DAG-LAB
Doğu Anadolu Gözlemevi Odak Düzlemi Aygıtları Geliştirme Laboratuvarı, Kalkınma Bakanlığı desteği ile 2017 yılında kurulum çalışmalarına başlamış, yeni test ve kalibrasyon ölçüm ortamları eklenerek hala gelişmeye devam etmektedir. Laboratuvarımız, İstanbul Üniversitesi Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümü içerisinde yer almakta yönetimsel olarak İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi bünyesinde faaliyetlerini sürdürmektedir.
Laboratuvarımız temel olarak Doğu Anadolu Gözlemevi için kullanılması planlanan odak düzlemi aygıtlarının test, kalibrasyon ve kabul çalışmalarını yürütmek amacıyla kurulmaya başlanmıştır. Elde edilen, sürekli güncellenen altyapı ve işbirlikleri sayesinde odak düzlemi aygıtı üretimi ve testlerinde de ülkemize ve bilim dünyasına hizmet etmeyi amaçlamaktadır.
Bu öngörüler doğrultusunda 2019 yılı itibari ile Durham Üniveristesi ortaklığında Royal Society (İngiltere) fonu ile destek alarak MKID projesinin Türkiye ayağını başlatmış bulunmaktadır. Yeni nesil detektörlere atılım yaparak teknolojiyi geriden takip etmek yerine, teknolojiye gelişme aşamasında ayak uydurma fikri benimsenmiştir.
Laboratuvarımız 29 Kasım 2019 Cuma günü T.C. Cumhurbaşkanlığı Himayelerindeki TABIP Programı ile ortaklaşa düzenlenen etkinlikte İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi'nin de dahil olduğu "2023 Vizyon Projesi Olarak Türkiye'nin Uzaya Açılan Yeni Penceresi: Doğu Anadolu Gözlemevi" projesinin tanıtımı ile beraber açılışı yapılmıştır.
Test ve Kalibrasyon yapabilmek amacıyla laboratuvar aletleri aşağıdaki ölçüm düzeneklerine kurgulanabilmektedir.
Spektral Fotoakım Ölçümü:
Fotodedektörü karakterize eden en önemli parametre, basit hesaplamalar yardımıyla, fotodedektörün hangi dalgaboyu aralığında hangi verimde çalıştığı bilgisine ulaşılan spektral fotoakım karakteristiğidir. Bir fotodedektörde spektral fotoakım, belirli bir geri besleme altında dalgaboyuna bağlı fotoakım değişimden aynı besleme voltajında ölçülen karanlık akım çıkartılarak elde edilir. Bu ölçümlerden elde edilen ham veriler kullanılarak sırasıyla spektral duyarlılık ve spektral kuantum verimi elde edilir.
Spektral fotoakım ölçüm düzeneği Sekil 1’de verilmektedir. Işıma şiddeti ve dalgaboyu ayarlanabilen ışık, doğrudan veya fiber optik kablo yardımıyla örnek üzerine dik olacak şekilde gönderilir. Belirli bir geri besleme voltaj değeri altında dalgaboyu değiştirilerek her bir dalgaboyu aralığında ampermetre yardımıyla akım ölçülür.
Şekil 1
Geçirgenlik Ölçümü:
Astronomide önemli bir yere sahip olan filtre ve lensler gibi optik elemanların karakteristiğinin kesin bilinmesi gereklidir. Üretilen, kullanılan ya da satın alınan malzemelerin karakteristiklerinin doğruluğu, kullanım sonucu olan değişmelerin tespiti için geçirgenlik ölçümleri yapılır.
Geçirgenlik düzeneği Şekil 2’de verilmektedir. Geçirgenlik ölçümü farklı dalgaboylarına ayarlanabilen ışık kaynağı teker teker her dalgaboyunda malzeme üzerinden dik gönderilen ışığın şiddetindeki değişme kaydedilir. Malzemenin olmadığı şartta alınan aynı koşullardaki sonuçlar ile ilk veri normalize edilerek malzemenin dalgaboyuna bağlı geçirgenlik eğrisi elde edilir.
