Dokumentation des Echellespektrographen ESpekDiko

Dokumentation des Echellespektrographen ESpekDiko
ESpekDiko - Ein Echellespektrograph für
Amateurbeobachtungen
Im Rahmen der Vorlesung Astrophysikalische Instrumente
26. Februar 2013
Daniel P. Sablowski
Dozent: Prof. Dr. Martin M. Roth
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam
1
Inhaltsverzeichnis
1
2
Einleitung und Motivation
3
Kurz zur Spektrometeroptik und zum Echelleprinzip im speziellen
3
2.1
3
2.2
3
4
5
6
7
Die wichtigsten Grundlagen der Spektrometeroptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1
Das Beugungsgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.2
Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.3
Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.4
Sampling
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Das Echelleprinzip
Prinzipielle technische Schwierigkeiten
5
3.1
Die Problematik der Direktkopplung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.2
Das Guiding- und Spaltproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.3
Optische Ansprüche an das Objektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Mechanisches und optisches Design
6
4.1
Optisches Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
4.2
Festlegung der Geometrie und Optomechanik
7
4.3
Das Objektiv
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4.4
Der CCD Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4.5
Streulicht
9
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Peripherie und der Einsatz im Feld
11
5.1
Kalibrationseinheit für Flat- und Wellenlängenkalibration
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2
Praktische Schwierigkeiten bei der Erzeugung guter Flatelds
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
5.3
Beobachtungsprozedere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
Datenreduktion und Messbeispiel
11
13
6.1
Eich- und Korrekturaufnahmen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
6.2
Reduktion in MIDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
6.3
Messbeispiel: Sonne und P-Cyg
14
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verbesserungen und Diskussion
16
7.1
Der Crossdisperser: Beugungsgitter oder Prisma?
7.2
Implementierung einer aktiven Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
7.3
Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1 Einleitung und Motivation
Motivation zur Konstruktion eines Echellespektrometers, angepasst an kleine Amateurteleskope, war ein
vorausgehendes Projekt. Bei diesem wurde ein kleiner Spektrograph klassischer Bauform konstruiert. Mit
diesem Gerät konnten die Grundlagen der Spektroskopie, sowohl im Gerätebau, in der Benutzung als auch
in der Reduktion der Daten erlernt werden.
Es wuchs jedoch schnell der Wunsch nach einem höherauflösenden Gerät für RV- und EV-Messungen.
Insbesondere bei RV-Bestimmungen ist die Vermessung vieler Linien für eine gute Messstatistik erforderlich.
Daher war schnell klar, dass es sich bei den neu zu konstruierenden Spektralgerät um einen Echellespektrographen handeln sollte. Zugleich wurden während einer Tätigkeit an der Dr. Remeis Sternwarte Bamberg
auch praktische Erfahrungen mit dem BACHES-Echellespektrographen
1
gesammelt. Hieraus entwickelte sich
ein konkretes Konzept und dieses ist Thema dieser Ausarbeitung.
2 Kurz zur Spektrometeroptik und zum Echelleprinzip im speziellen
In diesem Abschnitt sollen die wichtigsten Paramter eines optischen Spektrometers, sowie die Grundidee des
Echellespektrometers in knapper Form dargelegt werden. Auf detaillierte Herleitungen der Beziehungen wird
verzichtet. Weiterhin wird die prinzipielle Funktionsweise eines Spektrometers als bekannt vorausgesetzt.
2.1 Die wichtigsten Grundlagen der Spektrometeroptik
2.1.1 Das Beugungsgitter
Für ein (Reflexions-)Beugungsgitter gilt die wohlbekannt Beziehung:
cos(γ)[sin(α) + sin(β)] =
Wobei
λ
die Wellenlänge,
α
klination zur Einfallsebene,
bzw
n
β
(1)
der Einfallswinkel bzw. Beugungswinkel zur Gitternomalen,
die Beugungsordnung und
einem Spiegel, am Gitter nicht
nλ
g
α = −β
g
γ
die In-
die Gitterkonstante ist. Da, im Gegensatz zu
gilt, bleibt der Querschnitt eines Strahls der Breite
0
Beugung nicht erhalten, sondern wird zu w transformiert, gemäÿ
a = cos(α)/ cos(β) =
w
nach der
w/w0 . Diesen Faktor
bezeichnet man als Anamorphose des Gitters.
2.1.2 Auflösung
Die Auflösung wird oft sehr unterschiedliche definiert und soll den Abstand zweier benachbarter Spektrallinien angeben, welche vom Spektrometer gerade noch getrennt werden können. Aus geometrischer Betrachtung
erhält man
R=
für das Auflösungsvermögen. Hier ist
fkoll
λ
nλ
= fkoll
a
∆λ
bg cos(α)
die Brennweite des Kollimators und
(2)
b
die Spaltbreite.
2.1.3 Dispersion
Die Dispersion gibt den pro Längeneinheit abgebildeten Spektralbereich an. Die Anzahl der pro Längeneinheit
auftreenden Photonen ist damit von dieser Gröÿe abhängig und bestimmt daher bei gegebener Intensität die
Helligkeit und damit das Signal- zu Rausch-Verhätnis massgeblich. Ebenfalls aus geometrischer Betrachtung
folgt:
D=
2
Da in Gleichung (3) der Binningfaktor
erhält man als Einheit m/Pixel. Es gibt
λpB cos(β)
fObj (sin(β) + sin(α))
B und die Pixelgröÿe p in Dispersionsrichtung berücksichtig
fObj die Brennweite des Objektives an, welches das Spektrum
(3)
ist,
auf
den Detektor abbildet.
1
2
http://www.eso.org/projects/caos/
Der Binningfaktor gibt an, wie viele Pixel zu einem Superpixel zusammengeschalten sind. Dann ändern sich allerdings einige
Eigenschaften der CCD, wie der Gain-Faktor und die Zeit des Auslesens.
3
Abbildung 1: Zum Echelleprinzip: Die einzelnen Ordnungen werden durch den Cross-Disperser (CD) in senkrechter Richtung zur Echelledispersion getrennt. Hier wird der Abstand der einzelnen Ordnungen zum roten Bereich gröÿer, da als CD ein Beugungsgitter zu Grunde gelegt wurde. Bei
Verwendung eines Prismas wäre es genau umgekehrt.
