Наивные вопросы про спектроскопию

[Gleb1964]

Вы об этом спросили?

не, я про пластину Шмидта = целостат = входной зрачок.

Входной зрачок расположен на корректоре-целостате, который удален на двойное фокусное расстояние. Проекция входного зрачка на сферическое зеркало смещается на двойную величину от полевого угла, нежели тень от пластины. Вроде бы все просто.

[krussh]

Вроде бы все просто.

ОК, действительно просто!

[voiserg]

Цитата: voiserg от Вчера в 12:25:46

Получается, что полезно используется в лучшем случае только 10% площади.

И одновременно получаем 4000 спектров. Это даже оооочень эффективно.

Да уж, гораааздо больше, чем два канала у меня.
Но с другой стороны, разрешение 60000  при масштабе дисперсии 0,14 А/пиксель у меня (и ваши 30000 и 0,05 А/пиксель в UFES ) гораааздо больше, чем разрешение 5000 при масштабе дисперсии 2 А/пиксель на каждом из 16 спектроскопов у китайцев в режиме максимального разрешения .

Насколько я понимаю, китайцы с такой малой дисперсией и разрешением открыли 3 супербыстрые звезды (HVS) именно потому, что остальные медленные звезды для них просто стоят на месте (доплеровский сдвиг неразличим).
Интересно, вы на UFES можете получить спектры тех же 3х супербыстрых звезд (уже зная их координаты)? - апертуры хватит ?

И еще .
Правильно ли я понимаю, что щели как таковой в фибер-спектроскопе нет, а роль щели выполняет сам фибер ?
И каждый из 16 спектроскопов у китайцев 250-канальный потому, что 250 фиберов один над другим дают 250 спектральных "строчек" ?

[krussh]

разрешение 60000  при масштабе дисперсии 0,14 А/пиксель у меня

у вас не 60 000 разрешение, а существенно меньше. Нельзя считать разрешение спектрографа как разрешение решетки.
При дисперсии 0.14А/пикс и ширине инструментального контура 3 пикселя получаем:
6000/(0.14*3) = 14 000. Если ширина инструментального контура больше, то и разрешение будет еще меньше.

далее, не всегда большое разрешение нужно. Для слабых объектов оно вообще неприменимо - слишком мало света. Для каждой задачи свое оптимальное разрешение при ограниченном диаметре телескопа и размерах приемника.
Задача LAMOST проведение массового обзора с умеренным спектральным разрешением. Поиск звезд с малой металличностью = самых первых звезд Галактики. Измерение скоростей звезд Галактики с умеренной точностью (километры/секунду). Совместно с данными GAIA это будет бомба!

Интересно, вы на UFES можете получить спектры тех же 3х супербыстрых звезд (уже зная их координаты)? - апертуры хватит ?

ожидаемое отношение С/Ш есть в статье. Грубо говоря для звезд 10 величины мы можем измерить лучевую скорость с точностью порядка сотни метров/секунду.

Правильно ли я понимаю, что щели как таковой в фибер-спектроскопе нет, а роль щели выполняет сам фибер ?

совершенно верно.

И каждый из 16 спектроскопов у китайцев 250-канальный потому, что 250 фиберов один над другим дают 250 спектральных "строчек" ?

Ага. именно так.

[voiserg]

у вас не 60 000 разрешение, а существенно меньше. Нельзя считать разрешение спектрографа как разрешение решетки.
При дисперсии 0.14А/пикс и ширине инструментального контура 3 пикселя получаем:
6000/(0.14*3) = 14 000. Если ширина инструментального контура больше, то и разрешение будет еще меньше.
...
Задача LAMOST проведение массового обзора с умеренным спектральным разрешением. Поиск звезд с малой металличностью = самых первых звезд Галактики. Измерение скоростей звезд Галактики с умеренной точностью (километры/секунду).

Странно как-то...
Для LAMOST с разрешением на порядок меньше, чем у меня, принимается оценка измерений "с умеренной точностью (километры/секунду)" - очевидно с переходом на субпиксельную точность.
А теоретическое разрешение 60000 у меня заведомо урезается в 4 раза "шириной приборного контура" в 3 пикселя - даже не 1, не говоря уже о субпиксельной точности.

Совместно с данными GAIA это будет бомба!