Şekil 2
Yansıma Ölçümü:
Doğadaki tüm malzemeler gelen elektromanyetik dalganın bir kısmını ya da tamamını ya yansıtırlar ya absorplarlar ya da geçirirler. Dolayısıyla optik veya optoelektronik tüm aygıtların elektromanyetik dalganın dalgaboyuna bağlı yansıma spektrumlarının belirlenmesi çok önemlidir. Dalgaboyuna bağlı yansıma Şekil 3’te verilen yansıma deney düzeneği yardımıyla belirlenebilir.
Şekil 3
Monokromatör yardımıyla dalgaboylarına ayrılan beyaz ışık bileşenleri sırasıyla, ışın bölücü (chooper) ve demet bölücüden (Beam Splitter) geçerek ikiye ayrılır. Gelen elektromanyetik dalganın bir kısmı, kuazi beyaz ışığın spektrumunu alıp elde edilen R(l) spektrumunu normalize etmek için kullanılan dalgaboyundan bağımsız fotodedektör olan Pyro dedektöre gönderilirken bir kısmı da örnek yüzeyine dik bir şekilde düşürülür. Gelen fotonlarla aynı açıyla yansıyan fotonlar tekrar aynı ışın bölücüden geçirilerek ışın bölücünün boşta kalan kısmında bulunan fotodedektöre gönderilir. Fotodedektörden çıkan elektrik sinyali Lock-in Yükselteci’ne (Stanford Research Systems LIA) gönderilir. LIA’da ışın bölücünün frekansı ile aynı frekansa sahip sinyaller yükseltilir ve bilgisayara gönderilir.
Fotoışıma Ölçümü
Fotoışıma olayı, yarıiletkenlerin etkin bant aralığı ve ışımalı tuzak seviyelerinin enerjileri hakkında bilgi vermektedir. Fotoışıma olayının gözlenebilmesi için örnek üzerine gönderilen elektromanyetik dalganın enerjisi, bant aralığı enerjine eşit ya da bant aralığı enerjisinden daha büyük olmalıdır.
Yarıiletken üzerine gönderilen yeteri kadar enerjiye sahip fotonlar yarıiletkenin valans bandında bağlı bulunan bir elektronu gelen fotonun enerjisine bağlı olarak iletkenlik bandının üst seviyelerine çıkartır. Üst seviyelere çıkan elektron sahip olduğu fazla enerjisini fononlarla etkileşim sonucu örgüye aktararak iletkenlik bandının işgal edilebilir en alt seviyesine iner. Elektron ışımalı ya da ısıtmasız olarak iletkenlik bandından valans bandına iner. Bu ışımalı geçişe fotoışıma denir. Fotoışıma enerjisi örneğin bant aralığına karşılık gelmektedir.
Şekil 4
Fotoışıma deney düzeneği Şekil 4’te verilmektedir. Ayarlanabilir ışık kaynağından çıkan fotonlar ışın bölücü yardımıyla belirli bir frekansta modüle edilir. Modüle edilen ışık tam yansıma yapacak şekilde örnek üzerine gönderilir. Örnekten farklı yönlerde ve farklı dalgaboylarında çıkan fotonlar mercekler yardımıyla monokromatörün giriş bölmesine gönderilir. Monokromatör yardımıyla ışıma dalgaboyları taranarak monokromatörün çıkış bölmesinden fotodedektöre gönderilir. Fotoedektörde elde edilen elektrik sinyali, ışın bölücünün frekansına kitlenen LIA’ya gönderilir. LIA’da referans frekansındaki sinyaller yükseltilerek bilgisayara gönderilir. Monokromatörde belirlenen her bir dalgaboyu adımına karşı elde edilen sinyal, bilgisayar programları (Labview, Matlab vb.) yardımıyla eş zamanlı olarak elde edilir.
