Budowa spektroskopu - konstrukcja

[jolo]

Temat spektroskopii przyswajam już teoretycznie od trzech lat i zaraz mi pęknie czaszka, więc czas zrobić coś konkretnego. Na pierwszy instrument wybrałem rozwiązanie klasyczne - czyli spektroskop składa się w nim z czterech elementów:

• szczelina przez którą światło kierowane jest do instrumentu
• kolimator, który obraz szczeliny rozlewa po siatce dyfrakcyjnej
• siatka dyfrakcyjna odbiciowa, która odbija światło z kolimatora i tworzy właściwe widmo
• soczewka obrazująca tworząca obraz widma w kamerce

Założenia do instrumentu były następujące:

• powinien być niewielki i niezbyt ciężki
• "niedrogi"
• powinien umożliwiać pozycjonowanie i guiding dodatkową kamerką na żywym obrazie - a więc w grę wchodzi jedynie szczelina lustrzana
• powinien umożliwiać wymianę siatki dyfrakcyjnej w celu badania obiektów przy niskiej i średniej rozdzielczości
• powinien zapewniać jak największą sprawność, żeby można było zdejmować widma słabych obiektów

W załączniku jest arkusz Excela, w którym przeprowadziłem konieczne obliczenia. I na ich podstawie rozpocząłem zakupy  

Jako szczelinę wybrałem taki element https://en.ovio-optics.com/jetons-fentes-radiales-pr-193206.html . Jest to szczelina lustrzana, która jednocześnie będzie odbijała światło nie przechodzące przez szczelinę do osobnej kamerki. W ten sposób załatwia się jednocześnie sprawę pozycjonowania obiektu na szczelinie i guidingu. Koszt - 40EUR. Według moich wyliczeń optymalnie będzie z moim zestawem użyć szczeliny 30um. Tak wyglądają szczeliny lustrzane (pojedyncza i kółko z wieloma szczelinami do wyboru), oraz przykładowy obraz z kamerki dodatkowej podczas zbierania danych:

   

Jako kolimator posłuży soczewka o ogniskowej 100mm i średnicy 25mm. Klejony dublet achromatyczny z powłokami MgF2 - do kupienia za 25-35$. Często jako kolimator stosuje się obiektyw fotograficzny, ale tutaj nie jest konieczna wysoka rozdzielczość (przy szczelinie 30um), a soczewka jest tańsza, mniejsza i lżejsza. 

Siatka dyfrakcyjna będzie wymienna. Do niskiej rozdzielczości (około 6-7?) użyję siatki 600 lpmm. A do wysokiej rozdzielczości (około 2?) siatki 1800 lpmm (chyba że znajdę siatkę 25x25mm 2400lpmm). Siatka będzie profilowana (ang. blazed) przez co większość odbitego promieniowania będzie przypadała na widmo pierwszego rzędu. Koszt siatki 25x25mm to około 100EUR.

Z obliczeń wyszło mi, że jako obiektyw muszę mieć szkło o ogniskowej 50mm i światłosile 1.5 (do siatki 1800), więc na allegro zanabyłem manualnego Pentaxa SMC 50/1.4. Cena - 300zł. Obiektyw musi być stosunkowo dobrej jakości, bo to on jest odpowiedzialny za tworzenie obrazu w kamerce. A tam wiadomo - piksele małe, to obiektyw musi mieć wystarczającą rozdzielczość. 

Konstrukcja którą chcę wykonać powinna mniej więcej wyglądać tak (tylko zamiast większego obiektywu będzie soczewka achromatyczna):

 

Towar w drodze A ja myślę nad konstrukcją. Pierwszy prototyp chcę uruchomić w obudowie wykonanej ze sklejki albo MDF o grubości 5-6mm. A potem jak wszystko zagra, urządzenie będzie umieszczone w obudowie z blachy aluminiowej 3-4mm. Znacie jakieś sprawdzone miejsca, gdzie laserowo z takiej blachy wycinają pojedyncze elementy według projektu?