GAIA зачем ? - для определения собственного движения и соответствующей тангенциальной скорости (с учетом расстояния) ?
Для этого космический GAIA не обязателен - нужен земной бесщелевой спектроскоп с дифрешеткой в апертуре - как у меня, только большей апертуры. И китайцы могли бы сделать такой, если бы зеркала на первичном зеркале сидеростата А заменили на дифрешетки.

Вот это действительно была бы БОМБА !

Впрочем, вы тоже могли бы сделать бомбочку поменьше (но на порядок больше моей по апертуре) если бы перед вашим 1,2 м телескопом поставили "зеркало" с панелями из дифрешеток (понятно, что тогда щелевые UFES или ANNA не нужны - нужна только матрица фотоприемника в фокусе).
Китайские дифрешетки 100х100, 600 линий/мм стоят порядка 300$ за штуку (если поштучно).
Нужно будет 100 штук, за массовость возьмут вдвое меньше (да и плотность нужна меньше) - примерно 15000 $
Еще столько же за механику и умножаем на 2 с учетом "прочих расходов" .
60000 $ - будет цена открытия МИРОВОГО значения.
Это будет ООООчень эффективно !!!
На несколько порядков эффективнее тех сотен миллионов, которые вложили и продолжают вкладывать в "астро-бомбу"  китайцы (не говоря уже о космическом GAIA)
http://www.sciencemag.org/news/2017/06/spat-threatens-china-s-plans-build-world-s-largest-telescope
А приоритет  лет на СТО как минимум.

[krussh]

А теоретическое разрешение 60000 у меня заведомо урезается в 4 раза "шириной приборного контура" в 3 пикселя - даже не 1, не говоря уже о субпиксельной точности.

Ну давайте все по очереди:
Кадр из этой темы с дублетом натрия, дельта лямбда = 6А, расстояние 12 пикселей, FWHM профиля линий 3 пикселя.
Итого получается 0.5А/пиксель или 1.5А на элемент разрешения. Спектральное разрешение 5890/1.5 = 4000.

[Gleb1964]

Странно как-то...
Для LAMOST с разрешением на порядок меньше, чем у меня, принимается оценка измерений "с умеренной точностью (километры/секунду)" - очевидно с переходом на субпиксельную точность.
А теоретическое разрешение 60000 у меня заведомо урезается в 4 раза "шириной приборного контура" в 3 пикселя - даже не 1, не говоря уже о субпиксельной точности.

Просто Вы путаете здесь разрешение и точность, или точнее, погрешность определения положения линии (точность это обратная величина от погрешности). Положения линий могут определяться с субпиксельной точностью, если линия растянута хотя бы на несколько пикселов. А разрешающая способность - это способность разделять близкие друг к другу линии. Если линия растянута на несколько пикселов, разрешающая способность будет заведомо хуже пиксела, она определяется шириной инструментального профиля. Обычно делают так, чтобы иметь по крайней мере 2-3 пиксела по ширине инструментального профиля на высоте 0.5 - FWHM (Full Width of Half Maximum).

если бы зеркала на первичном зеркале сидеростата А заменили на дифрешетки

то получилась бы полная ерунда, поскольку надо было бы не только удерживать поверхность зеркала, составленного из сегментов, на уровне долей длины волны, но и еще удерживать зеркала от поперечного смещения с точности долей от шага решетки, чтобы получить одну решетку, а не просто много разных. А это, еще учитывая изогнутый профиль зеркала (оно же еще и корректор!) и то, что оно поворачивается под разными углами, просто невозможно. Да, к тому же, любая решетка всегда имеет нулевой, плюс-минус первый, второй и т.д. порядки одновременно, которые удовлетворяют действительному решению (еще есть и мнимые порядки, но туда свет не идет). Это значит, что глядя в решетку, вы с нее видите все эти порядки одновременно от всех объектов интерьера, окружающего решетку. Поэтому этот окружающий интерьер надо ограничить, разместив источник света на входной щели и поставив фильтр, отсортировывающий высшие порядки спектра.

[voiserg]

А теоретическое разрешение 60000 у меня заведомо урезается в 4 раза "шириной приборного контура" в 3 пикселя - даже не 1, не говоря уже о субпиксельной точности.