MKID’ler (Microwave Kinetic Inductance Detector) süperiletken tabanlı, düşük sıcaklık (çalışma sıcaklığı, 100 mK) detektörü sınıfında yer alan ve astronomide özellikle uzun dalgaboylu fotonların tespitinde kullanılan bir algılayıcı teknolojisidir. Özellikle son 15 yılda yapılan çalışmalar ile günümüzde optik ve yakın kızılötesi bölgeye duyarlı MKID dizileri de geliştirilmiştir. Süperiletken tabanlı olması sebebiyle kara akım ve okuma gürültüsü üretmeyen bu detektör, üzerine düşen her bir fotonun oluşturduğu etkiyi algılayabilmektedir. Böylece bir foton sayacı gibi davranabilen detektör ile mikro saniyelere varan zaman çözünürlüklerine ulaşabilmek mümkün olmaktadır. MKID tabanlı algılayıcılar ayrıca gelen fotonların tek tek enerjisini de ölçebilmekte ve herhangi bir optik eleman içermeden (filtre, kırınım ağı vb.) çok düşük çözünürlüklü bir spektrograf gibi de kullanılabilmektedir (R≈25). Oldukça basit bir optik düzeneğe sahip MKID’ler bu sayede toplam sistem verimliliği açısından da son derece etkileyici algılayıcılardır. Bu sayede hem daha da kırmızı öte bölgeye duyarlı olabilecek
son derece etkileyici algılayıcılardır. Bu sayede hem daha da kırmızı öte bölgeye duyarlı olabilecek (H bandının sonuna kadar) hem de daha sönük cisimleri gözleyebilecektir.
Şekil 1 Day ve ark. (2003)
Şekil 1’de bir MKID hücresinin çalışma diyagramı verilmiştir, (a) süperiletkenin bant aralığı Δ, durum yoğunluğu Ns(E) – Enerji diyagramında gösterilmektedir. hv enerjili bir foton süperiletken film tarafından soğurulduğunda, Cooper çifti C bozunumu ve çok sayıda uyarılmış sanal parçacıklar üretilir. (b) Bu sanal parçacıkları hassas bir şekilde ölçebilmek için, ince film yüzeyinde yüksek frekanslı düzlemsel rezonans devreleri bulunmaktadır. Diyagramın sağında, Rezonatör’e gönderilen bir mikrodalga uyarım sinyalinin genliği (c) ve fazı (d) frekansın bir fonksiyonu olarak gösterilmektedir. İnce filmi, yüzey empedansının değişmesi ile birlikte soğurulan bir foton, düşük frekansta rezonansa girmeye zorlar ve genliği değişir. Detektör (rezonatör) mikrodalga sinyali ile uygun rezonansta uyarıldığında, faz derecesindeki ve genliğindeki kayma miktarını ölçebiliriz. Bunun sonucunda soğurulan fotonun enerjisini belirleyebiliyoruz. [Day, P. K., 2003]
1960’lara dayanan bu alandaki çalışmalar, elle tutulur sonuçlara Titanyum Nitrat (TiN) ve Platinyum Silisid (PtSi) malzemeler ile ulaşılmıştır. [Zmuidzinas, J., 2012] Tablo 1 ve Şekil’2 de günümüzde elde edilen en optimum parametreler bulunmaktadır. TiN malzemenin üretimi PtSi malzemeye göre daha eski olduğunda ilk üretilen MKID, TiN malzemeden üretilmiş olan ARCONS: 2024 piksele sahiptir. [Mazin, B. A., 2013] Günümüz TiN üretimi teknikleri ile büyük homojen düzlükler elde edilemediğinden detektör üzerine daha fazla dizi sığdırılamamıştır (Şekil 3). PtSi malzemenin keşfi bu boşluğu doldurarak büyük homojen düzlükler elde edilebilir hale gelmiştir. Bunun son örneği DARKNESS: 10000 piksele sahiptir. [Szypryt, P., 2016]
Şekil 2 Geçirgenlik, Yansıtıcılık ve Absorbsiyon Spektrumu