 

SimSpec_V4_0.xls

[sp3occ]

Podziwiam za chęci... na efekty poczekam

[Esku1RES]

Projekt wstępny, który przedstawiłeś wygląda imponująco ! Mam pytanie, które jest dla mnie istotne pod kątem wzorowania się na Twoim projekcie i ew. wykonania urządzenia dla moich potrzeb. Chodzi mi o możliwość zastosowania siatki 200 l/mm, tak, aby osiągnąć rozdzielczość rzędu 20A (lub nawet jeszcze mniejszej dla 100 l/mm). Chodzi mi oczywiście o osiągnięcie maksymalnej czułości przy wciąż wystarczającej jeszcze rozdzielczości.
Czy szacowałeś (mniej więcej) całkowity koszt spektroskopu ?

[jolo]

Całkowitego nie szacowałem. Ceny elementów które już zamówiłem są podane - to około 1000zł. Do tego dojdzie obudowa, złączki i mocowania - to już potem będzie zależało od tego ile się jest samemu w stanie zrobić, a ile zamówić. Tak szacuję, że jeśli elementy konstrukcyjne zamówi się wszystkie w jakimś warsztacie wykonane z aluminium i poczernione, to może być drugi tysiąc złotych. Z optyki do zamówienia zostało mi jeszcze małe płaskie lusterko i mały achromat do guidera.

Z siatką 200 na pewno uda Ci się osiągnąć rozdzielczość 20A, kwestia tylko dobrania kolimatora i obiektywu - trzeba będzie wybrać kolimator o nieco dłuższej ogniskowej, np 150mm. Myślę też, że przed spektroskopem w Twoim przypadku trzeba będzie dać barlowa, żeby światłosiła była bliżej 6-7. Przy f/3.3 ciężko będzie dobrać odpowiedni kolimator i obiektyw. A taką siatkę 200 już masz? Bo jeśli masz zamiar tak czy siak kupować, to cena praktycznie nie zależy od rozdzielczości siatki, a tylko od wymiarów. Te siatki kwadratowe 25 albo 30mm są po około 100EUR, a siatki 50mm są po około 170EUR. 

PS - lepiej wycelować z rozdzielczością spektroskopu nieco wyżej. Zawsze potem można zwiększać SNR kosztem rozdzielczości przez stosowanie binningu, ale do tego potrzeba kamerek CCD z porządnym sprzętowym binningiem. Fajnie nadadzą się chipy CCD od Sony w kamerkach takich jak Atik 414, 428 czy 460 - można robić dowolny niesymetryczny binning, a dodatkowo są piekielnie czułe (również w czerwieni) i mało szumią. 

[Esku1RES]

Dzięki za wyjaśnienia. Nie, Łukasz, siatki nie mam. Nie wiem nawet, czy taka (odbiciowa) będzie w ogóle dostępna. To moje f/3.3 jest po reduktorze, który teraz tylko używam ze względu na wielkość matrycy i piksela ASI290MM-C. (normalnie w Quattro mam f/4).

Przy 2 tys. byłaby to sprawa bardzo atrakcyjna. Alternatywą dla mnie jest bowiem Alpy600 z wymianą siatki na SA200 + Alpy guiding module, co kosztowałoby razem ok. 1700 EUR, czyli dużo drożej.

 

[jolo]

No takich siatek 200 nie widziałem niestety. Ale od 300 do 1800 są dostępne w Edmund Optics czy Thorlabs:

https://www.edmundoptics.eu/optics/gratings/#f=Categories_ss|167,27606_s|500.0,28105_s|25.0 x 25.0

https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8626

Z tego co wiem to powinniśmy celować w siatki blazed dla 500nm (ze względu na sprawność w interesującym nas zakresie VIS). 

