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 f_col  = 36  см, d_col  =  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 f_cam  =  13  см, d_cam  =  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_a, H_b и молекулярной линии O₂ соответственно.

В качестве приемника используется неохлаждаемая ПЗС-линейка, содержащая около 2770 рабочих элементов (пикселей). Размер одного пикселя вдоль направления дисперсии d_p  = 13  mm. 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  =  l/ dl. 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  »   d_p. В свою очередь

b1  =  b  · (fcam / fcol)

Учитывая, что угловая дисперсия дифракционной решетки равна

d f d l  =  n ·m ·sec  f

где m - порядок спектра, n - число штрихов на см, f » 45^o - угол отклонения, можно получить формулу для спектрального разрешения, соответствующего ширине щели b:

Dl =   b fcol  n   m   sec  f  =   b1 fcam  n   m   sec  f

(1)

При уменьшении ширины щели важную роль начинают играть эффекты дифракции на оптике, и формула (1) принимает вид

Dl =   l dcol  n  m   sec f

(2)

Отсюда следует, что максимально возможная разрешающая сила спектрографа

Rmax  =  dcol   m   n sec  f

(3)

достигается при ширине щели, меньшей или равной

bn  =  fcol  l 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.

1. Ознакомиться со схемой прибора, cопоставить основные узлы спектрографа с его оптической схемой.
2. 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.

   
   
3. 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.
4. 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

1. 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.
2. Отождествить линии неона, используя таблицы и фотографии спектра неона. Выбрать 5 линий в различных местах отображаемой области спектра.
3. Удалить старые реперные линии.
4. Ввести длины волн выбранных линий.
5. 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.

1. 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).
2. 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.

1. Установить перед спектрографом лампу накаливания
2. Получить несколько спектров лампы С МАКСИМАЛЬНО ШИРОКОЙ щелью.
3. Просуммировать их через буфер.
4. Разделить результат на количество суммированных снимков.
5. Полученный усредненный снимок лампы записать в файл.
6. Расположив светофильтр перед щелью сделать несколько снимков спектра лампы через фильтр.
7. Усреднить их аналогичным образом, записать в файл.
8. 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.
9. Распечатать запись кривой пропускания фильтра.

1. 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.
2. 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.
3. Распечатать спектр и отметить на распечатке, каким элементам линии принадлежат.
4. 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.

1. Каким узлом данного прибора определяется его максимально возможное спектральное разрешение?
2. Как связаны между собой ширина шели и ширина изображения монохроматической линии на детекторе (ПЗС линейке).
3. Нарисовать схему астрономического спектрографавместе с питающей оптикой (объективом телескопа). Как согласуются между собой оптические параметры различных элементов этой системы.