| Esperimenti amatoriali
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La
foto seguente mostra il primo prototipo di ricevitore SHF realizzato
dall'autore, utilizzato per il monitoraggio della radiazione solare,
descritto nel documento "Un sensibile radiometro per la banda SHF".
La stazione è equipaggiata con un'antenna
piatta quadrata ad array di fessure comprendente l'LNA e la
possibilità di cambiare la polarizzazione di ricezione
(orizzontale o verticale).
Il sistema (funzionante come
radiometro) è stato installato in una località periferica
cittadina ed è collegato ad un PC portatile che visualizza e
registra il livello del segnale rivelato in funzione del tempo. Alle
liste di dati delle registrazioni (comprendenti due colonne di 615
campioni ciascuna, dove ogni riga è composta dall'informazione
oraria e dal valore del campione ricevuto) sono state aggiunte alcune
informazioni di servizio riguardanti il nome del file, la data di
inizio osservazione ed il numero di campioni mediati per ottenere ogni
dato significativo (tempo di integrazione del segnale).
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La stazione ricevente ha funzionato grazie alla preziosa collaborazione del Dr.
Piergiorgio Bastianoni, fisico ed astronomo che ha seguito da vicino le
procedure di test e di calibrazione dell'impianto. |
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| Stabilità dei ricevitori radioastronomici total-power |
La
stabilità di un ricevitore total-power, che risulta uno dei
parametri più importanti per questa tipologia di sistemi
riceventi, è notevolmente influenzata dalla temperatura
dell’ambiente dove è installato il sistema e dal
raggiungimento della
temperatura operativa di regime dei dispositivi elettronici interni:
collegati
tutti i componenti della catena ricevente, è consigliabile procedere alla
definitiva messa
a punto dell’impianto solo dopo un’ora
dall’accensione del sistema.
Da misure sperimentali si è visto come il
fattore
principale che limita la stabilità della linea
di base radiometrica (la risposta del ricevitore total-power quando
sono assenti
radiosorgenti sul fascio d’antenna) sia l’escursione
termica giornaliera alla
quale è sottoposta l’unità esterna LNAC
(illuminatore e qualsiasi front-end preamplificatore RF posto
all'esterno, tipicamente sul fuoco dell'antenna a riflettore
parabolico): tali variazioni di temperatura provocano
variazioni molto piccole nel guadagno del front-end sufficienti,
tuttavia, ad
indurre significative fluttuazioni nel livello di riferimento a causa
della
notevole amplificazione complessiva del ricevitore.
L’entità delle variazioni
dipende dall’ampiezza delle escursioni termiche e dalla qualità del LNAC
utilizzato.
Per ottenere le migliori prestazioni si consiglia di
stabilizzare termicamente l’unità esterna ed il ricevitore
vero e proprio. Questo intervento è determinante per
la qualità delle osservazioni.
Importanti
informazioni sui ricevitori radioastronomici total-power, insieme ad
esempi di osservazioni amatoriali, si trovano sul documento "Manuale d'uso del RAL10". |
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| Calibrazione del ricevitore |
Il
segnale all’uscita di un radiometro é
direttamente proporzionale alla potenza associata alla radiazione incidente
mediata entro la banda passante dello strumento, quindi alla temperatura di
brillanza della regione di cielo “vista” dal fascio d’antenna. Il radiometro si comporta come un termometro
che misura la temperatura equivalente di rumore dello scenario celeste
osservato.
Se
l’antenna è puntata verso una regione di cielo sereno ed asciutto dove sono
assenti radiosorgenti (la cosiddetta atmosfera
chiara, con assorbimento atmosferico trascurabile), si misura una
temperatura equivalente di rumore molto bassa (riconducibile alla radiazione
fossile a 3 K), generalmente dell’ordine di 6-10 K (il cielo freddo), che corrisponde alla minima temperatura rilevabile
dallo strumento e tiene conto delle perdite strumentali. Anche considerando
minimi contributi dovuti a piccole radiosorgenti e al rumore dell’atmosfera, se
il puntamento dell’antenna si mantiene ad almeno 15° sopra l’orizzonte e
lontano dal Sole, si può ipotizzare una temperatura equivalente di rumore
d’antenna fra qualche grado e poche decine di gradi (in quest’ultimo caso
dovuta principalmente ai lobi secondari).