A cena niestety tak wygląda Czy to Alpy czy Dados to wychodzi komplet za niecałe 2000EUR. 

PS - z rzeczy potrzebnych później do uruchamiania jest praktycznie niezbędny jeszcze kolimator laserowy do ułożenia i wyrównania elementów i jakiś szukacz do ustawienia ostrości kolimatora na szczelinie. 

[jolo]

Do spektroskopu przydać się może (choć nie jest konieczne) jakieś źródło światła z dobrze znanymi liniami do kalibracji. Wśród profesjonalistów popularne są różne lampy w profesjonalnych cenach. Wśród amatorów popularne są :

• neonówki - tanie i trwałe. Wadą jest obecność linii tylko w zakresie dłuższych fal (pomarańczowe i czerwone)
• lampy wyładowcze, ksenonowe, stroboskopowe - tutaj mamy pokrycie całego zakresu, ale sterowanie takich lamp jest dość skomplikowane, a dodatkowo się grzeją
• zapłonniki do świetlówek

Ja wybrałem tę ostatnią opcję, a moim bohaterem jest starter Relco SC480 do kupienia za mniej niż 10zł. 

Starter wymaga rozbebeszenia i wyciągnięcia z niego lampki z bimetalem. Lampkę zasilamy napięciem 230V przez rezystor dobrany tak, żeby bimetal się nie nagrzewał i nie przerywał obwodu (20-30 kiloomów). Lampka jest mała i można ją umieścić w spektroskopie tak, żeby po włączeniu oświetlała szczelinę i można było prowadzić kalibrację. Do zasilania z 12V trzeba zrobić małą przetwornicę o bardzo niskiej mocy składającą się z kilku popularnych elementów i malutkiego transformatora sieciowego, który zasilany jest od strony pierwotnej, a na stronie wtórnej mamy potrzebne napięcie do lampki (fragment z prostownikiem nie jest potrzebny):

http://inverter-circuit.com/small-12v-inverter-circuit.html

Taka lampka Relco SC480 sieje wieloma liniami nadającymi się do kalibracji spektroskopów amatorskich o małej, średniej i też bardzo wysokiej rozdzielczości (np SEQUES Echelle z R=20000). Przykładowe widmo z tej lampki przy rozdzielczości R=800:

Załączam plik PDF z opisem użycia startera Relco SC480 i spisem dostępnych linii do kalibracji sques-relco-sc480-calibration-lines-5.0.pdf  

[rybi]

<10zł  (Relco SC480 - no może max/pełny wypas 300zł ? z przeróbką ) vs 3000zł (Alpy calibration module)  ... podoba mi się ta idea! Szacun!

[bartolini]

Na allezło są do dostania sprytne żaróweczki neonowe:

http://allegro.pl/zarowka-neonowa-230v-neonowka-230v-i5885915067.html

[Esku1RES]

W dniu 25.01.2018 o 12:20, jolo napisał:

Jako kolimator posłuży soczewka o ogniskowej 100mm i średnicy 25mm. Klejony dublet achromatyczny z powłokami MgF2 - do kupienia za 25-35$.

Jak przeglądałem cenniki uznanych sklepów to ceny są około 100 EUR. Możesz zdradzić gdzie namierzyłeś "alternatywne" źródełko?

W międzyczasie postanowiłem poćwiczyć na "setupie" który przywiózł mi dziś kurier:

[jolo]

Wow, no to się będzie działo  Masz też pryzmat, więc podejrzewam, że kombinujesz coś poważniejszego?

Takie dublety można znaleźć na aliexpress - ja zamówiłem ten https://pl.aliexpress.com/item/diameter-12-7mm-focal-length-75mm-double-achromatic-lens/32616254472.html . A mniejsze dublety można znaleźć na giełdzie w Plosslach. Każdy standardowy okular Plossla to dwa identyczne dublety. Ja znalazłem plossla 26mm i kątówkę 1.25" za 100zł na giełdzie. W Edmundzie achromat 12.5mm średnicy i 30mm ogniskowej i płaskie lusterko 20mm to w sumie 100 euro netto  Ten mały achromat i lusterko potrzebuje do tworzenia obrazu szczeliny w kamerce guidującej. 

