Светоприемна апаратура в НАО Рожен

Светоприемна апаратура в НАО Рожен

 Пенчо Маркишки,

Институт по астрономия с НАО, БАН.

Юни 2019 г.

Традиционната представа за астронома като човек, гледащ през окуляра на своя телескоп, отдавна вече не е актуална. С навлизането на фотографските наблюдателни методи към края на 19-и век, в астрономията настъпила нова ера. Високо оценен бил факта, че фотографските изображения отразяват най-точно вида на обектите. Поради това снимките заменили правените до тогава зарисовки, които били повече или по-малко субективни. Забелязано било също, че след дългите експозиции, върху фотографските плаки се регистрирали много на брой обекти с ниска яркост, които човешкото око дори не съзирало в окуляра. Оказало се, че по фотографските изображения било възможно да се измерват блясъка и видимите положения на астрономическите обекти, както и да се проследяват евентуални промени в тях – чрез сравнение с по-ранни кадри. Поради тези свои преимущества, фотографията бързо изместила човешкото око. Спектроскопията също навлязла в астрономията и към големите телескопи били прикрепени сложни спектрографи, които регистрирали спектрите на наблюдаваните обекти върху фотографски плаки. Тези инструменти позволили да се разбере много за природата на звездите и мъглявините – техният химически състав, движения в пространството и ред други физични параметри.

 

С развитието на технологиите в по-ново време, светоприемната апаратура постоянно се усъвършенства и става все по-чувствителна. През 90-е години на миналия век цифровите детектори изместиха фотографските плаки и се премина към изцяло софтуерна обработка и анализ на изображенията. Днес в астрономическите обсерватории се използват много и различни по тип инструменти, прикачващи се към  телескопите или свързващи се с тях чрез светлинни влакна. За посетителите на една обсерватория обаче тези прибори остават някак скрити. Някои от тях са инсталирани в отделни помещения около подкуполната зала на телескопа, в които достъпът на хора е силно ограничен, поради строги изисквания за поддръжка на постоянна температура, ниска влажност и обезпрашеност. Други инструменти се монтират във фокалната равнина на телескопа малко преди началото на самите наблюдения. След една или няколко нощи работа, те се демонтират и се продължава с подготовката на следващите наблюдателни задачи, изискващи различна конфигурация на системата.

 

В Националната астрономическа обсерватория Рожен също се използва набор от различни инструменти, работещи заедно с двуметровият Ричи-Кретиен-Куде телескоп (фиг. 1). Освен CCD-камерите, обичайно използвани при фотометрични и астрометрични наблюдения, светлината от телескопа може да бъде изпращана в два спектрографа с висока разделителна способност. Също ценен инструмент е двуканалният фокален редуктор FoReRo-2, който може да работи в няколко режима – да фотографира изследвания обект едновременно в две различни дължини на светлинната вълна, да се превръща в спектрограф с ниско разрешение, в поляриметър, в спектрополяриметър и пр. Освен тези инструменти е наличен и електрофотометър, позволяващ регистриране на кратковременни промени в блясъка на някои типове звезди.

 

Фиг. 1. 2m Ричи-Кретиен-Куде телескоп на НАО Рожен, произведен в заводите Карл Цайс към края на 70-е години на миналия век

 

Фиг. 2. Устройство и начин на действие на 2m РКК телескоп в НАО Рожен

 

Монтировката на 2m РКК телескоп:

 

Телескопът е монтиран екваториално и се насочва по зададени небесни координати, чрез въртене около две оси – часова и деклинационна (фиг. 2). Часовата ос се носи от лагерите a и a′ и е наклонена на север, на ъгъл, съответстващ на височината на северния небесен полюс над хоризонта (т.е. на географската ширина, на която се намира НАО: 41° 41′ 40″ N). Този наклон позволява телескопът да следи небесните обекти по време на дългите фотографски експозиции, чрез бавно въртене само около часовата ос, синхронно с видимото движение на небесната сфера (т.нар. водене). Насочването по деклинация става чрез въртене на зрителната тръба около късата деклинационна ос d. Тежестта на зрителната тръба се уравновесява от противотежестта P, като общият център на тежестта съвпада с центърa О на полираната метална сфера s, която лагерува върху маслената възглавница a. Последната се нагнетява от помпа в специално легло, имащо кривина като тази на сферата s. Това всъщност е горният лагер на часовата ос. Сферата s поема цялата тежест на телескопа, а долният (южен) лагер a′ остава ненатоварен. В самата зрителна тръба, близо 2.5 тонното главно огледало 1 лежи върху разтоварващия механизъм m, представляващ сложна система от лостове и тежести, разпределящи равномерно тежестта на огледалото при различен наклон на телескопа. Така се избягват деформации на отразяващата повърхност, които биха влошили качеството на образа. В задната част на зрителната тръба се намира блокът n, към който се прикачва светоприемната апаратура – камери, спектрографи, фотометри и др., подбрани според наблюдателните задачи. Блокът n има възможност да се завърта около главната оптична ос на телескопа и да се фиксира на произволен позиционен ъгъл. На него е монтирана автогидираща система, отговорна за прецизното водене на телескопа по звезда, избрана във видима близост до изследвания обект.