Puntando l’antenna sul terreno, la
temperatura sale a valori dell’ordine di 300 K (circa 273 K + la
temperatura ambiente), se é interessato tutto il fascio di ricezione dell’antenna.
Quando
una tipica antenna per TV-SAT (ampiezza del fascio dell’ordine di 2°-3°) è
puntata sul Sole (dimensione apparente di circa 0.5° e caratterizzato, alla
frequenza di 11 GHz, da una temperatura di rumore circa uguale a quella
superficiale di 6000 K), il sistema “vede” una sorgente con temperatura
dell’ordine di 396 K. La radiazione del
fondo cosmico “diluisce” la potente radiazione del Sole (si passa dal valore
6000 K al valore, nettamente inferiore, di 396 K) se il fascio d’antenna è
ampio al punto di raccogliere un significativo contributo di radiazione esterna
(con brillanza molto inferiore). La radiazione di fondo, captata in buona
percentuale dalla corona più esterna del lobo d’antenna, diminuisce l’ampiezza
del segnale ricevuto come se questo provenisse da una sorgente con temperatura
nettamente inferiore a quella reale.
Analoga
situazione si verifica se fra il “cielo freddo” e
l’osservatore si localizzano
formazioni nuvolose (idrometeore in generale) variabili in
composizione,
spessore ed altezza dal suolo, caratterizzate da una temperatura
equivalente di
rumore ampiamente variabile fra 200 K e 260 K. A queste frequenze
operative può
diventare importante il contributo disturbante della troposfera con le
sue
fluttuazioni ed irregolarità: è interessante osservare
come eventuali
idrometeore “viste” dall’antenna siano in grado di
mascherare la radiazione
cosmica del cielo freddo comportandosi come sorgenti diffuse ed
irregolari
caratterizzate da temperatura superiore rispetto al fondo (si vedano le
figure seguenti che illustrano il contributo della troposfera terrestre
alle osservazioni radioastronomiche in banda SHF).
Tale
peculiarità è largamente utilizzata in applicazioni di meteorologia (frequenze
operative intorno a 22 GHz), dove sensibili radiometri a microonde “guardano” la Terra da satelliti
artificiali localizzando e misurando la temperatura equivalente di rumore delle
idrometeore e delle nubi di gas e/o vapori inquinanti.
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Il
grafico sopra mostra l’intervallo dinamico (espresso in
temperature equivalenti di rumore) delle osservazioni possibili con un
tipico ricevitore total-power amatoriale (ad esempio RAL10).
Registrando il livello della traccia radiometrica
corrispondente al puntamento dell’antenna in una regione del
cielo “fredda” (libera da radiosorgenti, in atmosfera
chiara, alla quale corrisponde una temperatura equivalente pari a circa
10K) e, successivamente, registrando il livello corrispondente al
puntamento dell’antenna verso il terreno (temperatura di rumore
equivalente dell’ordine di 290-300K), si ottiene la verifica del
corretto funzionamento del sistema ricevente ed una prima calibrazione
(approssimata) dello strumento.
Calibrare un radiotelescopio
total-power significa creare una corrispondenza univoca e ben definita
fra i livelli di tensione relativi misurati all’uscita dello
strumento e la scala delle temperature equivalenti di rumore espresse
in gradi K. |
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| L'immagine
evidenzia il tipico procedimento di verifica iniziale sul corretto
funzionamento del radiotelescopio (largamente utilizzato in campo
amatoriale), insieme ad una approssimativa calibrazione del sistema
ricevente, utilizzando come radiosorgente di prova il Sole (componente
termica della radiazione nella banda 10-12 GHz). |
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In questa banda di frequenze
(SHF: Super High Frequency, da 3 GHz a 30 GHz) è importante il
meccanismo di emissione termico delle radiosorgenti, collegato alla loro temperatura superficiale: in base alla legge di Planck
tutti i corpi materiali irradiano, per effetto termico, più o
meno efficientemente secondo la temperatura fisica e la capacità
di assorbimento del corpo stesso.