Ну давайте все по очереди:
Кадр из этой темы с дублетом натрия, дельта лямбда = 6А, расстояние 12 пикселей, FWHM профиля линий 3 пикселя.
Итого получается 0.5А/пиксель или 1.5А на элемент разрешения. Спектральное разрешение 5890/1.5 = 4000.

Во-первых, в этой теме кадры не в натуральную величину (на Кеноне 3456х2304 пиксела по 2 Мбайт в JPEG и 6 Мбайт в RAW) а урезанные для экономии места (в приложение вообще больше 600 кбайт не принимают).
В натуральную величину у меня между линиями дублета (6А) не 12 пикселов, а 42 пиксела - поэтому и масштаб дисперсии 6/42=0,14 А/пиксель.
"Выходной контроль" мне уже проводили на Астрополисе
http://www.astroclub.kiev.ua/forum/index.php?topic=42154.40
Правда, FWHM в натуральном кадре тоже возрастает - но это лишь на одну половину проблема спектроскопа, а другая половина ответственности - на источнике света.

инструментальный контур (ширина инструментального контура) - характеристика прибора, ширина изображения бесконечно узкой спектральной линии.

А у меня на фото - не такой идеальный, а реальный источник - натриевый прожектор IP65, лампа OSRAM VIALOX NAV(SON) - 1 , 250W.
От других натриевых ламп (мощностью поменьше) на этом же спектроскопе вместо дублета вообще получается широкий темный провал с расстоянием между светлыми максимумами в 150-200 пикселов.
Вот их обзорные спектры на первом моем спектроскопе, с дифпленкой Edmund


Напомню также, что и прожектор и фонари на столбах - горячие лампы ВЫСОКОГО давления, поэтому спектры там сильно размытые.

Спектры с дублетами натрия от Альдебарана и Полярной я здесь предъявил тоже "урезанные, но могу предоставить исходники - там между линиями дублета натрия тоже по 42-44 пикселя, хотя FWHM тоже на 1 пиксель не получается.
Размытость линий очень зависит от качеств ведения, состояния атмосферы и других РЕАЛЬНЫХ причин, а не от бесконечно узкой спектральной линии.

Вообще же я здесь пишу не ради рекламы моего прибора (конечно же он очень НЕсовершенный), а ради способа наблюдения спектров в бесщелевом апертурном спектрометре.
Настаиваю на том, что эти спектры содержат информацию о тангенциальной скорости источника, которой нет в щелевых и фибер-спектрометрах.

[voiserg]

Цитата: voiserg от Сегодня в 09:34:32

    если бы зеркала на первичном зеркале сидеростата А заменили на дифрешетки

то получилась бы полная ерунда, поскольку надо было бы не только удерживать поверхность зеркала, составленного из сегментов, на уровне долей длины волны, но и еще удерживать зеркала от поперечного смещения с точности долей от шага решетки, чтобы получить одну решетку, а не просто много разных.

Это нужно для того, чтобы получилось теоретическое разрешение, равное произведению количества линий на одной решетке помноженное на количество решеток в ряду - это будет слишком много и не нужно
А если не попадать штрих в штрих, то получится эффект такой же, как при обычном сложении кадров со спектром - с разрешением, равным разрешению одной решетки (даже при 300 линиях/мм на решетке 100 мм получается 30000 - вполне достаточно).
Это лучше, чем снимать кадр за кадром и потом их складывать.
Даже из моего небольшого опыта получается, что линии довольно сильно "гуляют" со временем, и лучше один светосильный кадр при короткой экспозиции, чем сумма нескольких слабосильных, снятых в разное время.

Да, к тому же, любая решетка всегда имеет нулевой, плюс-минус первый, второй и т.д. порядки одновременно, которые удовлетворяют действительному решению (еще есть и мнимые порядки, но туда свет не идет). Это значит, что глядя в решетку, вы с нее видите все эти порядки одновременно от всех объектов интерьера, окружающего решетку. Поэтому этот окружающий интерьер надо ограничить, разместив источник света на входной щели и поставив фильтр, отсортировывающий высшие порядки спектра.