2.1.4 Sampling
Nach dem Nyquist-Kriterium muss eine Funktion der Frequenz
ν
mit einer Funktion der Frequenz
2ν
abge-
tastet werden, damit sie artefaktfrei rekonstuiert werden kann. Im Falle eines Spektrometers bedeutet dies,
dass das Auflösungselement
∆λ
durch die Dispersion auf zwei Pixel abgebildet werden soll.
Beispiel:
Der Eintrittsspalt habe eine Breite von 50
mm,
die Kollimatorbrennweite sei 200 mm und die des Objektives
100 mm. Weiterhin sei der Anamorphosefaktor 1. Dann erhält man für die Breite des Spaltbildes auf dem
Detektor 50
mm
100/200 1 = 25
mm,
also sollten die Pixel eine gröÿe von 12,5
mm
nicht überschreiten. In
Praxis ist die Abbildung auf 3 Pixel oft sinnvoller, da hiermit der Fit einer Spektrallinie besser gelingt.
2.2 Das Echelleprinzip
Das Echelleprinzip, bzw. das Prinzip der Querdispersion wurde angewendet um die Dispersion von Glas
in Abhängigkeit der Wellenlänge zu bestimmen. Hierzu wurde hinter einem Prisma das zu untersuchende
Prisma in den Strahlengang so eingebracht, dass dessen Dispersionsrichtung quer (also senkrecht) zu der
des ersteren steht. Damit krümmt sich das Spektrum und über die Krümmung kann die Dispersion des
zweiten Prismas bestimmt werden.
Bei Echellespektrometern wird genau dieses Prinzip verwendet, jedoch aus einem anderen Grund. Das
Beugungsgitter (was im Folgenden als Echellegitter oder nur als Gitter bezeichnet wird) ist in seiner Geometrie wie ein Blaze-Gitter ausgelegt. Allerdings ist der Furchenwinkel so beschaen, dass die Intensität in
hohe Ordnungen gelenkt wird. Mit der Gittergleichung (1) ist klar, dass sich Ordnungen mit zunehmendem
Index auch zunehmend überlappen. Dies kann soweit führen, dass der Spektralstreifen nach dem Echellegitter wieder weiss erscheint. Dann bringt man, wie oben beschrieben, ein Prisma oder Gitter ein, wodurch die
einzelnen Ordnungen aufgefächert werden. Damit erhält man ein ganzes Array an Ordnungen, sodass ein
zweidimensionaler Detektor gut ausgenutzt wird. Weiterhin wird damit ein groÿer Wellenlängenbereich bei
gleichzeitig hoher Dispersion abgedeckt.
Damit ist es also möglich das gesamte optische Spektrum mit einer einzigen Belichtung aufzuzeichnen.
Bei Verwendung eines klassischen Spektrographen wäre hierfür eine wesentlich höhere Beobachtungszeit
am Teleskop erforderlich. Die Anzahl der einzelnen Ordnungen richtet sich nach der Gitterkonstanten des
Echellegitters und beträgt zwischen 30 und 60. Bei gleicher Dispersion und Detektorgröÿe wären also Beobachtungszeiten nötig, welche über eine Gröÿenordnung höher liegen, als diejenigen bei Verwendung eines
Echellespektrometers (natürlich arbeitet der Crossdisperser nicht mit 100 %iger Efzienz). Da man einen
groÿen Wellenlängenbereich aufzeichnet hat man auch viele Spektrallinien zur Verfügung, dies verbessert die
Statistik der Messungen, insbesondere bei Radialgeschwindigkeiten und Elementhäufigkeitsbestimmungen.
4
Abbildung 2: Seeingscheibchen
3 Prinzipielle technische Schwierigkeiten
3.1 Die Problematik der Direktkopplung
Dies ist im wesentlichen ein Stabilitätsproblem, welches auch mit der maximalen Belastbarkeit des Teleskops
bzw. der Teleskopmontierung zusammenhängt. Auf Grund der Nachführung, ändert sich der Winkel zwischen
den geometrischen Hauptachsen des Spektrometers und der Gewichtskraft. Dies schlägt sich dann in einer
Änderung der auftretenden Drehmomente am Spektrometergehäuse nieder und damit zu einer Änderung der
Verbiegung desselbigen. Dies kann dann zu einer Verschiebung des Spektrums auf dem Detektor führen. Daher
ist eine hohe mechanische Stabilität des Gehäuses und der Optomechanik von entscheidenter Bedeutung bei
der Gerätekonstruktion.
Auf Grund der Tatsache, das der Quotient aus Elastizitätsmodul und Dichte für Stahl und Aluminium
vergleichbar sind, wurde der Werksto Aluminium verwendet. Diese Wahl kommt ebenfalls den geringeren
Zuladungsgewichten des Teleskops im Amateurbereich entgegen.
3.2 Das Guiding- und Spaltproblem
Im Gegensatz zu einem klassischen Spektrometer, bei welchem der Spalt jediglich in eine Richtung begrenzt
sein muss (Spaltbreite), ist es bei einem Echellespektrometer nötig den Spalt in beiden Richtungen zu begrenzen, damit sich die einzelnen Ordnungen senkrecht zur Dispersion nicht überschneiden. Weiterhin muss
das umliegende Gesichtsfeld in einer Leitkamera sichtbar sein, sodass der richtige Stern auf den Spalt gebracht und gehalten werden kann. Dies erfordert einen reflektierenden Spaltträger. Erste Versuche wurde mit
einem gut reflektierenden Pin Hole gemacht, was jedoch auf Grund des sehr geringen throughputs für einen
routinierten Messeinsatz nicht in Frage kommt. Letztlich konnte ein speziell aus Wolfram gefertigter Spalt
mit den Abmessungen 50
mm
x 90
mm
beschafft werden.
Um die am Spalt auftretenden Verluste abzuschätzen sei eine gauÿförmige Intensitätsverteilung des Sternbildes gegeben. Die FWHM wird durch das örtliche Seeing definiert. Eine Messung des Seeingscheibchens
im Fokus eines 10 SC-Teleskops lieferte das in Abb. 2 dargestellte Ergebnis. Die FWHM beträgt hier ca. 54
mm,
was einem Seeing von
α = F W HM/fT ele ≈ 4, 5”
entspricht. Eine einzelne Messung des Seeings kann
man auf Grund dessen statistischer Natur und starken Abhängigkeit der Wetterlage nicht als representativ
betrachten, jedoch sind 4 für viele deutsche Standorte oft zutreend. Wählt man die Spaltbreite auf Grund
des Seeings, also hier eine Breite von 4, so hat man eine Efzienz von ca. 70 % am Spalt, was einen guten Kompromiss zwischen Ezienz und Auflösung darstellt. Daher wurde die Breite des Spalts auf 50
mm
festegelegt.
