OES - Ondřejovský ešeletový spektrograf

Vznik ondřejovského ešeletového spektrografu

V roce 2004 byl dokončen zcela nový přístroj, ešeletový spektrograf. Pro princip činnosti ešeletového spektrografu viz. kapitolu zde.

Cílem projektu bylo rozšířit pozorovací možnosti směrem k vyššímu rozlišení a k přesnějšímu měření radiálních rychlostí.

OES je využíván většinou (byť ne výhradně) pracovní skupinou výzkumu exoplanet. Měřením přesných radiálních rychlostí mateřských hvězd je možné potvrdit či vyvrátit existenci exoplanet (pozorované změny ve spektru mohou být způsobeny též dvojhvězdností systému, pulsacemi zkoumané hvězdy apod.) a stanovit základní charakteristiky exoplanet.

Konstrukce ondřejovského ešeletu

Spektrograf je umístěn v přízemí budovy kopule, v tzv. ohnisku coudé 2, které je položeno symetricky vůči ohnisku coudé 1, v němž je jednořádový spektrograf. Přechod mezi ohnisky coudé 1 a coudé 2 se děje překlopením rovinného zrcátka, celý proces trvá cca 10s.

Světlo prochází štěrbinou, která je umístěna přesně v pozici coudé ohniska. Pak dopadá na kolimátor, který vytváří rovnoběžný světelný svazek, který je veden na mřížku - první disperzní element. Za mřížko následuje systém, kterému se v optice říká "bílá pupila". Tento systém má za úkol zúžit světelný svazek před tím, než přichází na druhý disperzní element. V Ondřejově je bílá pupila složená dvěma parabolickými zrcadly, v jejichž společném ohnisku je malé rovinné zrcátko. Protože se celý systém nachází za mřížkou, zobrazuje už mix spektrálních řádů, světelný svazek je tedy protáhlý a tudíž i rovinné zrcátko musí být protáhlé. Teprve za bílou pupilo dopadá svazek na druhý disperzní element, kterým je hranol. Díky bílé pupile může být hranol menší a tedy jeho pořizovací cena byla výrazně nižší. Tento hranol rozdělí jednotlivé spektrální řády "jeden nad druhý". Tento systém spektrálních řádů se pak objektivem Canon zobrazuje na CCD čip umístěný v dewarově nádobě.

Optické schéma OESu. A - štěrbina (v pozici coudé ohniska) B - kolimátor C - ešeletová mřížka D - první parabolické zrcadlo E - malé rovinné zrcátko F - druhé parabolické zrcadlo (Prvky D, E a F tvoří bílou pupilu) G - hranol H - objektiv a dewarka se CCD čipem
Ešeletová mřížka a malé rovinné zrcátko. Na optickém schématu to jsou prvky C a E.
První kolímátor. Na optickém schématu to je prvek označený písmenem D.	Druhý kolimátor Na optickém schématu to je prvek označený písmenem F.
Hranol: druhý disperzní prvek. Na optickém schématu označen písmenem G.
Vyjmutý hranol ve svém úchytu.
Objektiv Canon. Na optickém schématu písmeno H (spolu s dewarkou a CCD čipem).

Technická specifikace OESu

A - štěrbina
šířka=0.6mm
výška=0.22, 0.5, 1.07, 2.02, 3.1mm

Výšku štěrbiny je možno měnit: za štěrbinou je vymezovací prvek s požadovanou výškou. Tyto vymezovací prvky se dají ručně vyměnit.

Konstrukce štěrbiny OESu.

Štěrbina je lesklá, je na ni namířena pointační kamera.

Štěrbina není přesně vodorovně, je "našikmo" o 6.5^o, jak je to naznačeno i na obrázku. Důvod je ten, že se sklonem štěrbiny dá mírně sklon spektrálních čar na spektru.

B - kolimátor
průměr mechanický=178mm
průměr optický=150mm,
f=4637.5mm
tloušťka=31.8mm
materiál: Zerodur
hustota: 2.53g/cm³
objem=785cm³
hmotnost=1.987kg výrobce: Vývojová optická dílna AV ČR, Turnov

Světelný svazek od štěrbiny ke kolimátoru je skloněn o úhel 2.6^o. Po odrazu je světelný svazek horizontální a dopadá na mřížku, která je výškově umístěna pod štěrbinou. Horizontálně je mřížka mezi štěrbinou a kolimátorem.

C - mřížka
počet vrypů: 54.5mm^-1
blaze úhel: 69^o
rozměry mechanické: 165x420x74mm
rozměry ryté plochy: 157x412 (tj. 4mm okraj)
materiál: Zerodur
hustota: 2.53g/cm³
objem: 5128cm³
hmotnost: 12.974kg
výrobce: Richardson Grating Laboratories

Na mřížku přichází světelný paprsek v horizontální ose (od kolimátoru B). Normála mřížky je skloněna o 69^o (mřížka je obrácena rytou stranou dolů). Mřížka (přesně technicky řečeno "svislá rovina symetrie mřížky") je odkloněna o 2.75^o do strany, takže odcházející světelný svazek je odkloněn o 5.5^o do strany od svazku z kolimátoru. Tento odcházející svazek je již rozložen do spektrálních řádů zobrazených jeden přes druhý.