Ricevitori Total-Power (radiometri) e
radiospettrometri a microonde |
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Esempi
di realizzazioni amatoriali (e prove di laboratorio) di ricevitori
total-power a microonde (radiometri SHF), operanti nell'intervallo di
frequenze 10.7-11.8 GHz, completi di sistema automatico per
l'acquisizione dei dati tramite PC.
Nello schermo del computer si vede la traccia lasciata dalla radiazione termica solare durante una prova di ricezione. |
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Curva di Planck di emissione di un corpo nero alla temperatura di 2.735 K.
Per lunghezze d'onda superiori a circa 300 mm è dominante la
radiazione galattica diffusa tipo sincrotrone, mentre a lunghezze
d'onda inferiori a circa 30 mm è dominante l'emissione
atmosferica.
I punti neri rappresentano le osservazioni della radiazione fossile
fatte da terra (fra 300 e 30 mm di lunghezza d'onda), da razzi e da
satelliti.
Si vede come i punti si adattino alla curva teorica del corpo nero a
2.735 K ad eccezione delle osservazioni dell'esperimento
Berkeley-Nagoya (comunque non confermate dal satellite COBE)
(illustrazione tratta da "L'universo alle soglie del duemila" di M.
Hack - Superbur saggi).
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| La componente termica della radiazione solare a microonde |
(fare click sull'immagine per ingrandirla) |
Nelle immagini sono mostrate alcune registrazioni total-power relative
al transito del disco solare sul fascio d'antenna di un radiometro SHF
dilettantistico.
Si tratta delle registrazioni della radiazione termica del Sole alla
frequenza di 10 GHz (particolare del transito del disco solare sul
fascio di antenna). La componente termica solare in banda X,
relativamente stabile, può essere utilizzata come segnale di
prima calibrazione dell'impianto ricevente, oppure per determinare le
caratteristiche del sistema di antenna (diagramma di ricezione in
potenza). Particolarmente interessante
è il monitoraggio dell'emissione solare in banda X
(realizzabile, ad esempio, con il ricevitore RAL10 accoppiato ad un
piccolo ed economico sistema di antenna per TV-SAT del diametro di 80 -
150 cm, purchè provvisto di motorizzazione per l'inseguimento
automatico).
L'emissione radio solare
è essenzialmente scomponibile in due componenti: la radiazione
termica del "Sole quieto" e quella del "Sole disturbato", associata ad
eventi peculiari e transitori nel disco (macchie, eruzioni...).
Per frequenze operative intorno a 10 GHz la componente più
importante è quella termica, anche se, sporadicamente e
sovrapposti ad essa, si registrano picchi di emissione dovuti alle
radio-tempeste solari associate alle macchie, ancora registrabili in
banda X e facilmente distinguibili (si veda la figura seguente). Come
è noto, la stabile componente termica della radiazione è
associata alla temperatura fisica della corona e corrisponde, nel caso
delle registrazioni mostrate, alla traccia gaussiana dovuta al transito
del disco entro il fascio di ricezione dell'antenna puntata verso il
meridiano. Molto spesso, in
corrispondenza dei centri di attività sul disco solare, si
registrano picchi di radioemissione sporadici sovrapposti alla
componente termica stazionaria: è di grande interesse
scientifico, molto istruttivo e alla portata del radioastronomo
dilettante (oltre che di scuole od istituzioni scientifiche educative),
monitorare la variabilità temporanea delle radioemissioni solari
in banda X correlabili con i corrispondenti fenomeni ottici (flares). |
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| Osservare la Luna |
Nell'immagine seguente si vede una registrazione
del transito lunare effettuata con il sistema RAL10
ed un’antenna parabolica per TV-SAT da 1.5 metri di diametro
(cortesia sig. M. Mallardi).
La radiazione termica della Luna è ben visibile
con il nostro radiotelescopio: la sua emissione è conseguenza del fatto che
l’oggetto emette approssimativamente come un corpo nero caratterizzato da una
temperatura dell’ordine di 300 K. Se nel visibile l’emissione della Luna è
quasi esclusivamente conseguenza della luce riflessa del Sole, nella banda
delle microonde si registra un’emissione dovuta alla temperatura propria
dell’oggetto, ben superiore allo zero assoluto, che spicca rispetto al cielo
“freddo”. |
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| Progetti & Approfondimenti |
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 Analisi di un ricevitore radioastronomico total-power [doc .PDF].
