2.2.1. Sơ đồ quang học
Bức xạ của thiên thể đi qua kính thiên văn qua khe hẹp, khe được đặt tại mặt phẳng tiêu vật của thấu kính hội tụ L1 vì vậy cho chùm sáng song song, chùm ánh sáng đó được hứng bởi cách tử truyền qua cho các chùm ánh sáng song song đơn sắc khác nhau, các ánh sáng đơn sắc này được hứng bởi thấu kính hội tụ L2 và hình ảnh quang phổ sẽ hội tụ tại mặt phẳng tiêu ảnh. Chúng ta đặt máy chụp CCD ST7 tại mặt phẳng tiêu ảnh của L2 sẽ thu được ảnh quang phổ của đối tượng.
2.2.2. Thông số kính thiên văn, máy chụp CCD
Thông số của kính thiên văn Takahashi [15]: Đường kính: D = 212 mm.
Tiêu cự: f = 820 mm. Tỷ số tiêu cự F = 3,9.
Thông số của máy chụp CCD ST7 [12]: Kích thước ảnh điểm: 9 µm x 9 µm. Kích thước Chip CCD: 6,9 mm x 4,6 mm. Số điểm ảnh của CCD: 390000.
Hình 2.5. Đường truyền ánh sáng trong máy quang phổ cách tử truyền qua
2.2.3. Máy quang phổ
2.2.3.1. Ống chuẩn trực
a. Khe hẹp
Độ rộng của khe hẹp phải lớn hơn 11,7 µm, việc chọn độ khe hẹp là bao nhiêu phải dung hòa giữa độ phân giải và cường độ vạch phổ. Vì khi tăng độ rộng thì tăng cường độ vạch tăng nhưng năng suất phân giải lại giảm. Vì ánh sáng qua hệ thấu kính và cách tử truyền qua mất nhiều cường độ nên chọn khe hẹp có độ rộng là 0,03 cm = 300 µm, chiều cao của khe hẹp là 1 cm để có thể thu được bức xạ từ đối tượng.
b. Thấu kính
Thấu kính của ống chuẩn trực phải có tỷ số tiêu cự nhỏ hơn hoặc bằng tỷ số tiêu cự của kính thiên văn vì nếu lớn hơn thì nhiều tia sáng sẽ không đi qua được thấu kính của ống chuẩn trực, làm cho cường độ sáng của chùm sáng giảm đi đáng kể sau khi đi qua ống chuẩn trực [4]. Chọn tiêu cự của ống chuẩn trực sao cho độ mở của nó thu được nhiều ánh sáng sau khi đi qua khe hẹp. Kích thước của ống chuẩn trực phải lớn hơn kích thước của cách tử để toàn bộ chùm sáng đi qua cách tử và đủ nhẹ để gắn với kính thiên văn không ảnh hưởng đến nhật động của kính. Nên chọn, thấu kính hội tụ có tiêu cự f1 = 8cm, tỷ số cách tử F1 = 2,7, ký hiệu L1.
2.2.3.2. Hệ tán sắc và thấu kính buồng ảnh
- Hệ tán sắc (cách tử):
Số vạch trên một mm: N = 600 vạch. Bước của cách tử: a = 1/600.
Kích thước cách tử: 3 cm x 2,4 cm. - Thấu kính của buồng ảnh:
Độ mở của thấu kính buồng ảnh phải đủ lớn để thu hết ánh sáng từ cách tử. Thấu kính hội tụ của buồng ảnh có tiêu cự f2 = 5cm, tỷ số tiêu cự F2 = 1,7, ký hiệu L2.