Eine weitere Problematik ergibt sich aus folgender Betrachtung: Wenn die Punktbildfunktion (point spread
function, PSF) die Verteilung einer Punktquelle im Bildfeld beschreibt und damit die Intensitätsverteilung
eines Sternbildes, so ist dieses Bild auf Grund des Seeings meist um einige Faktoren kleiner als das Seeing-
5
F W HM/s
Pin Hole
Spalt
2
15
39
1
48
70
0,5
92
96
Tabelle 1: Ezienzen an Spalt und Pin Hole bei gauÿförmiger Intensitätsverteilung und einer Spaltbreite
bzw. einem Pin-Hole-Durchmesser
s.
scheibchen. Nähert man sich also bei der Fokussierung des Teleskops an das seeingbegrenzte Bild und hat
dieses schlieÿlich erreicht, so tritt man in einen kritischen Bereich ein, an dem die PSF des Sternbildes
erreicht wird, aber durch den Effekt des Seeings nicht beobachtet werden kann. Es ist daher u.U. gewinnbringend, wenn die Fokussierung mit hoher Bildrate durchgeführt wird, um den Seeingeffekt auszuschalten.
Allerding hat man dann ein Sternbild (PSF), welches mit der typischen Seeingzeit im Bild umherzittert. Daher kann eine exakte Scharfstellung nur mit aktiver (oder adaptiver) Optik geschehen. Auf eine entsprechende
Möglichkeit wird im 7. Kapitel kurz eingegangen.
3.3 Optische Ansprüche an das Objektiv
Die Konstruktion eines Echellespektrometers an sich ist keine schwierige Sache, jedoch bringt die Spezialisierung eines solchen Messgerätes auf astronomische Messungen gewisse Schwierigkeit mit sich. Weiterhin ist
der begrenzte nanzielle Aufwand zu nennen, da es sich um ein Amateurprojekt handelt. Neben der Ankopplung an das Teleskop stellt die aberrationsfreie Abbildung des Spektrums auf den Detektor die gröÿte Hürde
dar. Kommerzielle Fotoobjektive eignen sich nur für einen begrenzten Spektralbereich, da in der Tageslichtfotographie stets ein UV- und IR- Sperrfilter verwendet wird, sodass diese Objektive vom Hersteller nur für
einen eng definierten viusellen Bereich (ca. 450 nm bis 650 nm) korrigiert sind. Es ist jedoch wünschenswert
auch die Kalzium H- und K-Linien sowie weiter im Roten liegende Helium-Linien abzubilden. Aus diesem
Grund wurde ein Objektiv aus Standard-Achromaten gerechnet. Da eine Önung von ca. F/3 erforderlich
ist, wurde als Objektiv-Typ ein Petzval angesetzt. Um das Spektrum (380 nm bis 750 nm) mit ausreichender
Überlappung der einzelnen Ordnungen auf der Wellenlängenachse auf einen Detektor des Typs KAF1600
abbilden zu können, darf die Brennweite des Objektives 120 mm nicht überschreiten. Dies erfordert einen
vorderen Objektivdurchmesser von ca. 40 mm.
Bei einer Spaltbreite von 50 mm erwartet man eine Spaltgröÿe in der Abbildungsebene des Objektives von
s · a · fObj /fKoll =50. 112/120. 0,7 mm = 32,7 mm.3 Die Abbildungsfehler sollen also weit unterhalb dieses
Wertes über den gesamten Wellenlängenbereich liegen.
4 Mechanisches und optisches Design
4.1 Optisches Layout
Um eine möglichst hohe Ezienz des Echellegitters zu erhalten, muss nahe dem Blazewinkel gearbeitet
werden. Weiterhin müssen jedoch beide Strahlen (einfallender und gebeugter) räumlich getrennt werden
4
um Platz für Kollimator und die anderen optischen Komponenten zu bekommen . Es wurde daher ein
totaler Winkel (Winkel zwischen einfallenden und gebeugten Strahl) von 10° gewählt. Dieser Winkel legt
im wesentlichen die gesamte folgende Konstruktion fest. Zunächst sollte der CD möglichst nahe am Echelle
stehen, damit der durch die Dispersion ausgedehnte Strahl nicht zu weit verbreitert wird, denn dies würde
gröÿere Optiken erforderlich machen und insbesondere die sphärische Aberration des Objektives erhöhen. Da
das Objektiv durch die kommerziellen Linsen vorgegeben ist, wurden die Abstände entsprechend festgelegt,
wodurch dann ein Transmissionsgitter mit 30 mm x 30 mm als CD erforderlich ist.
3
Der Anamorphosefaktor beträgt hier a =0,7, wie dieser zustande kommt wird im nächsten Abschnitt erläutert. Ebenso die
Objektivbrennweite von fObj =112 mm. Die Brennweite des Kollimators fKoll =120 mm wurde gewählt, um das geforderte
Auflösungsvermögen von R =10.000 zu erhalten.
4
Es ist auch möglich das Echellegitter noch um eine senkrechte Achse zu kippen. Dies wird als Gamma-Konguration bezeichnet
(da der Kippwinkel meist mit γ bezeichnet wird, vgl. Gl. (1)) und hat den Nachteil, dass die Spektrallinien dann ebenfalls
eine Inklinations erfahren, weswegen diese Anordnung hier nicht verwendet wurde.
6
Abbildung 3: Zur Geometrie des Echellegitters:
α
Einfallswinkel,
β
Beugungswinkel und
θ
Blazewinkel
Abbildung 4: Spektrographen Layout
Weiterhin führt der totale Winkel zu einem Anamorphosefaktor von
cos(68)/ cos(58) ≈ 0, 7.
Der Bla-
zewinkel des Echellegitters beträgt 63°, wodurch sich der Einfalls- bzw. Beugungswinkel aus Blazewinkel
und totalem Winkel gemäÿ 63° + 5° = 68° bzw. 63° - 5° = 58° ergibt, weil die Furchennormale zwischen
einfallenden und gebeugten Strahl liegt.