Tablo 1 TiN ve PtSi için önemli parametreler
| Malzeme | Kritik Sıcaklık | Internal Quality Factor Qi | Enerji Çözünürlüğü | Sanal Parçacık Yaşam Süresi τq | Optik Absorbsiyon |
| TiN | 800 mK | > 10^6 | 8 - 10 | 50 – 100 µs | 35 |
| PtSi | 850-910 mK | 150000 | 8 | 20 µs | 20 - 40 |
Şekil 3 TiN ve PtSi Malzeme için Homojenlik Diyagramı
Şekil 4 ARCONS: 2024 piksele sahip TiN malzemeden üretilen ilk MKID versiyonu
ARCONS başarılı deneyime sahip üretilmiş ilk MKID örneğidir. 44 x 46 pikseli bulunan bu dedektör Palomar 200 ve Lick 120 teleskoplarında toplamda 34 gece gözleminde odak düzlemi aygıtı olarak kullanılmıştır. Bu gözlemler sayesinde ilk bilimsel UVOIR MKIDs makalesi yayımlanmıştır
Şekil 5 ARCONS tarafından Arp 147 galaksisinin Palomar 200 inch teleskobu ile yaklaşık birer dakikalık pozlama ve 36 mozaik görüntünün birleştirilmesi ile oluştu. (HST: Hubble Uzay Teleskobu) [Mazin, B. A., 2013]
DARKNESS: 10000 piksele sahip PtSi malzemeden üretilen en son MKID versiyonu soğutucu sistemi ile beraber görülmektedir. (Üst bulunan çember içerisindeki dikdörtgen detektör yongası ve alt bölümde yer alan metalik silindir adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) görülmektedir). MKID’in soğutucu sitemi, öncelikle geleneksel olarak kapalı devre sıvı He dolaştırılarak 4 K’e ardından kompresör vasıtası ile 3.3 K soğutulduğunda ADR devreye girerek, sistemi yaklaşık 50 µK’e kadar soğutmakta ve çalışma anında yaklaşık 100 mK sıcaklıkta >13 saat boyunca sistemin istikrarlı olarak çalışmasına olanak sağlamaktadır.
Bu sistemler için aşılması gereken en büyük problem okuma devreleridir. Şuan kullanılmakta olan CASPER ROACH 2 radyo astronomi teleskoplarında kullanılan sistemlerden modifiye edilmiştir. Basitçe senkron çalışan iki sisteme sahiptir. Tetikleyici ve okuyucu eşzamanlı çalışmalıdır fakat sistemin yavaşlığı bu senkronizasyonu sıkıntıya sokarak sistemin çalışmasına sıklıkla neden olduğu görülmüştür.
Şekil 6 Şematik olarak okuyucu devresi gösterimi
Şekil 7 CASPER ROACH 2
Artan piksel sayısı ve malzeme tabanındaki gelişim daha hızlı çalışmayı kaldırabilecek okuma devreleri tasarımına neden olmaktadır. Bu nedenle 5G teknolojisi için kullanılan hızlı sinyal işleme tabanlı kartların kullanılması düşünülmektedir. Laboratuvar olarak bu kartın çalıştırılması ve FPGA sisteminin öğrenilmesi amaçlanarak bu kartlardan elde edinilmiştir.
Durham Üniversitesi ve İstanbul Üniversitesi iş birliği ile bu sistemlerin çalıştırılması için Royal Society Advanced Newton Fellowship bursu kapsamında fonlama alınmış olup, Gözlemevimiz laboratuvarları ve Üniversitemiz Nano ve Optoelektronik Araştırma Laboratuvarı imkânları ile dedektör ve okuma devrelerinin testlerinin yapılması planlanmaktadır.
Fiziksel olarak iki bölümden oluşan laboratuvarımız; Araştırmacılar için çalışma alanı ayrıca çalışma tezgâhlarının bulunduğu giriş bölümü ve içerisine filtrelenmiş hava ile pozitif basınç altında tutulan deneysel ölçümlerin yapıldığı karanlık oda bulunmaktadır.
Temel olarak test ve kalibrasyon ölçümleri yapılması amacıyla oluşturulan tematik laboratuvarımızda şu an için 3 x 1,5 metre ebatlarımda sabit yalıtımlı ayakları üzerine oturtulmuş optik masa, ayrıca 1 x 1 metre ebatlarında hareket ettirilebilir bir optik masa bulunmaktadır. Sabit ayaklar üzerinde bulunan optik masa üzerinde kurgulanan ana deney elemanları olarak ayarlanabilir ışık kaynağı, Lock-in Yükseltici, Optical Chopper bulunmaktadır.
Ayarlanabilir ışık kaynağı Newport TLS260-300X modeli olup 200 nm dalga boyundan mikrometre dalga boyuna kadar 5 nm spektral çözünürlükte 0.11 nm adımlar ile monokromatik ışık sağlamaktadır. Ayrıca eklenecek bir ışık kaynağı ile uzak IR bölgede de çalışabilmektedir. Ayarlanabilir ışık kaynağı üzerinde bulunan filtre tekeri ve Monokromatör ayrı olarak da kullanılabilme imkânı bulunmaktadır.
Newport LIDA-SRS-KIT sistemi içerisinde SRS SR810 DPS Lock-in yükseltici ve Optical Chopper bulunmaktadır. Bu sistem farklı dalga boylarına duyarlı üç kalibre edilmiş dedektör ile birlikte çeşitli test ve kalibrasyon çalışmalarında kullanılmaktadır. Bu üç dedektör; Silikon tabanlı (200-1100 nm), Germanyum tabanlı (700-1800 nm) ve Kurşun Sülfür tabanlı (700-3000 nm). Radyometre sistem sayesinde dedektörlerin ürettiği 2 nV – 1V aralığında oluşan gerilim hassasiyeti ölçülebilmekte ve 2 – 100 Hz sinyaller yakalanabilmektedir ayrıca optical chopper sistemi ile dedektörlerin hassasiyetleri kontrol edilebilmekte dedektör hassasiyeti yükseltilerek daha sönük kaynaklar dedekte edilebilmektedir.
Çeşitli kurgular sonucunda optik masa üzerinde;
- Üretilmiş bir dedektörün dalga boyuna bağlı olarak duyarlılığı ve Kuantum Verimliliği gibi önemli parametreleri elde edilebilmekte,
- Kalibreli filtrelerin çalışma sonucunda oluşan kayıpları tespit edilebilmekte,
- Filtre olarak kullanılması planlanan materyallerin geçirgenlik ve yansıtıcılık ölçümleri yapılarak kalibrasyon bilgileri elde edilebilmekte,
- Sistemle berber kullanılacak hassas bir multimetre ile elektronik aygıtların Akım-Voltaj karakteristikleri belirlenmekte,
- Çeşitli ışık kaynaklarının lineerlikleri ve ışınım yaptığı dalga boyu tespit edilmektedir.
Laboratuvarımızda çalışılması planlanan MKID için de okuma devrelerinde kullanılan elektronik iletişim sistemleri çalışılmaktadır. Bu amaç doğrultusunda bir masa ve güçlü bir bilgisayar yardımıyla elektronik sisten kurgulanmakta ve FPGA öğrenme çalışmalarını destekleyici eğitim malzemeleri kullanılmaktadır.
XILINX Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU111 Evaluation Kit ile birlikte 5G teknolojisi temelinde kurgulanmış bu sistem MKID için daha hızlı bir okuyucu olarak modifiye edilmektedir. Sıstem için FPGA bilgisi gerekli olduğunda XILINX tabanlı eğitim kartı BASYS 3 kullnılmaktadır.
Laboratuvarımız 3D yazıcı imkanına sahip olup gerek görüldüğünde istenilen araç ve tutucular dizayn edilerek üretimi de sağlanabilmektedir.