2.2.3.3. Khoảng cách giữa các dụng cụ quang học
Để hạn chế sự mất mát năng lượng ánh sáng trong quá trình truyền, việc điều chỉnh các dụng cụ quang học hết sức quan trọng. Chỉ điều chỉnh trong khoảng vài milimet thì phổ của đối tượng có thể nằm trên Chip CCD hoặc đi ra ngoài. Vì thế ta điều chỉnh sao cho khoảng cách từ khe đến L1 bằng 8cm và bằng tiêu cự của L1. Sau khi chùm sáng từ khe qua L1 sẽ cho chùm song song tới thấu kích L2 vì khoảng cách từ L2 đến CCD bằng f2 và bằng 5cm nên các chùm tia đơn sắc hội tụ trên chip của CCD.
Gọi X1 là khoảng cách từ L1đến cách tử và X2 là khoảng cách từ cách tử đến L2. Để cường độ ánh sáng qua hệ thấu kính và bộ phận tán sắc mất mát ít nhất [8] thì: X1 + X2 = f1 = 8cm.
2.2.3.4. Góc lệch của chùm tia qua cách tử
Đối tượng của chúng tôi là ngôi sao nên quang phổ sau khi qua hệ phổ kế là một dải quang phổ có các bậc đối xứng qua vân sáng trung tâm. Ở đây chúng ta chỉ quan tâm tới quang phổ bậc 1 vì các vạch phổ tách biệt nhau không có sự chồng lấn như phổ bậc 2 hay 3 giúp chúng ta dễ dàng hơn trong việc phân tích phổ. Chùm sáng sau khi qua cách tử sẽ bị tán sắc thành các chùm tia đơn sắc, các quang phổ bậc 1 lệch đi một góc so với vân sáng trung tâm (VSTT), vì thế chúng ta phải tính góc lệch đó để đặt máy chụp CCD ở vị trí mà có thể thu được toàn bộ quang phổ.
Vì tia tới vuông góc với cách tử => góc tới α = 00 Từ công thức cách tử: sinβ =sinα +N.λ
Đối với tia đỏ (λđỏ = 0,76µm):
3 6 0 sin . 600.10 .0, 76.10 0, 456 27 d d d N β λ β − = = = ⇒ =
Đối với tia tím (λtím = 0,4µm):
3 6 0 sin . 600.10 .0, 4.10 0, 24 14 t t t N β λ β − = = = ⇒ =
Đối với tia lục (λlục = 0,5µm):
3 6 0 sin . 600.10 .0, 5.10 0, 3 17, 5 l l l N β λ β − = = = ⇒ =
Vì ánh sáng lục nằm giữa vùng quang phổ ánh sáng nhìn thấy nên tìm góc lệch của tia lục so với VSTT => đó là góc mà phải đặt lệch CCD so với trục của cách tử.
Khoảng cách từ vân sáng trung tâm đến tâm của CCD 0 2
. 5,8. 17, 5 1,8
l
tgβ f tg cm
= = =
2.2.3.5. Các hiện tượng truyền sai lệch trong máy quang phổ
a. Sắc sai coma
Công thức tính sắc sai coma: 3 2
8.F
λ λ ∆ =
Đối với ánh sáng đỏ (λđ = 7600Å), L = 8 cm là khoảng cách từ cách tử đến CCD.
3.76002 62
8.6, 3 λ
∆ = = Å
Ánh sáng có bước sóng nhỏ thì sắc sai coma mạnh. Nếu không có sự sai lệch thì ánh sáng đỏ sẽ hội tụ tại mặt phẳng tiêu nhưng nó sẽ hội tụ trước đó, với khoảng cách thay đổi bước sóng là 62 Å.
b. Sự uốn cong trường nhìn
Giới hạn hội tụ tại mặt phẳng CCD.
.
Nếu CCD có thể nghiêng đi so với cách tử (hay cách tử nghiêng đi), hiện tượng uốn cong trường nhìn có thể giảm đi bằng cách thiết lập góc nghiêng của cách tử để thay đổi góc lệch của quang phổ đi vào CCD.
0 1 1 1 80. 1 9,8 1 cos d cos 27 x L mm cm β ∆ = − = − = ≈
Nên khi lắp cách tử và CCD phải chú ý đến sự uốn cong trường nhìn để toàn bộ ánh sáng đơn sắc đi vào con chip CCD.