 

Двете оптични системи на телескопа:

 

Паралелният светлинен сноп, идващ от наблюдавания астрономически обект, попада в главното вдлъбнато хиперболично огледало 1 и след отражение в него се отправя към едно от двете изпъкнали вторични огледала 2a или 2b, но вече като фокусиращ се (сходящ) сноп лъчи. При системата Куде (от фр. Coudé – лакът, фиг. 2 вляво), вторичното огледало 2a е обърнато към главното и отразява снопа, връщайки го назад към плоското огледало 3, което е наклонено под 45° спрямо оптичната ос на телескопа. След отражението си в него, стесняващият се светлинен сноп влиза в кухата деклинационна ос d на телескопа и достига плоското огледало 4, което също е наклонено под 45°. След четвъртото отражение снопът преминава през цялата часова ос на монтировката и влиза в помещение под телескопа – на долния етаж. След отражение в още едно плоско огледало (5),  снопът достига фокуса си F Куде, след което попада в сложната оптична система на Куде-спектрограф, инсталиран в две помещения на долния етаж. Фокусното разстояние на телескопа при системата Куде е 72 m. Предимството на тази система е, че независимо в каква посока е насочен телескопа, образът на обекта се построява винаги в стационарния Куде-фокус F Куде и може да бъде анализиран от тежка и обемна светоприемна апаратура. Недостатък на системата Куде са многото отражения, при които се получават загуби на светлинна енергия.

Към система Ричи-Кретиен (Ritchey-Chretien) – РК или RC (фиг. 2 вдясно) се преминава, като вторичното огледало 2a се разменя с 2b чрез превъртане на носещия ги кръст на 180°. Тъй като хиперболичното огледало 2b е по-малко изпъкнало, резултантното фокусно разстояние на системата се скъсява до 16 m. Освен това се отстранява плоското отклоняващо огледало 3, за да може фокусиращият се светлинен сноп да премине през централния отвор на главното огледало и да достигне фокуса си F РК.

Оптичната система на телескопа се променя от Ричи-Кретиен на Куде с наближаването на всяко пълнолуние, когато светлото заради Луната нощно небе не позволява да се извършват фотометрични наблюдения. но могат да се фотографират звездни спектри в Куде-спектрографа. Системата се връща обратно на РК когато наближава новолуние.

 

Може би най-забележителният инструмент към 2m телескоп в НАО е големият Куде-спектрограф, намиращ се на етажа под самия телескоп. Той е уникален с конструкцията си – с големите си оптични детайли, монтирани върху масивни бетонни колони, за да се избегнат размествания от случайни докосвания. В камерната зала на спектрографа се поддържа постоянна температура и ниска влажност, поради което достъпът до помещението е силно ограничен.

 

 

Фиг. 3. Процепният (входен) блок на Куде-спектрографа в НАО. Светлината от 2m РКК телескоп постъпва през тръбата, слизаща от горния етаж. След като премине през процепа на спектрографа, светлината постъпва в съседното помещение през хоризонталната тръба, излизаща вдясно от блока. В съседното помещение дълго 12 m (наричано Камерна зала) са разположени всички останали елементи на спектрографа.

 Фиг. 4. Дифракционната решеткa на Куде-спектрографа и корекционната пластина пред нея.