Это дело техники и китайский опыт управляемых фиберов в этом отношении обнадеживает.
Или другой пример - GAIA.
На GAIA два телескопа, ориентированных в разных направлениях, работают на одну фотоприемную матрицу (сборку матриц) - каждый телескоп дает одновременно тысячи изображений звезд, а разделение изображений производится компьютером.
В бортовом спектроскопе GAIA  реализован тот же принцип - два телескопа на одну сборку дифрешеток.
Так что было бы желание и деньги - а технические средства уже есть или найдутся.

А это, еще учитывая изогнутый профиль зеркала (оно же еще и корректор!) и то, что оно поворачивается под разными углами, просто невозможно.

Многое когда-то казалось невозможным...

[voiserg]

Кстати, по спектроскопу на GAIA у меня есть вопрос.
Насколько я понял, там главные зеркала телескопов направляют ФОКУСИРУЕМЫЙ ими свет на дифрешетки (которыми снабжаются часть фотоматриц ?).
https://ru.wikipedia.org/wiki/Gaia
То есть на дифрешетку от звезды-источника падает неколлимированный пучек света (пучек НЕпараллельных лучей ?)
Или я что-то не понял ?

[Gleb1964]

по спектроскопу на GAIA у меня есть вопрос

GAIA не получает спектров. Аппарат предназначен для измерения угловых положений звезд с высокой точностью, откуда уже следует определение параллаксов и собственных движений звезд (естественно, перпендикулярно лучу зрения). Потому и дополнение данных GAIA лучевыми скоростями было бы особенно ценно. Сама GAIA лучевых скоростей получить не может.
А угловые положения GAIA меряет путем многократного измерения дуг между объектами за счет равномерного вращения и засекания моментов прохождения объектов по фотоприемному блоку. Диффракционных решеток в GAIA не предусмотрено.
Про спектрометр на GAIA я как-то просмотрел мимо, а он действительно есть. Пришлось подредактировать сообщение

[krussh]

То есть на дифрешетку от звезды-источника падает неколлимированный пучек света (пучек НЕпараллельных лучей ?)

да, именно так.
https://astronomy.stackexchange.com/questions/18374/why-does-gaia-use-only-calcium-nir-lines-for-stellar-radial-velocity-measurement

[voiserg]

GAIA не получает спектров...

Судя по тому, что написано в Вики и by krussh - Вы не правы.

Цитата: voiserg от Сегодня в 14:42:38

То есть на дифрешетку от звезды-источника падает неколлимированный пучек света (пучек НЕпараллельных лучей ?)

да, именно так.
https://astronomy.stackexchange.com/questions/18374/why-does-gaia-use-only-calcium-nir-lines-for-stellar-radial-velocity-measurement

А ничего, что это противоречит основам спектроскопии ?
В учебниках написано, что на дифрешетку ДОЛЖЕН попадать КОЛЛИМИРОВАННЫЙ пучек (параллельных лучей) - иначе линии спектра после решетки не будут фокусироваться из-за характера зависимости угла дисперсии от угла падения.
Я пытался эту проблему обсуждать на Астрополисе
http://www.astroclub.kiev.ua/forum/index.php?topic=31484.msg539262#msg539262
http://www.astroclub.kiev.ua/forum/index.php?topic=31484.msg539275#msg539275
Но там были проф-корифеи, которые восприняли это слишком близко к сердцу, потому что сами ставили дифрешетку в неколлимированный пучек перед фокусом.
Теперь в качестве спектроскопа на GAIA они получили еще одно оправдание такой схемы.
Так значит, можно нарушать основы, если хочется и тем более - если нужно ?

[nolv]

В учебниках написано

У Вас неправильные учебники

[voiserg]

В учебниках написано

У Вас неправильные учебники

"Основы практической астрофизики" Мартынова - правильный учебник ?
Кстати, Вы сами пробовали ставить дифрешетку в неколлимированный пучек ?
Если пробовали - то каких результатов достигли ?

[Gleb1964]

Судя по тому, что написано в Вики и by krussh - Вы не правы.

да, я в курсе. Когда-то интересовался исключительно астрометрическими аспектами GAIA, отбросив все остальное в сторону, а в итоге забыл, что там есть еще и спектральные измерения.

В учебниках написано, что на дифрешетку ДОЛЖЕН попадать КОЛЛИМИРОВАННЫЙ пучек (параллельных лучей) - иначе линии спектра после решетки не будут фокусироваться из-за характера зависимости угла дисперсии от угла падения.