4.2 Festlegung der Geometrie und Optomechanik
Die Geometrie wurde so festgelegt, damit die auftretenden Drehmomente am Spektrometer möglichs gering
sind. Dies macht eine Abwinklung des Strahlenganges hinter dem Spalt erforderlich, sodass das lange Spektrometergehäuse senkrecht zur Erdoberfläche (also parallel zur Gravitationskraft) am Teleskop angebracht
werden kann. Dieser Umlenkspiegel ist in den in Abbildung 4 gezeigten Layouts nicht dargestellt. Es wurde hier ein dielektrischer Spiegel verwendet, da er im Vergleich zu Aluminumverspiegelungen eine höhere
Ezienz aufweist.
Das Gehäuse wurde aus 4 mm starken Aluminumplatten gefertigt. Die meisten optomechanischen Komponenten sind an der Grundplatte befestigt, wo auch die Spalteinheit angebracht wurde. Diese Einheit besteht
aus einem Aluminiumkubus mit Anschlüssen für Guidecam, Kalibrationslichteinspeisung und der Teleskopadaption. Der Kollimator ist auf einer longitudinal einstellaberen Halterung befestigt, sodass er in den
idealen Fokuspunkt gebracht werden kann und bestmögliche Kollimationsverhältnisse erbracht werden. Das
Echellegitter ist auf einen Tip-Tilt-Halter mit einem Wechselträger befestigt. Damit kann das Gitter genau so eingestellt werden, dass das Blazemaximum zentral auf den Detektor trit. Weiterhin ermöglicht
dieser Halter die Einstellung des Wellenlängenbereiches. Damit kann je nach Beobachtungsanforderung der
ideale Bereich eingestellt werden. Der Crossdisperser ist in einer schwenkbaren Halterung gefasst,wodurch
das Gitter in den Blazewinkel gebracht werden kann. Das Objektiv (siehe nächsten Abschnitt) ist aus zwei
7
Abbildung 5: Zur Entwicklung eines Petzval-Objektives: Startanordnung für Optimierungsprozess; rot: Feldstrahl; blau: zentrierter Hauptstrahl.
Achromaten gefertigt und wurde in ein massiven Aluminumgehäuse gebaut. Dieses Gehäuse wurde fest mit
dem Spektrographengehäuse verschraubt. An der Endseite des Objektivgehäuses ist ein T2-Gewinde angeflanscht, damit die CCD-Kamera angebracht werden kann. Sie wird durch eine entsprechende Fokussierung
in den besten Fokus gebracht.
Insgesamt liegt das Gewicht des Messgerätes bei ca. 2,5 kg (inkl. Detektor) und ist damit nicht zu schwer
für gute Amateurteleskope. Weiterhin wurde die mechanische Stabilität am Teleskop überprüft. Hierzu wurde
das Messgerät mit Kalibrationslicht gespeist, ein Spektrum aufgenommen und dann wurde das Teleskop so
geschwenkt, dass der Spektrograph um 180° gedreht wurde, sodass die Drehmomente nun entgegen der ersten
wirken. Die dadurch enstehenden Verschiebungen des Spektrums auf der CCD liegen unterhalb eines Pixels
(< 9
mm).
4.3 Das Objektiv
Wie bereits angesprochen, wurde ein spezielles Objektiv für den Spektrographen aus o the shelf Optiken
entwickelt. Der Petzval-Typ bietet auf Grund der geringen Anzahl an benötigten Linsen, sowohl Kosten- als
auch Ezienzvorteile. Als Ausgangspunkt vor der Optimierung verwendet man meist den folgenden Ansatz
(vgl. Abb. 5):
ˆ
Die Frontlinse wähle man mit dem erforderlichen Durchmesser
d1 ,
der bestimmt ist durch das an-
kommende Strahlbündel vom Beugungsgitter. Man beachte hier den erforderlichen Feldwinkel. Die
Brennweite
f1
der Linse setzt man zunächst auf den doppelten Wert der Brennweite
Petzval-Objektives
ˆ
Die zweite Linse setzt man zunächst im Abstand
fernt. Den Durchmesser
f2
ˆ
fP
des entgültigen
f1 = 2fP .
d2
s = fP
des Petzval-Objektives von der Frontlinse ent-
wählt man entsprechend des ankommenden Strahlbündels. Die Brennweite
setzt man gleich der Brennweite
fP
des Petzval-Objektives.
Die Blende wird oft zwischen die beiden Linsen gestellt (Symmetriegründe), was jedoch zu Vignettierung führen kann. In einem astronomischen Spektrometer ist allerdings jedes Photon wertvoll, weswegen
die Blende vor die Frontlinse gesetzt werden sollte.
Nachdem hier nur ein Optimierungsparameter zur Vefügung steht, nämlich
s,
hält sich der zeitliche Auf-
wand in Grenzen. Auf Grund des benötigten Durchmessers der Frontlinse ist die Auswahl kommerzieller
Achromate eingeschränkt. Die zweite Linse bestimmt im wesentlichen die Brennweite des Gesamtsystems.
Daher sind auch hierfür in Frage kommende Optiken eingeschränkt. Das letztlich verwendete Design ist als
Listing in Tabelle 2 gegeben. Es handelt sich um zwei achromatische Linsen aus dem Standardsortiment
zweier Optiklieferanten (Qioptiq und Thorlabs GmbH). Die Optimierung über den Abstand
der bereits weiter oben angegebenen Brennweite von ca. 112 mm.
8
s
führt dann zu
Fläche
Krümmungs- Abstand [mm]
Glass
radius
Brechungs-
Apertur-
index
radius [mm]
[mm]
Objekt
unendlich
Sphäre
104,41
6,5
N-BK7
1,52
20
Sphäre
-86,596
3,5
N-F2
1,62
20
Sphäre
508,45
111,5
Luft
Sphäre
62,75
4
N-BK7
1,52
12,7
1,67
12,7
Sphäre
-45,71
2,5
N-SF5
Sphäre
-128,23
42,36
Luft
20
12,7
Bild
Tabelle 2: Listing für Petzvalobjektiv
Abbildung 6: Streulicht durch 0. Ordnung des Crossdispersers a.) Die 0. Ordnung des Crossdispersers wird
an der Objektivinnenwand Richtung CCD reflektiert. b.) die 0. Ordnung passiert das Objektiv
durch die eingebrachte Öffnung. Das gerippte Innenprol sorgt für Rückreflexion störenden
Streulichts.
