها تا دماهای نزدیک به صفر مطلق، سعی می‌کنند تا جاییکه امکان دارد اغتشاشات کمتری تولید شود.
... مخلوط کننده
وظیفه مخلوط کننده کاهش و تغییر فرکانس سیگنالهای دریافتی از پیش‌تقویت کننده می‌باشد. این کار به دو دلیل انجام می‌گیرد. اول اینکه از نظر تکنولوژیکی، ساخت تقویت کننده‌ها، فیلترها و سایر قطعات الکترونیکی که قادر به کار با امواج فرکانس بالا باشند، سخت و گران است. دوم اینکه اگر ما تمام تقویتها را با فرکانسی که دریافت می‌کنیم انجام دهیم، امکان بازگشت امواج به آنتن و تولید پس‌خور به شدت افزایش خواهد یافت. این اثر مشابه حالتی است که یک سخنران میکروفن را بسیار نزدیک به دهان نگه دارد.
برای انجام این کار مخلوط‌کننده موظف است تا سیگنالهای دریافتی از پیش‌تقویت‌کننده را روی سیگنالهایی با طول موج بالا و فرکانس پایین که از دستگاه نوسان ساز دریافت می‌کند، سوار نماید. این کار در مخلوط‌کننده به دو شکل و همزمان صورت می‌گیرد به این معنی که مخلوط‌کننده دو موج خروجی دارد که یکی حاصل جمع دو ورودی و دیگری حاصل تفریق آنها است. با گذراندن این دو خروجی از یک فیلتر، هرکدام که فرکانس کمتری داشت، انتخاب شده و به عنوان سیگنال ورودی به تقویت‌کننده آی‌اِف فرستاده خواهد شد.
... نوسان‌ساز
اکثر رادیوتلسکوپها از نوسان‌سازهای کوارتزی استفاده می‌کنند. مزیت عمده استفاده از کریستالهای کوارتز در تولید نوسان، پایداری خوب و اغتشاش کم در خروجی آنها است. از آنجایی‌که طبیعت رادیوتلسکوپها اقتضا می‌کند تا در باند پهنی از امواج عمل نمایند، اغتشاش اندکی در نوسان تولیدی، قابل اغماض می‌باشد .اگرچه اغتشاشات آنقدر بزرگ نیستند که تولید مزاحمت نمایند اما باید مراقب بود که این اغتشاشات، نویزهای طبیعی سیستم را تشدید ننمایند، چراکه در آن صورت سیگنالهای خروجی تلسکوپ تغییر خواهد کرد و اغتشاشات همانند دریافت واقعی تفسیر خواهند شد.
... تقویت کننده آی‌اِف
در یک تقویت کننده موج متوسط با استفاده از فیلترهای مخصوصی، تنها به محدوده‌ای خاص از امواج اجازه عبور می‌دهند. اگرچه محدودیتی در انتخاب فرکانس کاری تقویت‌کنندهای آی‌اِف وجود ندارد اما معمولا فرکانسهای 70، 45، 4/21 و 7/10 مگاهرتز در آنها به عنوان فرکانس کاری در نظر گرفته می‌شود. با این کار فرکانسهای زائد حذف شده و محدوده خاصی که مورد نظر است به شدت تقویت و آشکار می‌شود.
در رادیوهای رایج، مداری وجود دارد که به مجموعه آن کنترل خودکار بهره می‌گویند. این مدار برای دریافت صدایی واضحتر و شفافتر، تغییرات اندک و ناچیز در قدرت سیگنالهای دریافتی راحذف می‌کند. در رصد رادیویی این تغییرات اندک و جزئی دقیقا همان چیزی است که ناظران به دنبال آن هستند. بنابراین زمانی که از رادیوهای معمولی برای رصدهای رادیویی استفاده می‌گردد، این مدار را باید از کار انداخت.
... آشکارسازهای مجذوری
اگر فرکانس خروجی تقویت‌کننده آی‌اِف را به یک ولت‌سنج جریان مستقیم وصل کنیم، صفحه نمایشگر مقدار صفر را نشان خواهد داد. این امر به دلیل ماهیت نوسانی فرکانس است که زمانی بیش از صفر و زمانی کمتر از صفر است.