2.2.3.6. Các đặc trưng của máy quang phổ
a. Độ tán sắc góc
Sự biến thiên của góc lệch D theo độ dài của bước sóng tia sáng là một đặc trưng quan trọng. Nó nói lên khả năng tán sắc góc của một máy quang phổ và được gọi là độ tán sắc góc của máy quang phổ đó.
d t d t D λ λ β β − = − (Å/độ) (2.7) Mà: 3 6 0 sin . 600.10 .0, 76.10 0, 456 27 d d d N β λ β − = = = ⇒ = 3 6 0 sin . 600.10 .0, 4.10 0, 24 14 t t t N β λ β − = = = ⇒ = D = 277 (Å/độ) = 15828(Å/radian). Ta có: 10 = 0,0175 radian.
b. Độ tán sắc dài: là khoảng cách giữa 2 vạch phổ gần nhau nhất. Công thức tính độ tán sắc dài: Plate scale 15828 197,85
80
D L
= = = (Å/mm) (2.8)
(D được tính trong đơn vị Å/radian và với L = 8 cm là khoảng cách từ cách tử đến CCD). Độ tán sắc được biểu diễn trong giới hạn của kích thước pixel trên đơn vị µm.
Plate scale = D
L (Å/mm).10
-3
.pixel size(µm) = 0, 001.197,85.9=1, 78(Å/pixel) (với máy chụp dùng CCD ST7 có kích thước pixel là 9 µm).
c. Năng suất phân giải và độ rộng ảnh
Năng suất phân giải thực tế: 1
. . .cos f R p e a λ α = (2.9) Trong đó: e = 0,03 cm p = 1, f1 = 8cm, a = 1 (1 / ) 600 mm α =00
λ∈(0, 4;0, 76) (µm) R∈(64;122) Độ rộng ảnh: 2 2 2 0 4 2 1 .cos 5.10 .cos 0 1,875.10 . 0, 03.10 .
cos 8.10 .cos cos
f X e f α β β β − − − − ∆ = = = Độ rộng ảnh của vạch màu đỏ: ∆Xđỏ = 4 4 1,875.10 1,875.10 0, 21 ( ) cosβ cosβd mm − − = = 2.2.3.4. Bố trí dụng cụ quang học
Để thay đổi độ cao của các quang cụ trong máy quang phổ, đồng thời thay đổi khoảng cách của chúng. Chúng tôi gắn khe hẹp và thấu kính L1 cùng nằm trên đế có gắn lò xo nhằm thay đổi độ cao. Cách tử và thấu kính L2cũng được đặt lên hai đế riêng biệt có gắn lò xo. Như vậy, hệ lò xo giúp chúng tôi thay đổi được độ cao của các dụng cụ quang học nhưng không giúp chúng chuyển động tịnh tiến được. Chính vì vậy chúng tôi đặt cả hệ thống lên thanh ray trượt giúp các thiết bị chuyển động tịnh tiến và đồng trục. Bảng vẽ các thiết bị điều khiển như Hình 2.7 và Hình 2.8.
Hình 2.7. Đế nâng thấu kính
Bảng vẽ vách hai bên hộp để một đầu gắn vào kính thiên văn và một đầu gắn với CCD. Như Hình 2.9.
Hình 2.8. Đế nâng khe và thấu kính
Bảng vẽ mô hình máy quang phổ dùng cách tử truyền qua như Hình 2.10.
Hình 2.10. Mô hình máy quang phổ dùng cách tử truyền qua
Máy quang phổ dùng cách tử truyền qua hoàn chỉnh như Hình 2.11. Để hạn chế ánh sáng từ môi trường bên ngoài tránh làm mờ vạch phổ thiên thể hoặc thu ảnh phổ của ánh sáng tạp. Chúng ta sẽ phủ lớp đề can đen bên ngoài thành hộp.