 

Фиг. 5. Принципна оптична схема на Куде-спектрографа на 2m телескоп в НАО

Начин на действие на Куде-спектрографа: При правилна фокусировка Куде-фокусът на телескопа F Куде съвпада с процепа 1 на спектрографа (фиг. 5), който е с регулираща се ширина. Процепът се формира между остриетата на два огледално отразяващи ножа. През окуляра за гидиране 1a се контролира дали образът на наблюдавания обект попада правилно в процепа или се отразява в някои от двата ножа и е нужна лека корекция в насочването на телескопа. След преминаването си през фокуса F Куде, светлинният сноп продължава като разходящ и достига външноосовия огледален колиматор 2, който е с геометрия на страничен сегмент от параболоид. Колиматорът е с фокусно разстояние 10.8 m и диаметър 300 mm. След отражението си в него, светлината продължава като паралелен сноп и попада в отражателната дифракционна решетка 3, монтирана на носещия механизъм 4. Този механизъм позволява чрез микрометричен винт да бъде настройван работният ъгъл на решетката, чрез който се избира желаната спектрална област, която ще се наблюдава с висока разделителна способност. След отражението с дисперсия в дифракционната решетка, светлината преминава през корекционната (Шмит) пластина 5 и достига до сферичното вдлъбнато огледало 6, което е с фокусно разстояние 1.9 m и диаметър 1 m. Огледалото 6 и пластината 5 съставят класическа Шмит-камера, построяваща спектралното изображение върху фотоприемника. След ерата на фотографските плаки са добавени отклоняващото плоско огледало 7 и CCD-камерата 8. На позиция 3 могат да се монтират две дифракционни решетки, даващи различна ъглова дисперсия. Те са съответно с 632 линии/mm и с 1200 линии/mm. Чрез тяхната смяна спектрографът променя спектралната си разделителна способност, съответно на 17 000 и 30 000. Спектралната разделителна способност се дава с отношението λ/Δλ, където Δλ е разликата в дължините на вълните за две най-близки спектрални линии около дадена λ, които спектрографът е в състояние да възпроизведе като разделени. Освен от ъгловата дисперсия на дифракционната решетка, спектралната разделителна способност зависи от ширината на процепа 1, от фокусното разстояние на камерното огледало 6, от размера на пикселите на CCD-матрицата 8, от качеството на всички оптични компоненти и от още някои особености.

 

Чрез спектрографи конструирани по класическа оптична система, като Куде-спектрографът в НАО, може да се изследва избрана област от спектъра с висока разделителна способност, но за сметка на това, в даден момент може да се наблюдава само тази област – с диапазон примерно едва 20 nm. За да се избере друга област от спектъра е нужно да се промени работният ъгъл на дифракционната решетка посредством механизма 4. Това неудобство е преодоляно при т. нар. ешелни спектрографи, при които едновременно може да се фотографира голям спектрален диапазон, например целият видим спектър, заедно с близката ултравиолетова и инфрачервена област. Особеното при ешелните спектрографи е, че този голям диапазон се наблюдава също с висока разделителна способност, като за целта спектърът се възпроизвежда „пренесен“ на много „редове“ в рамките на един кадър. Това се постига, като освен основният диспергиращ елемент – отражателна дифракционна решетка с малък брой линии на 1 mm (т. нар. ешеле-решетка), се използва втори дисперсер, наричан крос-дисперсер – стъклена триъгълна призма или втора дифракционна решетка. Крос-дисперсерът е ориентиран така, че неговото направление на дисперсията да е перпендикулярно на това на основният диспергиращ елемент. Поради малката гъстота на линиите на ешеле-решетката – обикновено между 30 и 40 на 1 mm, при дифракцията на светлината се получават няколко десетки спектрални порядъка, всеки – показващ леко различен спектрален диапазон. Тези порядъци биват допълнително удължени от крос-дисперсера в перпендикулярно направление и така се формират „редовете“ в крайното спектрално изображение. През 2014 и 2015 г. в НАО Рожен бе конструиран ешелен спектрограф, наречен „ESpeRo“ (Echelle Spectrograph Rozhen – фиг. 6).

 

 

Фиг. 6. Ешелният спектрограф ESpeRo в НАО с отворен капак. Компонентите са разположени върху оптична маса, чиито крака са снабдени с пневматична антивибрационна система. Относно номерацията на отделните компоненти – вижте описанието на ESpeRo в текста