برای اینکه قادر باشیم تعریف خوب و قابل درکی از انرژی دریافتی از آسمان ارائه دهیم، معمولاً از قطعه ساده‌ای برای هم علامت کردن و یا حذف قسمت منفی موج استفاده می‌کنیم. در اکثر رادیوتلسکوپها این قطعه ساده که یک دیود معمولی است، فقط به جریانهایی با ولتاژ مثبت اجازه عبور می‌دهد. به این ترتیب ولتاژی که ولت‌سنج نشان می‌دهد برابر با جذر ولتاژ ورودی است.
... تقویت کننده جریان مستقیم
در طی فرآیند مستقیم‌سازی ولتاژ و همچنین قبل از آن، مقادیر زیادی اغتشاش ناشی از عملکرد ابزارهای الکترونیکی به موج اصلی اضافه می‌شود. از آنجایی‌که قدرت امواج دریافت شده از فضا بسیار ضعیف است، در لوای اغتشاشات هر چند کوچک پنهان خواهد شد.
برای کم‌رنگ کردن این موضوع معمولا از انتگرالگیرهایی با پله زمانی معلوم استفاده می‌کنند. این امر باعث می‌شود که قله‌های بسیار بزرگ اغتشاشات روی سطح ملایم موج اصلی سرشکن شود و تنها اندکی قدرت موج دریافتی را تغییر دهد.
... ابزارهای ذخیره اطلاعات
اطلاعات به دست آمده بعد از این همه فرآیند و آنالیز، بسیار ارزشمند بوده و باید در جایی ذخیره شوند. این اطلاعات که معمولا ماتریس دو ستونه‌ای از ولتاژ بر حسب زمان هستند را در قدیم توسط قلمهای خودکار و بر روی کاغذهای بسیار طویل به شکل نمودار ذخیره می‌کردند. امروزه این روش تقریبا منسوخ شده و اطلاعات بعد از تبدیل به سیگنالهای دیجیتال در یک کامپیوتر ذخیره و نگهداری می‌شوند.
اطلاعات ذخیره شده معمولا عبارتند از ولتاژ، پله زمانی دریافت، زمان دقیق ثبت اطلاعات و در نهایت دما. دمای محیط و سیستم در آنالیز اطلاعات ذخیره شده بسیار مهم است چون همانطور که تا به حال توضیح داده شد، دما نقش زیادی در تولید اغتشاشات الکتریکی دارد.
حاصل نگریستن به آسمان با یک رادیوتلسکوپ، عددی است که نماینده قدرت امواج دریافتی از آن محدوده می‌باشد. اگر زاویه دید رادیو تلسکوپ مورد استفاده 1 درجه باشد، با هر بار رصد مقدار عددی ولتاژی را به دست می‌آوریم که متناظر با قدرت امواج رادیویی گسیل شده از آن منطقه است. حال می‌توان با چرخاندن رادیوتلسکوپ و دریافت اطلاعات سایر نقاط در آن حوالی، نقشه رادیویی منطقه‌ای از آسمان را تهیه کرد. این نقشه رادیویی، ماتریسی از اعداد است که با توجه به زاویه دید تلسکوپ، وسعت مشخصی از فضا را در بر می‌گیرد. هر قدر زاویه دید تلسکوپ کوچکتر باشد، قدرت تفکیک تصاویر حاصل از آن افزایش می‌یابد. جدول زیر نمونه‌ای از اطلاعات ذخیره شده از آسمان را نمایش می‌دهد که می‌تواند یک کهکشان دوردست باشد:
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0
0 0 1 2 1 0 0
0 1 2 3 1 1 0
0 1 2 4 2 1 0
0 1 3 5 3 2 1
0 1 2 5 4 2 1
0 1 2 4 5 4 1
0 1 2 3 4 3 2
0 1 2 2 3 2 1
0 1 2 2 2 2 1
0 1 1 1 2 1 0
0 0 1 1 2 1 0
0 0 0 1 1 0 0
0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 0 0
نمایش عددی یک چشمه رادیویی توسط ماتریسی از اعداد
منبع : http://www.spacescience.ir/