D - 1. parabola - prvek "bílé pupily"
průměr mechanický: 450mm
průměr optický:
f=1628mm
tloušťka: 74.1mm
materiál: Zerodur
hustota: 2.53g/cm³
objem: 10200cm³
hmotnost: 25.7kg
výrobce: Vývojová optická dílna AV ČR, Turnov

Světelný svazek jdoucí z mřížka na zrcadlo se pohybuje v horizontální rovině před dopadem na parabolu i po odrazu, ale odklání se o úhel 1.3^o.

Parabola pracuje jako mimoosový optický prvek, použita je část zrcadla se středem 105mm od optické osy paraboly. Protože na tuto parabolu dopadá již protažený světelný svazek (smíchané spektrální řády), je délka použité části 330mm.

Parabola nemá kruhový tvar. Je tak blízko ke světelnému svazku mezi kolimátorem B a mřížkou C, že by zacláněla, je část paraboly vykrojena a parabola má "useknutý" tvar. Z konstrukčních důvodů je odkrojena symetricky z obou stran, do hloubky 370.3mm na jedné straně a 370.5mm na druhé straně.

Tvar parabolického zrcadla D.

E - rovinné zrcátko - prvek "bílé pupily".
rozměr mechanický: 50.5x265x42.5mm
rozměr optický: 50x260mm
materiál: Simax
hustota: 2.23g/cm³
objem: 569cm³
hmotnost: 1269g
výrobce:Walter - MFF UK

Protože světlo už je rozloženo do spektrálních řádů, je světelný svazek protáhlý a i zrcátko je tudíž obdélníkové.

Zrcátko je skloněno pod úhlem 45^o, aktivní plochou dolů.

Rovinné zrcátko je ve společném ohnisku parabol D (předchozí bod) a F (následující bod). Samotné rovinné zrcátko je opticky neutrální prvek a slouží pouze k "zalomení" optické dráhy světla: přicházející svazek je horizontální, odražený je vertikální.

F - 2. parabola - prvek "bílé pupily"
průměr mechanický: 350mm
f=1086mm
tloušťka: 54.4mm
materiál: Zerodur
hustota: 2.53g/cm³
objem: 4850cm³
hmotnost: 12400g
Výrobce: Vývojová optická dílna AV ČR, Turnov

Zrcadlo je uložené optickou plochou vzhůru. Odražený paprsek směřuje vzhůru a je odkloněný o 4.8^o od svislice (od dopadajícího svazku).

Parabola pracuje jako mimoosový optický prvek, použita je část zrcadla se středem 70mm od optické osy paraboly, použitá plocha měří 100x220mm.

Ve své ohniskové ploše vytváří obraz pupily o průměru 100mm.

G - hranol
rozměr základny: 144x118mm (délka lámavé hrany 118mm)
výška hranolu od základny: 140mm
lámavý úhel: 54.5^o
materiál: LF5
hustota: 3.25g/cm³
objem: 1191cm³
hmotnost: 3870g
Výrobce: Walter - MFF UK

Hranol je umístěn těsně před ohniskem paraboly F, ve vzdálenosti 1000mm od jeho optické plochy (měřeno v optické ose svazku z paraboly F na hranol G).

Dopadový úhel světelného svazku je 46.8^o, odchylka středového paprsku pro vlnovou délku 4800 angstromů je 38.6^o.

Hranol je druhý disperzní element, který "rozdělí" jednotlivé spektrální řády, dosud smíchané, jeden nad druhý a konečně vytvoří ešelogram, který se zobrazí kamerou na záznamové médium.

H - objektiv + dewarka

parametry objektivu
specifikace: Canon EF lens 200, F1.8L Ultrasonic
f=200mm
světelnost c=1.8
průměr vstupní pupily: 111.1mm
zorný úhel: 12^o

Objektiv je umístěn těsně (ve vzdálenosti 1mm) za hranolem. V jeho ohniskové ploše je CCD čip.

parametry CCD čipu a dewarky
detektor: Versarray 2048B
čip: EEV 42-40-1-368
počet pixelů: 2048x2048
rozměr pixelu: 13.5 mikrometrů
gain: 2
čtecí šum: 10
provozní teplota: -110°C
chlazení: kapalný dusík
obrazové pole: 30x10.5mm
použitelný rozsah vlnových délek cca 3700 až 9000 angstromů
dodavatel: Roper Scientific

Dewarova nádoba. Dewarka je nakloněna, je naplněna kapalným dusíkem. CCD čip je v její dolní části. Na fotografii pod dewarkou je vidět hranol. V pozadí vlevo lze tušit mřížku (je možné ji najít podle žlutého ukazatele indikátorových hodinek).