Hình 2.11. Thiết kế và lắp đặt máy quang phổ cách tử truyền qua hoàn chỉnh
2.3. Máy quang phổ dùng cách tử phản xạ
Để khắc phục sự mất mát cường độ của ánh sáng sau khi đi qua hệ thấu kính và cách tử truyền qua, chúng tôi dùng cách tử phản xạ và thêm gương phản xạ để chuyển toàn bộ chùm sáng đơn sắc đến CCD. Từ đó chúng tôi lắp đặt máy quang phổ cách tử phản xạ thay cho máy quang phổ cách tử truyền qua.
2.3.1. Sơ đồ quang học
Ánh sáng từ thiên thể qua khe hẹp được phản xạ bởi gương phản xạ, điều này giúp chúng ta gom chuyển toàn bộ ánh sáng từ thiên thể với cường độ ánh sáng gần như không thay đổi. Khoảng cách từ khe đến L1 bằng f1, nên sau khi qua L1 tạo thành chùm ánh sáng song song, chúng sẽ bị tách thành các ánh sáng đơn sắc song song khi nó gặp cách tử phản xạ được hội tụ trên CCD thông qua thấu kính L2đặt trước máy chụp ST7.
2.3.2. Bố trí thiết bị
Các đại lượng đặc trưng của máy quang phổ dùng cách tử phản xạ và máy quang phổ dùng cách tử truyền qua có cùng công thức và ý nghĩa vật lý.
Vì lý do trường Đại Học Sư Phạm không có cách tử phản xạ nên tôi dùng đĩa CD để phân tách chùm ánh sáng tới. Có thể dùng công thức của cách tử để tìm bước của cách tử nhưng vì lí do không có nguồn đơn sắc nên tôi không tìm được số vạch trên milimet. Nên trong phần này tôi không trình bày các đại lượng của máy quang phổ dùng cách tử phản xạ.
Bố trí thiết bị: đặt các thiết bị vào hộp phải đảm bảo hệ đồng trục và nhỏ gọn hơn máy quang phổ truyền qua, đồng thời có thể điều chỉnh các thiết bị như gương phản xạ, thấu kính vừa dịch chuyển vừa quay quanh trục. Ở đây tôi không dùng các tấm nâng thấu kính và cách tử thay vào đó là các đinh ốc gắn với đáy máy quang phổ.
Hình 2.13. Hai tấm vách ngăn hộp Thiết kế và lắp đặt các thiết bị như Hình 2.14.
Hình 2.14. Máy quang phổ dùng cách tử phản xạ
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương này luận văn trình bày cơ sở thực nghiệm nhiễu xạ qua cách tử của đèn hơi thuỷ ngân qua đó xây dựng cơ sở để lắp đặt máy quang phổ dùng hệ tán sắc là cách tử truyền qua. Lắp đặt các thiết bị quang học trong máy quang phổ và tính toán các đại lượng đặc trưng như độ rộng vạch phổ, năng suất phân giải, độ tán sắc góc và độ tán sắc dài của máy. Tính toán các chi tiết về kích thước của quang cụ, thiết kế hệ điều khiển sao cho các dụng cụ quang học phải đồng trục, có thể chuyển động tịnh tiến, quay quanh trục và thay đổi chiều cao tuỳ ý.
Trong chương cũng trình bày cách lắp đặt máy quang phổ dùng hệ tán sắc là cách tử phản xạ, nhằm làm giảm sự mất mát cường độ của chùm photon khi truyền qua hệ quang học và có thể chụp được phổ của các đối tượng xa hơn.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ 3.1. Kết quả chụp
3.1.1. Sử dụng máy quang phổ cách tử truyền qua
Vì ánh sáng ngôi sao rất yếu, nên khi qua hệ thấu kính và cách tử truyền qua làm bức xạ từ ngôi sao mất nhiều cường độ nên không đi tới được CCD. Máy quang phổ cách tử truyền qua tự tạo đã chụp được phổ mặt trăng.
Kết quả chụp phổ mặt trăng.