 Фиг. 7. Оптична схема на ешелният спектрограф ESpeRo в НАО Рожен

Начин на работа на ESpeRo: Светлината от Ричи-Кретиен фокуса на 2m телескоп се довежда до спектрографа чрез оптичното влакно 1 (фиг. 7), дълго 30 m и с диаметър 50 μm. Тъй като светлината напуска влакното във вид на доста разходящ сноп – с отношение 1:5.3, тя преминава първо през преобразувателя 2 – система от малки ахроматични лещи, които променят снопа от разходящ – в сходящ, с отношение 1:15. С това отношение снопът се фокусира в равнината на  регулируемия процеп 3 и продължава след него отново като разходящ, достигайки външноосовия огледален колиматор 4. Колиматорът е с фокусно разстояние 1508 mm и диаметър 150 mm. Неговата цел е да приведе светлинния сноп в паралелен – с диаметър 100 mm, в какъвто вид той попада в ешеле-решетката 5. Последната е с 37.5 линии/mm, профилирани така, че отразяващата повърхност наподобява стълбище с миниатюрни стъпалца. Поради това ешеле-решетката работи при т. нар. ъгъл на блясъка (blaze angle) 63.5°. Това е ъгълът между нормалата към отразяващата повърхност и попадащата върху нея светлина, при който получените спектрални порядъци са най-ярки. С други думи, при този ъгъл светлинната енергия се оползотворява най-добре. Отразената от решетката и диспергирана в десетки спектрални порядъци светлина попада в крос-дисперсера 6 – масивна триъгълна призма от флинтово стъкло Ф8, с ъгъл на пречупващия ръб 53.7°. Направлението на дисперсията на призмата е перпендикулярно на това на решетката, поради което светлината от многото спектрални порядъци се диспергира допълнително, но в перпендикулярна посока (тук лежаща в равнината на фигурата). Последният оптичен компонент е камерния обектив 7 – Canon EF 400/2.8L IS II USM, който построява спектралното изображение върху сензора на камерата 8. Спектърът се изобразява в полето на камерата в 68 порядъка, т.е. на толкова „реда“ е пренесен целият наблюдаван спектрален диапазон от 390 до 900 nm. Разделителната способност на спектрографа е около 30 000. CCD-камерата 8 е Andor iKon-L 936, с матрица с размери 27.65 × 27.65 mm, 2 048 × 2 048 пиксела, с размер на пикселите 13.5 × 13.5 μm. По време на работа камерата се охлажда до –80°C чрез пелтие-елементи, с цел намаляване на топлинния шум.

 

 

Фиг. 8. Вид на спектър, получен с ешелен спектрограф. Отделните редове всъщност са разширените от крос-дисперсера десетки спектрални порядъка, получени преди това от ешеле-решетката. Всеки следващ спектрален порядък (в случая броени отгоре-надолу) показва свободен спектрален диапазон, отместен към по-късовълновата част на спектъра

 

 

Фокусното разстояние на обектива на един телескоп определя мащаба на образите на площните астрономически обекти – мъглявини, комети, планети и пр. Любителските телескопи обикновено имат фокусни разстояния от няколко десетки сантиметра до няколко метра, а професионалните телескопи – от няколко метра до няколко десетки метра. Поради това любителите астрономи често използват средства за удължаване на фокусното разстояние на своите телескопи, с цел постигане на големи увеличения – чрез т. нар. лещи на Барлоу или с окулярна проекция. При професионалните телескопи нерядко се налага точно обратното – скъсяване на фокусното разстояние, с цел побиране на по-широко зрително поле в рамките на един кадър. При това се повишава и светлосилата на телескопа, което е решаващо за получаването на по-ярки образи на площни астрономически обекти. За целта на телескопа се монтира т. нар. фокален редуктор. Това най-често е многофункционално устройство, позволяващо провеждане на различни по тип изследвания – фотометрични, спектрални, поляриметрични и др., което става чрез промяна на режима на работа на фокалния редуктор.

 

 

Фиг. 9. Принцип на работа на фокален редуктор

Обърнатият образ в прекия фокус F1 на телескопа се проектира с изправяне във втора фокална равнина (във фокуса F2), но в умален вид, тъй като фокусното разстояние f1 на първия обектив (колиматор) е по-дълго от фокусното разстояние f2 на втория обектив. Светлината между двата обектива се движи в паралелен сноп, в който е удобно да бъдат монтирани оптични компоненти, разширяващи възможностите за изследване на наблюдавания обект. Образът на обекта във втората фокална равнина ще бъде умален f1/f2 пъти. Резултантната геометрична светлосила на системата телескоп плюс фокален редуктор ще се повиши с (f1/f2)2 пъти.

Величината V = (f2/f1) се нарича фактор на редуктора, като V < 1.

За резултантното (еквивалентното) фокусно разстояние на системата телескоп плюс фокален редуктор имаме f резулт. = f телескоп × V, като f резулт. е по-късо от собственото фокусно разстояние на телескопа.