Mechanická konstrukce - nosné rámy

Hlavní nosný rám je šroubovaná konstrukce složená ze 4 svařovaných částí. Jednotlivé části jsou svařeny ze čtvercových profilů o straně 60mm. V každém svařenci jsou kromě vnějších profilů i vnitřní úhlopříčné příčky, které zaručují vysokou mechanickou tuhost.

Každá ze čtyř částí má hmotnost do 60kg.

Rám jako celek je sešroubován na místě a ukotven ve třech pevných bodech. Tyto pevné body jsou součástí pilíře dalekohledu, tudíž se vyznačují velkou stabilitou.
délka: 2272mm
šířka: 1050mm
výška: 1102mm
hmotnost: 225kg

Hlavní nosný rám a celková mechanická konstrukce. Není zachycen kolimátor f=4637.5mm (prvek B na schématu), který je za okrajem obrázku vlevo. Jsou však zobrazeny světelné svazky ze štěrbiny A na kolimátor B a z kolimátoru B na mřížku C - na pravém obrázku jsou na levé hraně obrázku.

Justážní pohyby a prvky

Každý optický systém je nutné justovat. Tak složitý přístroj, jakým je ešeletový spektrograf, samozřejmě není výjimkou.

Všechny optické prvky OESu se dají justovat dvěma typy justážních pohybů - hrubými a jemnými.

Hrubé justážní pohyby umožňují přibližné nastavení jednotlivých optických prvků vůči nosným rámům. Používají se při dokončování přístroje, vlastně jednorázově.

Správné polohy se dosahuje pohyby jednotlivých duralových skříní (které jsou postaveny na hlavním ocelovém nosném rámu), obvykle umožňují rozsah hrubých pohybů cca +-50mm. Po dosažení nejlepší možné "hrubé" polohy se aretují.

Jemné justážní pohyby slouží k nastavení optických elementů do přesných pozic. Jako justážní šrouby pro jemné pohyby jsou použity mikrometrické šrouby firmy New Focus. Tyto šrouby se skládají z ocelového šroubu se stoupáním typicky 0.3mm a mosazného maticového pouzdra s aretací. Hlavní výhodou použitých šroubů je hladký bezvůlový chod.

Odlišně je řešeno celkové uložení a justážní pohyby mřížky.

Mřížka má vlastní objímku pro snadnou manipulaci. Mřížka leží v objímce na třech bodech za nerytý 4mm okraj. K těmto bodům je přitlačena ve dvou stavitelných bodech na zadní stěně (obrácené vzhůru). Dále je mřížka držena v šesti bodech po svém obvodu, 3 z nich jsou pevné a 3 stavitelné.

Mřížku lze hrubě justovat ve třech směrech, rozsah pohybů je cca +-50mm.

Jemné justážní pohyby jsou ve dvou vzájemně kolmých osách. Jedna osa je v rovině vrypů a je rovnoběžná s vrypy. Lze jí měnit tzv. úhel mřížky. Druhá osa je v rovině vrypů a je kolmá na vrypy. Lze jí mřížku "naklánět do stran". Rozsahy pohybů jsou cca +-1^o. Mřížka je uchycena v tzv. pružných kloubech. Toto řešení je tuhé, vysoce stabilní, nejsou žádné vůle. Paprskovité struktury kloubů jsou vyrobeny z pružinové oceli technologií elektrojiskrového obrábění.

Detail uložení ešeletové mřížky. (Vpravo je vidět rovinné zrcátko.)
Pružné klouby. Vlevo pro justáž v horizontální ose rovnoběžné s vrypy, vpravo kloub pro rotaci v ose kolmé na vrypy.

Základní charakteristiky používaného CCD čipu

:

CCD čip: Versarray 2048B, EEV 2048x2048, EEV 42-10-1-368, pixel 13.5 micrometers

Gain: 2

Čtecí šum: 10

Provozní teplota: -110°C

Chlazení: kapalný dusík

:

:

:

Tvar spektra

Echellogram.

Tabulka rozsahu jednotlivých spektrálních řádů

Rozsah jednotlivých řádů. Na prvním obrázku celkový rozsah OESu od blízké UV do blízké IR oblasti. Na dalších obrázcích detaily. Modře je zobrazeno spektrum hvězdy etaUMa, červeně rozsahy jednotlivých řádů ešeletu, černě jsou zachyceny středy jednotlivých řádů. Je vidět, že od 5879A se řády nepřekrývají. Klikni na obrázky pro plné rozlišení

Atlas srovnávacích čar Thorium Argonové výbojky pro kalibraci vlnových délek