Hình a Hình b Hình 3.1. Mặt trăng chụp qua khe hẹp
3.1.2. Sử dụng máy quang phổ cách tử phản xạ
Sau khi lắp đặt hoàn chỉnh máy quang phổ dùng hệ tán sắc là cách tử phản xạ thì vào mùa mưa nên ở TP. Hồ chí Minh mây mù dày, vì thế chúng tôi chưa dùng máy quang phổ cách tử phản xạ chụp các đối tượng như sao, thiên hà trong thời gian sau chúng tôi sẽ đưa máy vào chụp nhiều thiên thể hơn.
Hiện tại chỉ chụp được phổ của Mặt trăng.
3.2. Xử lý ảnh phổ
Thực hiện khử nhiễu ảnh phổ [5] mặt trăng đặt tên là *hoanchinh.fits và thực hiện các bước xử lý ảnh phổ.
3.2.1. Trích xuất dữ liệu trên phổ
Trích xuất phổ là trích lấy phổ trên quang phổ liên tục hay trên quang phổ vạch, về nguyên tắc là đại lượng đo bằng số đếm của photon từ ngôi sao trong phép quang trắc khẩu độ. Có các bước cơ bản sâu đây:
- Đầu tiên chúng ta cần thông báo cho phần mềm IRAF nơi cần xem phổ. Thay vì cài đặt toạ độ (x,y), chúng ta chỉ cần ghi cột nơi cần tìm phổ.
- Khi quang phổ không phân bố chính xác theo cột của CCD, chúng ta cần tìm dấu vết của chúng. Điều này thực hiện bằng cách làm khớp (fit) trọng tâm quang phổ trên toạ độ y với một hàm đa thức bậc cao.
- Một bước cơ bản, quang phổ cần phải được trích rút. Tương tự như quang trắc khẩu độ, chúng ta chọn khẩu độ và nền hai bên khẩu độ. Đối với mỗi điểm lấy mẫu bước sóng, số đếm photon trong khẩu độ được thêm vào và trừ đi cho nền. Kết quả là cho một bảng số đếm tương ứng với toạ độ y trên CCD.
Tôi đi theo đường dẫn bằng các lệnh bên dưới để vào gói xử lý phổ [13].
cl>noao cl> imred cl> specred
Tôi cài đặt các thông số của apall bằng cách chạy lệnh cl> epar apall
Bảng thông số hiện ra. PACKAGE = apextract TASK = apall
input = List of input images (output = ) List of output spectra (apertur= ) Apertures
(format = multispec) Extracted spectra format (referen= ) List of aperture reference images (profile= ) List of aperture profile images
(find = no) Find apertures? (recente= no) Recenter
Hình 3.2. Bảng lệnh epar apall (resize = no) Resize apertures?
(edit = yes) Edit apertures? (trace = yes) Trace apertures?
(fittrac= yes) Fit the traced points interactively? (extract= yes) Extract spectra?
(extras = yes) Extract sky, sigma, etc.? (review = yes) Review extractions? (line = INDEF) Dispersion line
(nsum = 10) Number of dispersion lines to sum or median Trong đó:
input Danh sách các hình ảnh đưa vào.
Output Danh sách phổ xuất ra. Nếu để trống thì apall sẽ tự động thêm vào đuôi .ms của mình trong hình ảnh input.
Apertur Khẩu độ.
Format Chỉ rõ hình ảnh đưa vào. Nếu chọn onedspec, nhiều phổ trích từ từng hình ảnh sẽ là nguồn dữ liệu riêng lẽ. Nếu chọn multispec, tất cả phổ sẽ là nguồn dữ liệu. Tôi ta chọn
Referent Danh sách các khẩu độ của hình ảnh tham khảo.
Profile Danh sách khẩu độ của từng hình ảnh.
Interac YES: Tắt chế độ tương tác với phổ. NO: Bật chế độ tương tác với phổ.
Find Tìm khẩu độ.
Resize Thay đổi kích thước khẩu độ.