E' presentata un'analisi sul funzionamento di un ricevitore total-power
a microonde, in particolare nella banda 10-12 GHz. Pur di
validità generale, il documento si propone di confrontare i
risultati teorici che emergono dall'analisi con quelli pratici delle
osservazioni, con particolare attenzione alla verifica delle reali
possibilità osservative del sistema RAL10 Microwave Radiometer
di RadioAstroLab quando equipaggiato con antenne commerciali
provenienti dal mercato TV-SAT.
RAL10 Microwave Radiometer con software RADIOmetrica
Questo ricevitore total-power
è lo strumento ideale per tutti gli appassionati di
radioastronomia, per i gruppi di astrofili, per le scuole: collegato
alla porta seriale RS232 di un computer, grazie al software
RADIOmetrica, consente l'acquisizione automatica, 24 ore su 24, dei
valori di potenza associati alla radiazione elettromagnetica captata
dallo scenario "visto" dal sistema di antenna.
L'utilizzo di componenti commerciali per la ricezione TV-SAT semplifica
l'installazione ed ottimizza l'economia del sistema: collegando uno
qualsiasi dei convertitori LNAC (10.7-11.8 GHz / 950-2050 MHz) completo
di antenna a riflettore parabolico, distribuiti a basso prezzo in tutti
i supermercati dell'elettronica, è possibile attivare un
semplice e versatile radiotelescopio.
Un sensibile radiometro per la banda SHF (10-12 GHz) [doc .PDF].
Si propone la costruzione di
un sensibile radiometro in banda SHF dotato di interfaccia di
acquisizione dati attraverso la porta parallela del PC. Lo strumento, economicamente conveniente e relativamente semplice da
costruire, utilizza un sintonizzatore commerciale per ricevitori TV-SAT
e può essere calibrato per effettuare precise misure
radiometriche, oltre che per iniziare monitoraggi SETI a livello
amatoriale.
Registrazioni di prova con il radiometro SHF [doc .PDF].
Alcune registrazioni di prova effettuate con il radiometro SHF (10-12 GHz).
Indispensabili
operazioni di calibrazione e riduzione dati per radiotelescopi
dilettantistici funzionanti nella banda SHF [doc .PDF].
Determinazione sperimentale
del Power Pattern di un'antenna radioastronomica. Stima della
temperatura equivalente di rumore d'antenna e calibrazione dei dati in
uscita al ricevitore.
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Radiazione del fondo cosmico
a microonde
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Negli anni '60,
R. Wilson e A. Penzias, due ingegneri della Bell Telephone Co.
impegnati nello studio delle cause di rumore che disturbavano le prime
trasmissioni radiotelevisive via satellite, lavorando alla frequenza di
4.08 GHz con una grossa antenna a corno (apertura di 6.2 metri),
scoprirono la presenza di una radiazione imprevista: effettuando
una scansione in tutte le direzioni dello spazio si registrava un
rumore di fondo abbastanza costante (equivalente alla temperatura
assoluta di circa 2.7 K) indipendente dalla direzione di puntamento
dell'antenna e dall'ora di osservazione.
La scoperta è di notevole importanza
cosmologica: l'isotropia della radiazione di fondo (che riempie
uniformemente tutto lo spazio) sembra essere il residuo fossile causato
dalla successiva espansione della radiazione che permeava l'universo
nei suoi primissimi istanti di vita, come prevede la teoria cosmologica
del "Big Bang".
Successivamente, tramite il satellite Cosmic
Background Explorer (COBE) e diversi esperimenti condotti da razzi, da
palloni-sonda e da terra, sono state programmate numerose verifiche per
determinare con precisione il valore della radiazione di fondo, confermando
la caratteristica proprietà dell'isotropia ed il fatto che il
suo spettro è molto simile a quello di un corpo nero in
equilibro termico alla temperatura di 2.735 K (si veda la figura mostrata sotto). |
Finestra radio a microonde
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Nella
figura seguente è riportata la cosiddetta "finestra radio a
microonde", dalla quale si vede come la regione di frequenze comprese
fra circa 1 GHz e 10 GHz sia quella caratterizzata dal minore rumore di
fondo, quindi particolarmente adatta alla realizzazione di piccoli
radiotelescopi amatoriali in banda SHF. |
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| Il contributo della troposfera |
Quando si opera a frequenze superiori a
10 GHz può diventare importante il contributo disturbante della
troposfera con le sue fluttuazioni ed irregolarità: è
interessante osservare come eventuali idrometeore “viste”
dall’antenna, soprattutto se é impostato un elevato valore
di guadagno per l’amplificatore di post-rivelazione, siano in
grado di mascherare la radiazione cosmica del cielo freddo
comportandosi come sorgenti diffuse ed irregolari, caratterizzate da
temperatura superiore rispetto al fondo.