4.4 Der CCD Detektor
Zur Registrierung des Spektrums wird eine CCD Kamera des Hersellers Moravian Instruments verwendet.
Sie verfügt über einen KAF1603ME Chip mit den in Tabelle 3 dargestellten Spezikationen. Diese Kamera
wurde gewählt, da sie über einen Chip mit vergleichsweise guten Eigenschaften und guten Preis aufweist.
Dazu zählt vor allem die Quantenezienz, das Ausleserauschen und der Dunkelstrom. Die Chipgröÿe ist
weiterhin ausreichend um den visuellen Bereich des Spektrums zu erfassen.
4.5 Streulicht
Neben der optischen und mechanischen Performance ist der Einfluss des Streulichtes ein Qualitätsmerkmal
jedes Spektrographen. Insbesondere bei einem Echellespektrographen, in welchem viele naheliegende Ordnungen auftreten, sowohl die Ordnungen des Echellegitters selbst, als auch die des Crossdisperser (wenn ein
Gitter verwendet wird), können zu störenden Streulicht in der Bildebene führen.
Erste Spektren zeigten auch einen starken Streulichteinfluss, dessen Quelle zunächst nicht ausgemacht
werden konnte. Das Streulicht machte sich als deuser Bogen bemerkbar, der letztlich mit der 0. Ordnung
des Crossdispersers in Verbindung gebracht werden konnte. In Abbildung 6 ist der Sachverhalt dargestellt.
Die 0. Ordnung passiert den Crossdisperser ohne Ablenkung und trit dann gegen die geschwärzte Innenwand
des Objektives, wird dort zum Teil Richtung Detektor reflektiert. Das Streulicht konnte eliminiert werden,
indem das Objektivgehäuse an der entsprechenden Stelle mit einer Önung versehen worden ist. Weiterhin
wurde die gesamte Innenwand mit einer gerippten Hülle versehen um Streulicht zu reduzieren.
Bemerkung
Zu Beginn der Konstruktionsphase wurde ein Prototyp hergestellt, der noch einige Probleme bereitete
auf die hier nicht näher eingegangen wird. Es wurde aber vor allem ein gröÿeres und stabilers Gehäuse
entworfen. Die oben dargelegte Ausführungen beziehen sich alle auf das fertige, sich in Gebrauch bendeliche
9
Pixel #
1536 x 1024 Pixel
Pixelgröÿe
9
mm
x 9
mm
Chipgröÿe
13,8 mm x 9,2 mm
Full Well Kapazität
100.000 e
-
220.000 e
-
Kapazität Ausleseregister
-
Dunkelstrom
1 e /s/Pixel @ 0
Dunkelstromverdopplung
alle 6,3 °C
AD-Auösung
16 Bit
°C
Sampling
Korreliertes Doppelsampling
Auslesemodis
Standard (SN) und Low-noise (LN)
horizontales Binning
1- bis 4-fach
vertikales Binning
1- bis 4-fach
Teilbildauslesen
geliebige Teilbilder
Interface
USB 2.0
-
Gain
-
1,5 e /ADU (1x1 Binning); 2,3 e /ADU (andere)
Ausleserauschen
-
12 e RMS (LN); 16 e RMS (SN)
Auslesezeit (1x1)
Kühlung
-
2,5 s (LN); 2,1 s (SN)
°C unter
± 0,1 °C
2-fach Peltier bis max. 50
Stabilität der Kühlung
Umgebungs-T
Stromaufnahme
12 V DC, bis 40 W (100% Kühlung)
Shutter
mechanisch
kürzeste Belichtungszeit
100 ms
rückwärtiger Fokusabstand
29 mm
Gewicht
1,1 kg
Abmessungen
114 mm x 114 mm x 77 mm
Tabelle 3: Spezikationen der CCD Kamera
10
Gerät, von dem es bereits zwei Exemplare gibt.
5
Es wurde zuerst ein Echellegitter mit 31,6 l/mm verwendet.
Allerdings ist dann die Auftrennung der Ordnungen im blauen Breich nicht ganz ausreichend, wenn eine
Hintergrundsubtraktion durchzuführen ist. Daher wurde im zweiten Exemplar ein Crossdisperser mit 400
l/mm eingebaut. Im Erstgerät ist später das Echellegitter mit 31,6 l/mm durch ein Gitter mit 79 l/mm
getauscht worden. Beide Varianten bringen einher, das der detektierte Wellenlängenbereich zugunsten der
Auftrennung schrumpft. Ein gröÿerer Detektor kann dieses jedoch wieder kompensieren. Weiterhin erhält
man mit einem Gitter höherer Liniendichte weniger, dafür längere Ordnungen. Das aunden der Ordnungen
durch eine Reduktionsroutine ist in diesem Fall ein kleineres Problem, insbesondere im blauen Bereich. Unter
5.2 und 6 wird hierauf noch etwas näher eingegangen.
5 Peripherie und der Einsatz im Feld
Neben der Aufnahme des eigentlichen Objektspektrums müssen Eichspektren von entsprechenden Kalibrationslampen aufgenommen werden. Hierzu zählen Spektren einer kontinuierlichen Lampe (Flateld) und einer
Spektrallampe zur Wellenlängenkalibration.
5.1 Kalibrationseinheit für Flat- und Wellenlängenkalibration
Zur Kalibration der Spektren wird ein Wellenlängennormal benötigt, durch welches die Transformation
I(Pixel) → I(λ)
vollzogen werden kann. Als Wellenlängennormal bietet sich eine Thorium/Argon- Hohl-
kathodenlampe an, da diese über den gesamten Spektralbereich genügent viele Linien bereitstellt. Dabei ist
vor allem wichtig, das sich die Intensitäten der Linien nicht zu stark unterscheiden, denn dies würde zu
unerwünschten Sättigungserscheinungen starker Linien führen, was u.U. eine Kalibration unmöglich macht.
Starke Linien werden hier insbesondere durch das (Schutzgas-)Argon im roten Bereich erzeugt, was jedoch
noch in einem akzeptablen Rahmen liegt. Da diese Lampen auch von professionellen Sternwarten verwendet werden, liegen auch eine vielzahl an Katalogen vor, die zur Identikation der Linien verwendet werden
können.
Ein Falteld ist ein Spektrum einer kontinuierlichen Lampe, welches dazu benötigt wird, um Intensitätsschwankungen, bedingt durch unterschiedliche Pixelempndlichkeit, Fringes, evtl. Vigenttierung und insbesonderen Verschmutzungen zu kompensieren. Das Spektrum des Objektes wird bei der Reduktion durch
dieses Falteld dividiert. Das Flateld ist allerding in der Erzeugung bzw. in der Art und Weise, wie es
aufgenommen wird eine delekate Angelegenheit, weswegen es im nächsten Abschnitt noch etwas genauer
erläutert werden soll.
Zur Erzeugung der beiden oben genannten Kalibrationssignale wurde eine entsprechende Kalibrationseinheit entwickelt, die über eine Lichtleitfaser an den Spektrographen gekoppelt wird. Am Spektrograph kann
ein kleines verspiegeltes Prisma in den Strahlengang vor dem Spalt (über einen Drehmagneten) eingeklappt
werden und damit das Kalibrationslicht eingespeist werden.
Wie erwähnt wird als Wellenlängennormal eine Hohlkathodenlampe (HKL) verwendet. Die Kathode in
der Lampe bildet den hellsten Teil, da hier die Thorium- und Argon-Atome angeregt werden. Das von
dort kommende Strahlenbündel wird auf die Faser abgebildet. Aus Gründen der internen Konstruktion der
Kalibrationseinheit wird das Licht der Lampe zunächst kollimiert und dann durch eine Kondensorlinse in die
Faser gekoppelt. Ebenso wird das Licht der Flateldlampen kollimiert und mittels der gleichen Kondensorlinse
in die Faser gespeist. Hierzu muss ein Spiegel in den Strahlengang gelenkt werden.
Neben den beiden Kalibrationssignalen, stellt die Einheit auch die Stromversorgung für den Drehmagnet
und für die Spalthinterleuchtung bereit. Die HKL verfügt über ein separates Netzteil, da hier eine Gleichspannung von ca. 230 V bei einer Stärke von ca. 10 mA erforderlicht ist.
5.2 Praktische Schwierigkeiten bei der Erzeugung guter Flatelds
Das Flateld dient speziell bei der Echellespektroskopie auch dem identizieren der Ordnungen. Insgesamt
wird es also für folgende Prozeduren benötigt:
1. Korrektur von Intensitätsschwankungen der Pixel
5
Das zweite Exemplar habe ich für einen Freund gefertigt.
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Abbildung 7: Kalibrationseinheit
2. Korrektur von Interferenzmustern (Fringes)
3. Korrektur von Abschattungen, die durch Schmutz verursacht sein können.
4. Identikation der Ordnungen bei der Reduktion
Insbesondere für Punkt 4 braucht man eine Lichtquelle mit möglichst gleichmäÿiger Intensität über den
gesamten abgedeckten Spektralbereich. Dies stellt im blauen Abschnitt jedoch Schwierigkeiten, da kontinuierliche Lampen wie Glüh- oder Halogenlampen ihr Maximum weit im roten Bereich haben. Daher ist man
gezwungen auf den Einsatz von Filtern und LED´s zurück zu greifen.
Weiterhin stellt sich die Frage, wie des Licht in das Spektralgerät eingekoppelte werden soll. Insbesonderen
für die Korrektur von Interferenzeekten ist es wichtig, dass das Licht der Flatlampe genau den gleichen
optischen Weg nimmt, wie das Licht des Objekts. Denn treten andere Winkel auf, so ändert sich auch das
Interferenzmuster. Weiterhin verschiebt sich das Blazemaximum innerhalb einer Ordnung zu anderen Wellenlängen relativ zum Objektspektrum, wenn nicht der gleiche Weg eingeschlagen wird. Das unkorrigierte
Echellespektrum, welches wellenlängenkalibriert sein kann, aber auf jeden Fall alle Ordnungen zusammenhängen, zeigt einen welligen Verlauf, der auf Grund der Blazefunktion des Gitters für jede einzelne Ordnung
erzeugt wird. Wird es dann durch das Flatspektrum dividiert, welches nicht den gleichen Verlauf zeigt, die
Maxima also verschoben sind, so kann der wellige Verlauf nicht kompensiert werden. Aus diesem Grund wird
das Flatlicht für diese Korrekturen direkt durch das Teleskop aufgenommen.
Zur Identikation der Ordnungen, wird die Kalibrationseinheit verwendet. Hierzu wurden LED´s, eine
Halogenlampe und ein Blaulter implementiert.
5.3 Beobachtungsprozedere
Bevor die vollkommene Dunkelheit eintritt wird das Equipment am Teleskop angebracht, alle Kabel möglichst
so verlegt, dass es zu keinen Stolperfallen kommt und die CCD gekühlt und gecheckt ob das Messgerät so
läuft wie man es gewohnt ist. Es wird dann das erste Target angefahren. Das von der Guidecam erfasste
Feld ist jedoch sehr klein (für gute Guidingergebnisse soll es möglichst groÿ abgebildet werden), was das
aunden des Sterns schwierig macht. Für diesen Zweck ist zwischen Spalt und Teleskop ein Klappspiegel
angebracht, damit das Sternfeld mit einem Okular betrachtet werden und das Target auf die optische Achse
gebracht werden kann. Der Spiegel wird dann aus dem Strahlengang geklappt und das Target erscheint in
der Guidecam. An dem Targetstern wird eine Kalibration der Guidesoftware durchgeführt.
Nun wird die LED, die den Spalt von hinten beleuchtet angeschalten. Man kann dann den Ort des Spalts
mit einem Fadenkreuz markieren. Nach abschalten der Spaltbeleuchtung wird das Teleskop bewegt, sodass
das Sternlicht über den Spalt in den Spektrographen eingekoppelt wird. Es wird dann auf den Flügeln der
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PSF des Sterns geguidet. Je nach Helligkeit des Targets wird eine Testaufnahme gemacht um die erforderliche Belichtungszeit zu ermitteln. Für ein möglichst gutes SNR werden mehrere Aufnahmen gemacht und
später gemittelt. Vor und nach der Aufnahme des Objektspektrums werden Kalibrationsspektren (Thorium/Argon und Flat) aufgenommen. Diese werden vor Reduktion der Aufnahmen (meist bereits während
der Beobachtung) kritisch begutachtet. Nach Beendigung der Aufnahmen werden Darks angefertigt. Diese
werden aufgenommen, während der Beobachter in der Kuppel klar Schi macht.
6 Datenreduktion und Messbeispiel
6.1 Eich- und Korrekturaufnahmen
Zur Reduktion der Rohspektren sind einige (schon angeklungene) Eich- und Korrekturaufnahmen erforderlich. Hierzu zählt das Flateld, Dark- und Biasframe als die wichtigsten. Prinzipiell sollten sowohl von den
Objektspektren, als auch von den peripheren Frames mehrere gemittelt werden um das statistische Schwanken zu minimieren. Dies gilt vor allem für Bias und Dark. Aus Platzgründen wird hier jedoch nicht weiter
auf diese Aufnahmen eingegangen.
6.2 Reduktion in MIDAS
In MIDAS ist eine fertige Echelleroutine implementiert, welche für den BACHES Echellespektrographen
entwickelt wurden. Auf Grund der vorliegenden Erfahrungen mit diesem Spektrographen und dieser Routine
wird diese auch verwendet um die gewonnenen Spektren zu reduzieren.
Im Folgenden soll diese Routine (eher als Bedienungsanleitung ohne auf den Quellcode einzugehen) vorgestellt werden:
Zunächst muss ein kleiner Fehler korrigiert werden: Unter
ches_pipeline.prg. Hier steht:
/MIDAS/contrib/baches/proc
ndet man
ba-
!
! Flatelding (pixel to pixel variations)
! IF m$exist(at) .eq. 1 THEN
!
COMPUTE/IMA {frame}p = {frame} / {at} >NULL frame = frame + "f"
WRITE/OUT "{cmd}: creating {frame} with {at} divided" ENDIF
!
Aus dem grün markierten p muss allerdings ein f werden, sonst werden die im folgenden benötigten Frames
nicht gefunden! Danach kann man Midas starten. Die Rohbilder müssen dunkelstromkorrigiert sein und in
der richtigen Orientierung vorliegen. Am oberen Teil des Bildes muss der rote Bereich des Spektrums liegen
und die Wellenlänge muss innerhalb der Ordnungen von links nach rechts ansteigen. Mit
MIDAS und mit
set/cont baches
inmidas
öffnet sich
wird die BACHES-Routine geladen. Hier stehen einige spezielle Befehle zur
Auswahl, die die aufwändige Echellereduktion zusammenfassen und dabei noch genügend Flexibilität lassen um eine gute Auswertung gewährleisten zu können. Auÿerdem können die Open- Source Quellcodes der
Routine jederzeit an einen anderen Spektrographen angepasst werden. Zuerst führt man die Ordnungs(n)Identikation und die Wellenlängenkalibration durch. Hierfür steht der Befehl
calibrate/baches
zur Verfügung.
Dieser Befehle sieht z.B. so aus:
Midas 002> calibrate/baches nat.t thar.t 25 5 5 0.3 3
Hierbei muss das Flat nat.t zur n-Identikation und das Th/Ar-Kalibrationsspektrum thar.t im aktuellen Verzeichnis liegen. Die Zahl 25 gibt die Anzahl der zu suchenden Ordnungen an (default 26), die erste
5 die Anzahl der Pixel der Ordnungsbreite für die n-Identikation (default 14), die zweite 5 die Anzahl der
bei der Extraktion der Ordnungen zu verwendeten Pixel (default 10), die 0,3 den angestrebten RMS-Fehler
(default 0,3) und die 3 die Ordnung des Polynoms für den Fit der Dispersion (default 3). Mit diesen Parametern muss etwas experimentiert werden, bis man mit dem individuellen Echelle ein Optimum erreicht
und diese Parameter können dann ohne Weiteres in den Quellcode der Routine eingegeben werden. Nach
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Abbildung 8: Zur n-Identikation, 62 Ordnungen wurden gefunden und werden durch den Fit auch gut
extrahiert.
zufriedenstellender n-Identikation (Abb. 8) wird das Th/Ar-Kalibrationsspektrum angezeigt. Nun müssen
vier Linien identiziert werden, wobei je zwei identisch sind, aber in unterschiedlichen Ordnungen liegen. Die
Linien müssen in der Reihe nach von unten nach oben angeklickt werden, wobei der Cursor in seiner Länge
und Breite mit Hilfe der Pfeiltasten eingestellt werden kann. Mit einem Rechtsklick in das Bild bestätigt man
die Auswahl und wird nach der Ordnungszahl der ersten Linie gefragt und danach nach den beiden Wellenlängen der Linienpaare. Werden die Linien gefunden und von MIDAS zugeordnet, läuft eine Abschätzung
der Dispersion ab, die gegebenenfalls eine falsche Linienidentifikation erkennt. Bei grenzwertigen Rechenergebnissen werden dem User die Zahlenwerte gezeigt und eine Bestätigung gefordert. Danach werden weitere
Linien gesucht (welche in einem Linienkatalog der Th/Ar-Lampe hinterlegt sind) und zugeordnet. Dann wird
iterativ der Kalibrationsfehler reduziert. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, erfolgt die Übertragung auf das
Objektspektrum und eine Flatfieldkorrektur, mit
Midas 003> pipeline/baches star.fit
wird dies durchgeführt. Für die Flateldkorrektur muss ein entsprechendes Flat im aktuellen Verzeichnis
mit der Bezeichnung master_flat.bdf vorliegen. Liegt dieses als flat.fit vor, kann es mit
Midas 004> indisk/fits flat.fit master_flat.bdf
in das richtige Format gebracht werden. Nun liegt das Spektrum als flatkorrigiertes
I(λ)
vor und kann
weiter verarbeitet (Normierung) bzw. ausgewertet werden.
6.3 Messbeispiel: Sonne und P-Cyg
Hier sind ein paar Graphen gezeigt um die Einsatzfähigkeit des Gerätes zu belegen. Leider konnte wegen
des schlechten Wetters keine neue Aufnahme mit dem 79 l/mm Gitter und einiger Verbesserung in der
Kalibration gewonnen werden. Diese Spektren sind mit dem 31,6 l/mm Echellegitter entstanden und vor
allem bei der Flatfieldkorrektur wurde noch experimentiert.
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Abbildung 9: Linienidentikation zur Wellenlängenkalibration. Die Kalibration läuft iterativ ab, bis bei Erreichung des vorgegebenen Kalibrationsfehlers der rechts angegebene Text in der Konsole erscheint. Von den insgesamt 793 gefundenen Linien wurden 70 % zur Kalibration verwendet,
dies ist ein guter anzustrebender Wert.
Abbildung 10: Links: Auflösungsbestimmung und zugehöriger Fehler. Rechts: graphische Darstellung der
Auflösung über die Wellenlänge. Es ist zu beachten, dass die vielen Messpunkte zu geringerer
Auflösung ( < 10.000) auf die Anwesenheit vieler verwendeter Blends hinweist. Diese müssen
aus dem Linienkatalog erntfernt werden, da sie zu einer schlechteren Kalibration führen.
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Abbildung 11: Links: Sonnenspektrum nach LED-Flatfield. Rechts: Sonnenspektrum nach Normierung
Abbildung 12: Details aus dem Sonnenspektrum. Links: Ha-Linie Rechts: Mg-Triplet
Zunächst das Gesamtspektrum der Sonne nach Division durch eines mit LED´s gewonnenen Flatfields in
Abbildung 11. Es besteht noch eine gewissen Welligkeit, die der gröÿeren Struktur überlagert ist und von der
Blazefunktion bzw. dem Unterschied zwischen Flat und Objekt herrührt. Jedoch kann bei der Normierung
der dominierende Verlauf (durch Intensitätsverlauf der LED´s) gut entfernt werden. In Abbildung 12 sind
noch zwei Details aus diesem Spektrum gezeigt, Ha-Linie und Mg-Triplet.
Als zweites Beispiel ist in Abbildung 13 ein Spektrum, sowie zwei Details draus, des Prototypen P-Cygni
gezeigt. Hier wurde mit einem Flat, das mit einer Halogenlampe gewonnen wurde, gearbeitet. Man sieht auch
hier zum blauen Ende eine erhöhte Welligkeit. Die Halogenlampen besitzen im blauen Ende wenig Fluss,
weswegen hier auch die Ausleuchtung der Ordnung schlecht ist (wie oben bereits diskutiert). Dies kann dazu
führen, dass Ordnungen zum kurzwelligen Ende des Spektrums nicht von der Routine gefunden werden.
Mit diesen Ausführungen wird die allgemeine Darstellung und Vorstellung des Spektrographen beendet.
7 Verbesserungen und Diskussion
7.1 Der Crossdisperser: Beugungsgitter oder Prisma?
Ein Blazegitter, wie es hier verwendet wurde, hat eine Peakezienz von ca. 75 %. Im gesamten Spektralbereich geht etwa die Hälfte des Lichts in andere Ordnungen verloren. Ein speziell beschichtetes Prisma hat
dahingegen eine wesentlich höhere Efzienz, da durch Antireflexionsbeschichtung eine Reflexion von < 1 %
pro Oberfläche erreicht wird. Jedoch ist der Winkel des gebrochenen Lichts nach dem Prisma, relativ zu der
Ebene, welche aus Einfallsstrahl und gebeugten Strahl am Echellegitter gebildet wird sehr groÿ (soweit keine
Geradsichtprismaanordnung verwendet wird, die aus Gewichtsgründen meistens ausfällt). Dies führt zu ungünstigen geometrischen Verhältnissen für einen kompakten und leichten Spektrographen. Nichtsdestotrotz
wäre die Verwendung eines Prismas in dem hier vorgestellten Spektrographen sehr gewinnbringend und wird
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Abbildung 13: Spektrum des Sterns p-Cygni und zwei Details aus diesem.
Abbildung 14: Antireflexionsbeschichtung (links) und Ezienz eines handelsüblichen Blazegitters. Beide
Kurven stammen vom Optiklieferanten Thorlabs GmbH.
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Abbildung 15: Zur Implementierung einer Tip-Tilt-Einheit. An der Stell der hier gezeigten Imaging camera
würde der Spalt oder des Spektrometers sein.
evtl. in der Zukunft noch realisiert.
7.2 Implementierung einer aktiven Optik
Es gibt bereits einige Tip-Tilt-Systeme für den Amateur. Die Implementierung einer solchen Einheit in das
Setup ist moment jedoch noch nicht erfolgt. Sie führt einige Schwierigkeiten mit sich, welche kurz dargelegt
werden sollen.
Da der zu spektroskopierende Stern auf dem Spalt liegt, ist er zur Seeingkorrektur nicht zu verwenden. In
den allerseltensten Fällen bendet sich innerhalb des von der Guidecam abgebildeten Feldes ein Stern mit
ausreichender Helligekeit. Daher geht die Idee eher in die Richtung, über ein Leitteleskop den Targetstern in
den Strahlengang des Hauptteleskops zu bringen. Die Tip-Tilt-Einheit ist direkt vor dem Spalt des Spektrographen angebracht und es ist selbsterklärend, dass der Leitstern durch diese Einheit hindurch abgebildet
werden muss.
In Abbildung 15 ist eine Zeichnung des AO-Systems von Starlight Instruments gezeigt. Zusätzlich ist die
Einspeisung des Lichtes aus dem Leitteleskop über einen Spiegel gezeigt. Dieses passiert die Glasplatte der
AO und wird dann über einen O-Axis-Guider aufgefangen. Die Brennweite des Leitsystems muss exakt der
Brennweite des Hauptteleskops entsprechen, sodass die Korrekturen 1:1 erfolgen können.
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Abbildung 16: Fotos: Oben: Spektrograph am Teleskop (die rote CCD ist nicht die jetzt verwendete, mit
dieser roten gab es einige Probleme das Ausleserauschen betreend) Unten links: Innenleben
Unten rechts: Teleskopadaption Guidingeinheit und Kalibrationslichteinkopplung.
7.3 Diskussion
Die Konstruktion dieses Spektrographen war sehr lehrreich und das Ergbniss ist ein für Amateurbeobachtungen nutzbares Gerät mit groÿem Potential. Es sind dennoch einige Verbesserungen zu machen. Neben dem
generellen Flateldingproblem könnte ein Prisma für höhere Ezienz sorgen, ist aber wegen dem groÿen Einfluss auf den Verlauf des Strahlenganges nicht ohne Weiteres zu realisieren. Das AO-System muss zunächst
ohne spektroskopischen Einsatz getestet werden, um festzustellen ob der Kosten- Nutzenfaktor überhaupt
gegeben ist.
Schlussendlich kann noch festgehalten werden, dass ein Vergleich zwischen diesem System und dem BACHES Spektrographen zu einem Vergleichbaren Ergebniss geführt hat.
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Eine entsprechende Dokumentation ist unter www.spektroskopie.fg-vds.de unter der Rubrik Publikationen herunterladbar.
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