Все верно, если на решетку направить несколлимированный пучок света, то возникнут дополнительные аберрации. Скажем, гомоцентрический до решетки пучок станет негомоцентрическим в порядках, отличных от нулевого.
С другой, практической стороны, если нарушения гомоцентричности невелики, то ими можно пренебречь, в частности, при больших относительных отверстиях - чем люди и пользуются. В другом варианте, в сходящемся пучке ставиться корректор, внутри которого ход лучей близок к параллельному, а на участке параллельного хода лучей можно ставить интерференционные фильтры и дисперсионные элементы. Так сделано и в GAIA - на картинке видно, что решетка стоит внутри блока полевого корректора. Там написано "афокальный корректор поля", т.е. такой, в котором оптические силы компонентов компенсируют друг друга. Как правило, внутри такого блока более параллельный ход лучей.
 

[serega2007]

       Золотые листья клена освещенные ртутью , смотрятся , как серебряные , а на фото еще и зеленые
       Объяснение ? Плиз .

[voiserg]

Спасибо Глебу за пояснения (теперь  krussh оказался не прав, но ему спасибо за ссылку).
Я тоже обратил внимание на "корректор" до и после дифрешетки.
Значит, основы спектроскопии на GAIA НЕ нарушаются - на дифрешетку падает (почти)коллимированный пучек.
Спектроскоп там бесщелевой (как и у меня), но дифрешетка НЕ в апертуре и до нее происходит столько отражений  с "коррекциями" изначально плоского волнового фронта света звезд, что вряд ли можно обнаружить тангенциальный спектро-эффект, о котором я толкую (на щелевых спектрометрах его тем более нельзя обнаружить).
Так что у меня и у желающих присоединиться еще есть возможность поиметь приоритет.

[Михаил Марычев]

А ничего, что это противоречит основам спектроскопии ?
В учебниках написано, что на дифрешетку ДОЛЖЕН попадать КОЛЛИМИРОВАННЫЙ пучек (параллельных лучей)

По поводу учебников - рекомендую ознакомиться также вот с этой доброй книгой:

D. Schroeder, "Astronomical Optics", Academic Press Inc., 1987

Имеет смысл прочитать там главы 12-15, и обратить внимание на следующие страницы:
стр. 223 (вариант решётки в сходящемся пучке называется спектрометром Монка-Джильесона (Monk-Gillieson spectrometer)),
стр. 226, 257-267 (аберрации для разных типов решёток),
стр. 282-284 (снова про Monk-Gillieson spectrometer, вводится понятие спектральной комы (spectral coma)),
стр. 294-295 (про так называемые безобъективные (или лучше - заобъективные) бесщелевые спектрометры (nonobjective slitless spectrometers), когда решётка ставится в сходящемся пучке за объективом, то есть между объективом и его фокальной плоскостью),
стр. 297-299 (приведено выражение для расчета величины спектральной комы в случае, когда на пути сходящегося пучка стоит трансмиссионная дифракционная решётка, см. выражение (15.3.13)).

по следующей ссылке можно также почитать об основных факторах, лимитирующих спектральную разрешающую способность бесщелевого спектрографа, в котором решетка помещается перед матрицей на пути сходящегося пучка света от объектива телескопа:
http://users.erols.com/njastro/faas/articles/west01.htm

[voiserg]

По поводу учебников - рекомендую ознакомиться также вот с этой доброй книгой:

D. Schroeder, "Astronomical Optics", Academic Press Inc., 1987

Спасибо, буду знать, как это называется, и в дальнейшем по-прежнему в своем спектроскопе с дифрешеткой в апертуре буду стараться избежать спектральной комы и других факторов "лимитирующих спектральную разрешающую способность бесщелевого спектрографа" - и без них проблем хватает.

С другой стороны, это отменяет возражение Глеба насчет возможности поставить на китайском LAMOST дифрешетки вместо зеркал на макрозеркале А

учитывая изогнутый профиль зеркала (оно же еще и корректор!) и то, что оно поворачивается под разными углами, просто невозможно.

Впрочем, Глеб и сам отменил это свое возражение, когда написал:

С другой, практической стороны, если нарушения гомоцентричности невелики, то ими можно пренебречь, в частности, при больших относительных отверстиях - чем люди и пользуются.