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2012 年 4 月 6 日
 

X 光太空天文台攝影特展 (6):X 光探測器

文字提供 : 陳輝樺

說明 : X 光天文學上使用的 X 光 (X-ray,X 射線) 探測器依據接收體材質略分成氣體、半導體 2 類、若依據增強訊號方式略分成 CCD (電子耦合裝置) 、閃爍倍增管、多孔微通道板等 3 種方式,如此配搭組合成各種多功能適用的 X 光探測裝置。 早期 X 光天文衛星廣泛使用的氣體探測器觀測設備,其原理是在密閉容器中充有數個大氣壓的以惰性氣體為主的混合氣體, 中間有一根或多根陽極絲,並在周圍加高壓電場。它可以用來計數單個 X 射線 (能量 0.12 ~ 120 keV,波長 ~0.008 - 8  nm) 光子,並將計數率轉換成流量。 一般有一根陽極絲的這類探測器稱為正比計數器 (Proportional counter,左上圖照),有多根陽極絲的稱為多絲正比室。 半導體探測器以半導體作為探測設備,當 X 光入射到探測器上,就會產生一個電子空穴對。其特點是能量解析度和探測效率較高,1967 年由美國海軍研究實驗室(NRL Aerobee 火箭 首先裝載升空的兩具正比計數器首度偵測到來自 室女座 (Virgo) 類星體 3C 273 的強烈 X 光輻射,1983 年歐洲太空總署 (ESA) 發射的歐洲 X 光天文台衛星 (EXOSAT)也是採用此裝置。

        在太空 X 射線光度計 (X-ray spectrometer) 裝置方面, 由於電子儀器與電腦的問世對天文學產生了深遠的影響, 電子感應器可感測到最微弱的光學訊號,或偵測許多不同種類的 輻射 。 經過電腦處理後,訊號被整理與加強,這些經由電子儀器觀測到的訊號傳遞了清晰的資訊。 數位處理將極細微的差異放大, 顯現出原來被地球大氣 掩藏 , 以致肉眼看不到的東西。CCD (電子耦合裝置) 設備應用於 X 光探測 成了順理成章的事。1993 年發射的日本 ASCA 衛星 (ASTRO-D) 是首先應用 CCD 進行 X 光成像的天文衛星。閃爍探測器 (Scintillation detector,右上圖照) 透過熒光閃爍的方式探測 X 光或者帶電粒子,主要由閃爍體、光電倍增管等組成。微通道板探測器(MCP)原理如同多個微型光電倍增管,在金屬薄板上打出多個小孔,用類似 CCD 的排列方式獲得入射 X 射線光子的能量、位置等信息。1990 年 升空由德國、英國與美國太空總署 (NASA) 聯合研製的倫琴衛星(Röntgen Satellit,ROSAT)採用了這種探測器。

        在太空 X 光成像裝置方面,由於 X 光照射普通物質時會穿透或被吸收, 不容易產生類似 可見光 反射 折射 現象,於是有了掠射式望遠鏡 (Wolter telescope) 的發明, 製造原理是讓 X 光以近乎平行的角度照射在金屬板上發生反射、再聚焦成像,主要用於 100 eV ~ 10 KeV 的軟 X 光成像。1963 年在 天蠍座 (Scorpius) 發現了第一個 X 光源 (天蠍座 X-1) 的賈科尼探空火箭上安裝了第一個能成像的 X 光探測器。目前大部分 X 光天文衛星上都安裝了掠射式望遠鏡,口徑和解析度都在不斷提高。例如 1978 年發射升空的美國航空暨太空總署 (NASA) X 光 望遠鏡高能天文台 2 號 (HEAO 2) 衛星 (愛因斯坦衛星)是首顆應用大型掠射式望遠鏡的 X 光天文衛星。但是掠射式方法不適用於硬 X 光,通常改採取調製型成像技術 (Modulation collimator),常用的有編碼孔成像,採用此技術的有歐洲的國際伽瑪射線天體物理實驗室(INTEGRAL)等。 至於尚在開發中的 X 光偵測方式,依其功能還有許多不同的類型。

明日主題 : X 光太空天文台攝影特展 (7): 20 世紀 40 ~ 60 年代的 X 光觀測史
天文史上的今天 : 1961 年 4 月 6 日,比利時免疫學家、微生物學家朱爾•博爾代 (Jules Jean Baptiste Vincent Bordet,1870.6.13.-1961.4.6.) 逝世。他在 1906 年發現了百日咳桿菌,因此百日咳博德特氏菌(Bordetella)是由他命名的。1919 年他榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。  
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    主編 : 陳輝樺                 
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