 

 

Фиг. 10. Двуканалният фокален редуктор FoReRo-2 монтиран на 2m РКК телескоп в НАО

 Фиг. 11. Принципна оптична схема на двуканалния фокален редуктор FoReRo-2

Фиг. 12. Двата камерни обектива с фокусни разстояния 140 mm, f/2.8 на FoReRo-2:

a – „синият“ обектив (позиция 8 във фиг. 11), оптимизиран за диапазона 365 – 436 nm.

b – „червеният“ обектив (позиция 7), оптимизиран за диапазона 587 – 1014 nm.

Оптимизацията се състои в това, че в рамките на указаните спектрални диапазони няма хроматична аберация, т.е. разноцветните лъчи се събират в един фокус.

Начин на работа на FoReRo-2: След Ричи-Кретиен фокуса F РК на 2m телескоп (фиг. 11) светлината продължава като разходящ сноп, преминавайки през полевата леща 1 и колиматора 2. Колиматорът е с фокусно разстояние 400 mm. След него светлинният сноп е вече паралелен и в позиция 3 могат да се монтират различни оптични компоненти, подбрани съобразно методиката на наблюдението. След позиция 3 паралелният сноп се разделя на две от цветоотделителя 4 (дихроидно огледало), който пропуска по-дълговълновата светлина през себе си – в червения канал и отразява по-късовълновата светлина на 90° встрани – към синия канал. В позиция 4 могат да се поставят различни цветоотделители, пропускащи и отразяващи светлина в различни спектрални диапазони. След цветоотделителя светлината преминава през светофилтрите 5 и 6 в двата канала, които умишлено са леко неперпендикулярни на оптичните оси, за да се избегне появата на вредни отражения от плоските им повърхности. Чрез голям набор от различни светофилтри, поставящи се в позиции 5 и 6, се определят дължините на светлинната вълна, в които ще работят двата канала. Накрая двата паралелни снопа попадат в камерните обективи 7 и 8, които построяват двата разноцветни образа F′ и F″ на изследвания обект, съответно върху сензорите 9 и 10 на двете CCD-камери. Двете камери са Andor iKon-L с вече описаните параметри. Те снимат обекта едновременно. Обективите 7 и 8 (фиг. 12) са с фокусни разстояния 140 mm, f/2.8 и са оптимизирани да работят в различни спектрални диапазони. „Червеният“ обектив 7 е оптимизиран за диапазона 587 – 1014 nm, а „синият“ обектив 8 – за диапазона 365 – 436 nm. Предвид отношението между фокусните разстояния на колиматора 2 и на камерните обективи 7 и 8, редукцията на фокусното разстояние е 2.86 пъти, което означава скъсяване от 16 до 5.6 m. При това относителният отвор на телескопа се променя от 1:8 до 1:2.8, което значи повишаване на геометричната светлосила 8 пъти.

Режимите, в които работи инструмента FoReRo-2 могат да се променят, като в паралелния сноп – на позиция 3 се монтират различни оптични приспособления. Например чрез т. нар. интерферометри на Фабри-Перо, работещи като настройващи се тесноивични филтри, могат да се изследват обекти в точно определена много тясна спектрална област, т.е. в монохроматична светлина. В позиция 3 могат да се монтират и т.нар. призми на Уоластон, използвани при поляриметрични изследвания. Тези призми имат свойството двойно лъчепречупване и разделят светлината на два снопа, поляризирани линейно във взаимноперпендикулярни направления. В паралелния сноп могат да се поставят и т.нар гризми – спектрографски призми с неголям ъгъл на пречупване, върху едната повърхност на които е формирана прозрачна дифракционна решетка. Тази комбинация от призма и решетка позволява диспергираната светлина да не се отбива на съществен ъгъл поради пречупването, както се получава в класическите призмови спектрографи. По този начин FoReRo-2 се превръща в спектрограф с ниска разделителна способност и с „право гледане“ на получените спектри.

 

 

 

 

Фиг. 13. Електрофотометри с фотоумножители: a – на 2м РКК-телескоп (доц. Д. Колев), b – на 60 см Касегрен телескоп

Таб. 1. Параметри на използваните в момента телескопи и камери в НАО Рожен и АО Белоградчик

* при FoReRo-2 полето може да бъде силно ограничено от някои детайли, поставящи се в светлинния сноп

Коментирай

Не сте въвели всички задължителните полета!

Вашият коментар бе публикуван успешно!

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван.

Задължителните полета са маркирани с *

Най-популярни:

Най-ново от събития:
Най-ново от конкурси: