Задача №08
ДИФРАКЦИОННЫЙ СПЕКТРОГРАФ.
ОТОЖДЕСТВЛЕНИЕ ЛИНИЙ ДНЕВНОГО СВЕТА.
Введение
В настоящее время в астрономических наблюдениях широко применяются спектрографы с ПЗС-приемниками. Целью задачи является ознакомление с работой данных приборов на примере спектрографа для наблюдения линий дневного неба с ПЗС-линейкой.
На рис.1 приведена схема спектрографа. Щель шириной b находится в фокусе объектива коллиматора (фокусное расстояние fcol = 36 см, dcol = 3.6 см). Ширина щели изменяется микрометром.Одно малое деление на головке микрометра соответствует 0.001 мм. Диспергирующим элементом служит отражательная дифракционная решетка с частотой штрихов n = 1200 штрихов/мм. Работа ведется в первом порядке спектра. Отраженный от решетки свет поступает в объектив камеры (фокусное расстояние fcam = 13 см, dcam = 3.6 см), который строит изображение спектра на ПЗС-линейке. Решетка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет проецировать различные участки спектра на ПЗС-приемник. Фиксированным положениям 1, 2 и 3 решетки (см. рис.1) примерно соответствуют диапазоны спектра в области линий H, H и молекулярной линии O2 соответственно.

Рисунок 1: Схема спектрографа
В качестве приемника используется неохлаждаемая ПЗС-линейка, содержащая около 2770 рабочих элементов (пикселей). Размер одного пикселя вдоль направления дисперсии dp = 13 m. Приемник сопряжен с компьютером через плату контроллера, вставленную в ISA слот в материнской плате.
Получаемые изображения спектров нуждаются в предварительной обработке, т.к. ПЗС-приемник обладает темновым током, шумом считывания (т.н. bias) и неравномерностью чувсвительности от пикселя к пикселю. Все эти факторы должны быть учтены при получении спектров.
Линейка обслуживается программной оболочкой SP-30. Программа позволяет:
-
Регулировать длительность экспозиции и задавать режим работы ПЗС линейки,
-
Автоматически учитывать влияние темнового тока,
-
Проводить калибровку спектров,
-
Производить простейшие операции с полученными спектрами (вычитание, сложение, арифметические операции с константами),
-
Выводить полученные спектры на дисплей,
-
Сохранять полученные спектры на жесткий диск/загружать ранее записанные спектры.
Калибровка спектра осуществляется с помощью эталоннго спектра неоновой лампы.
Одной из основных характеристик спектрографа является спектральное разрешение R = / . Размер изображения щели на приемнике b1 (т.е. линейное разрешение) не должен сильно отличаться от минимального размера принимающего элемента (пикселя в данном случае), т.е. должно выполняться условие b1 dp. В свою очередь
Учитывая, что угловая дисперсия дифракционной решетки равна
|
d
d
|
= n ·m ·sec
|
|
где m - порядок спектра, n - число штрихов на см, 45o - угол отклонения, можно получить формулу для спектрального разрешения, соответствующего ширине щели b:
=
|
b
fcol n m sec
|
=
|
b1
fcam n m sec
|
|
|
(1)
|
При уменьшении ширины щели важную роль начинают играть эффекты дифракции на оптике, и формула (1) принимает вид
=
|
dcol n m sec
|
|
|
(2)
|
Отсюда следует, что максимально возможная разрешающая сила спектрографа
достигается при ширине щели, меньшей или равной
bn = fcol
|
dcol
|
|
|
Данная ширина называется нормальной шириной щели. Однако, в астрономии нормальная ширина щели используется только при наблюдениях ярких протяженных объектов, например Солнца.
Далее рекомендуется дочитать описание задачи до конца, решить типовую задачу, и затем выполнить предложенные задания.
Типовая задача
Оцените, какое спектральное разрешение соoтветствует размеру пикселя используемой в задаче линейки в видимом диапазоне спектра.
Задание 1. Ознакомление с прибором и программой управления:
-
Ознакомиться со схемой прибора, cопоставить основные узлы спектрографа с его оптической схемой.
-
Расположить источник света перед щелью, и при снятой с прибора ПЗС-линейке рассмотреть глазом его спектр. Поворачивая барабан щели, отметить и записать отсчет, при котором щель полностью перекрывает свет (пропадает спектр). Этот отсчет, соответствующий положению закрытой щели, может не совпадать с нулем отчета барабана. Обратить внимание на изменения в спектре при изменении ширины щели.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ !!!
НИКОГДА, НИ ПРИ КАКИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ,
не начинать вводить спектр или темновой ток
ПРИ ОТКРЫТОЙ БОКОВОЙ КРЫШКЕ
или СНЯТОМ БЛОКЕ ПЗС-ЛИНЕЙКИ!
Подобные действия приведут к необратимому
выходу из строя ПЗС-линейки.
| -
Ознакомиться с описанием программы SP-30, которому необходимо следовать при дальнейшем выполнении задачи.
Несколько практических указаний:
-
В начале экспозиции в верхнем правом углу появляется надпись "накопление". По окончании экспозиции надпись исчезает, полученный снимок выводится на экран.
-
Положение регулятора наклона решетки, установленное в начале выполнения упражнений, не следует менять в процессе выполнения всех последующих заданий.
-
Суммарное время накопления сигнала равно Tцикл*Nцикл. Минимальные значения Tцикл=50мс, а Nцикл=10.
-
Темновой снимок должен быть получен с тем же временем накопления, что и все последующие снимки. При изменении Tцикл и (или) Nцикл необходимо заново вводить темновой снимок, ибо экспозиция с T=50 и N=200 не эквивалентна экспозиции с T=200 и N=50.
-
Не забывать, что форма непрерывного спектра на экране может плохо отражать действительную форму спектра из-за хода чувствительности линейки с длиной волны.
-
С включенной неоновой лампой накопить сигнал и записать ее спектр. Проверить правильность фокусировки прибора в указанном преподавателем спектральном диапазоне. Полуширина тонких линий неона на половине максимума линии должна составлять 1-2 пиксела. Полная ширина на 10 процентах интенсивности может достигать 6-7 пикселов.
Не следует производить фокусировку прибора самостоятельно
Задание 2. Калибровка прибора по спектральным линиям неона:
-
Сделать темновую запись с закрытой крышкой. Убедиться, что опция "учет темнового тока" включена. Установить перед щелью неоновую лампу. Сделать экспозицию при ширине шели в 3-4 раза превосходящей нормальную. Подобрать экспозицию так, чтобы интенсивности ярких линий были не менее 10К единиц и не более 1000К единиц. При этом шумовая дорожка темнового тока должна быть порядка 500 единиц. По окончании экспозиции на экране появится спектр, исправленный за темновой сигнал.
-
Отождествить линии неона, используя таблицы и фотографии спектра неона. Выбрать 5 линий в различных местах отображаемой области спектра.
-
Удалить старые реперные линии.
-
Ввести длины волн выбранных линий.
-
Прокалибровать спектр ("ПАРАМ" / "КАЛИБРОВКА"). После этой операции горизонтальная ось становится прокалиброванной по длинам волн. Выбрать в меню "ОПЦИИ" / "ШКАЛА X - ДЛИНЫ ВОЛН", при этом ось Х получается оцифрованной в ангстремах.
Задание 3. Определение разрешающей силы спектрографа и оптимальной ширины щели:
-
По близким линиям в спектре неона и по ширинам линий на половине интенсивности определить максимальное спектральное разрешение спектрографа (в ангстремах), считая, что собственная ширина линий меньше предельного разрешения. Сравнить с теоретическими значениями, рассчитанными по формулам (2) и (3).
-
Выбрать яркую линию в спектре неона. "Растянуть" линию вдоль оси X как можно больше, использую стрелки-прокрутки, находящиеся под экраном со спектром. Изменяя ширину щели спектрографа, получить ряд спектров, включающих выбранную линию. Для каждой экспозиции записать ширину щели, полуширину линии (в пикселях или ангстремах) и интенсивность линии в максимуме. По полученным данным построить зависимости полуширины и максимальной интенсивности линии от ширины щели. Сделать вывод об оптимальной ширине щели, при которой реализуется высокая разрешающая способность спектрографа.
Задание 4. Измерение кривой пропускания светофильтра:
-
Установить перед спектрографом лампу накаливания
-
Получить несколько спектров лампы С МАКСИМАЛЬНО ШИРОКОЙ щелью.
-
Просуммировать их через буфер.
-
Разделить результат на количество суммированных снимков.
-
Полученный усредненный снимок лампы записать в файл.
-
Расположив светофильтр перед щелью сделать несколько снимков спектра лампы через фильтр.
-
Усреднить их аналогичным образом, записать в файл.
-
Спектр лампы загрузить в буфер. Разделить спектр лампы через фильтр на спектр лампы без фильтра. Отсчеты полученной кривой вдоль вертикальной оси приводятся в умноженном на 10000 виде (т.е. реальное значение отношения интенсивностей = отсчет/10000). Записать кривую пропускания в файл. По полученной кривой пропускания фильтра определить положение максимума и соответствующее ему пропускание.
-
Распечатать запись кривой пропускания фильтра.
Задание 5. Отождествление линий в спектре дневного неба:
-
Установить ширину щели, близкую к нормальной. Заново сделать темновую экспозицию, затем кадр со спектром неба. Изменить время экспозиции, если интенсивность спектра слишком низкая (ниже 50000 единиц). В спектре дневного неба хорошо видны линии солнечного спектра, а также атмосферные линии молекулярного кислорода и молекул воды.
-
Отождествить линии солнечного спектра, находящиеся в выбранном спектральном диапазоне. Найти длины волн максимумов линий. Определить их ширину на половине интенсивности, сравнить с найденной ранее разрешающей способностью инструмента.
-
Распечатать спектр и отметить на распечатке, каким элементам линии принадлежат.
-
Для дублетов линий определить расстояние между линиями (в ангстремах) и сопоставить с табличными значениями. Примечание При низкой яркости неба во время выполнения задачи по усмотрению преподавателя студенту может быть предложена имеющаяся запись спектра, полученная ранее на этом же спектрографе.
Примеры Контрольных вопросов:
-
Каким узлом данного прибора определяется его максимально возможное спектральное разрешение?
-
Как связаны между собой ширина шели и ширина изображения монохроматической линии на детекторе (ПЗС линейке).
-
Нарисовать схему астрономического спектрографавместе с питающей оптикой (объективом телескопа). Как согласуются между собой оптические параметры различных элементов этой системы.
|