Le registrazioni mostrate in basso evidenziano bene questi fenomeni: se
fra il “cielo freddo” e l’osservatore si localizzano
formazioni nuvolose (idrometeore in generale) variabili in
composizione, spessore ed altezza dal suolo, il radiotelescopio
“vede” uno scenario caratterizzato da una temperatura
equivalente di rumore ampiamente variabile fra 200 K e 260 K, ben
superiore a quella di fondo del “cielo freddo”. |
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(fare click sull'immagine per ingrandirla) |
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Si
vede il contributo disturbante dell'attività meteorologica
(troposfera) sulle osservazioni radioastronomiche effettuate a
frequenze superiori a 10 GHz.
In basso è mostrato un esempio di registrazioni del transito
lunare effettuato in giorni consecitivi caratterizzati da differenti
condizioni "meteo", con cielo perturbato da formazioni nuvolose di
varia entità. |
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| Esempi di realizzazioni amatoriali di elevato livello... |
Esempio
di ricevitore Total-Power di elevate prestazioni e stabilità: si
tratta del prototipo di RAL11 Microwave Radiometer, evoluzione
professionale del prodotto RAL10 Microwave Radiometer, in fase di valutazione e di test prima della commercializzazione (che avverrà a cura di RadioAstroLab).
L’apparecchio è caratterizzato da prestazioni di livello
professionale, elevata sensibilità e stabilità, con
sistema di acquisizione equipaggiato con ADC ad elevata risoluzione (16 bit) e catena amplificatrice di media frequenza con elevata dinamica e basso rumore.
Il sistema ricevente è termostabilizzato per garantire una deriva minima della misura radiometrica. |
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Nella
figura seguente si vede il tracciato del transito (non al meridiano)
della radiosorgente Taurus A (Crab Nebula, residuo di supernova)
registrato al limite della sensibilità strumentale con il
ricevitore RAL11 collegato ad un’antenna a riflettore parabolico
con diametro di 1.5 metri.
Il flusso della radiosorgente, alla frequenza di 10 GHz, è pari a circa 500 Jy (si veda la tabella delle radiosorgenti in fondo alla pagina che descrive il ricevitore RAL10). |
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(fare click sull'immagine per ingrandirla) |
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| La struttura di un ricevitore Total-Power a microonde |
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(fare click sull'immagine per ingrandirla) |
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| L'immagine in alto descrive, con un certo dettaglio, la struttura tipica di un radiotelescopio a microonde Total-Power (si fa riferimento al ricevitore RAL10 Microwave Radiometer di RadioAstroLab, ma i concetti possono essere facilmente generalizzati a dispositivi simili). Maggiori dettagli sono reperibili nel documento "Analisi di un radiotelescopio Total-Power". |
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| Il più semplice ricevitore radioastronomico a microonde... |
(fare click sull'immagine per ingrandirla) |
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Lo
schema illustra come costruire il più semplice ed economico
radiotelescopio a microonde utilizzando componenti commerciali
provenienti dal mercato della TV-SAT: antenna a riflettore
parabolico completa di illuminatore e LNAC (o LNB), cavo coassiale di
discesa, un SAT-FINDER commerciale ed il semplice circuito
amplificatore-integratore di post-rivelazione proposto nella figura.
La visualizzazione del segnale può essere gestita con un normale
tester analogico o, in maniera automatica, utilizzando all'uscita del
ricevitore una scheda di acquisizione dati equipaggiata con adatto convertitore analogico-digitale (ADC) insieme al software di gestione.
Questo progetto, con finalità essenzialmente didattiche,
è stato utilizzato dall'autore come esperimento di laboratorio
di fisica presso numerose scuole ed istituti di formazione tecnica. |
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