 

[Esku1RES]

14 minut temu, jolo napisał:

Wow, no to się będzie działo  Masz też pryzmat, więc podejrzewam, że kombinujesz coś poważniejszego?

Na razie to tylko prosta zabawa z siatką i pryzmatem korekcyjnym tak jak opisane tu:
http://www.astrosurf.com/buil/isis/staranalyser2/evaluation_en.htm

Ciekawy jestem też później rozwiązania z ewentualnym dodaniem szczeliny (propozycja Robina Leadbeater'a o nieco odpychającej nazwie SEPSA):
http://www.threehillsobservatory.co.uk/astro/spectra_33.htm

Bardzo dobry pomysł z pozyskaniem dubletów z Plossla do kolimatora. Jeżeli chciałbym zbudować coś na wzór Alpy600 to tylko z mniejszymi szkłami, bo w przeciwnym razie całość (nawet z siatką 200) według obliczeń robi się zbyt długa jak na nasze wyciągi. Dlatego pewnie w Alpy te szkiełka są takiej wielkości, jakie są.

 

[jolo]

Kilka dni temu przyszło serce spektroskopu - siatka dyfrakcyjna. Tak że już nie ma wymówek i trzeba się brać do roboty  Na fotkach ta szklana kostka to siatka odbiciowa 600 lpmm od Edmund Optics. Szczeliny w kółku z numerami 1, 2, 3 i 4 mają odpowiednio szerokość 10, 20, 30 i 40um. No i klejony dublet 25/100 jako kolimator. Na ostatniej fotce pierwsze "widmo" Widać wyraźnie jak jedno z widm pierwszego rzędu zbiera większość światła. Tak działają siatki typu "blazed" (nie wiem jak to przetłumaczyć). W zwykłej siatce większość pary idzie w główny obraz, a oba widma pierwszego rzędu otrzymują tyle samo światła. Siatki "blazed" odbijają (albo załamują - w przypadku siatek transmisyjnych) większość światła w jedno z widm pierwszego rzędu, dzięki czemu ich sprawność jest dużo większa. 

[Esku1RES]

48 minut temu, jolo napisał:

...Tak działają siatki typu "blazed" (nie wiem jak to przetłumaczyć).

Kiedy po raz pierwszy spotkałem się z terminem, że siatka SA100 jest "blazed in the first order" miałem problem, jak ten termin sobie przetłumaczyć, żeby nie brzmiało zabawnie. A teraz myślę - cóż, dlaczego nie mogłoby być zabawnie, skoro np. poważni fizycy nazwali kwarki: dziwny, powabny, piękny. Proponuję iść po bandzie i "blazed grating" nazwać siatką gorejącą
Mówiąc bardziej serio - fajnie, że Twój projekt posuwa się do przodu. Szczególnie jestem ciekawy pomysłu na moduł gajdujący z użyciem tych szczelin refleksyjnych.

[rybi]

9 godzin temu, jolo napisał:

Tak działają siatki typu "blazed" (nie wiem jak to przetłumaczyć). 

 

Pooguglowałem trochę...

 

Moim zdaniem najlepszym tłumaczeniem jest:
blazed grating - siatka dyfrakcyjna profilowana
Zostało użyte w 1965r, przez Krzysztofa Serkowskiego w poważnym czasopiśmie astronomicznym "Postępy Astronomii" (patrz [1]).

 

Ale spotkałem się też z wersją "gdańską" (patrz [2]):
Blazed grating - odbiciowa siatka (dyfrakcyjna) rozjaśniona.

 

Natomiast (patrz [3]):
Blaze angle - kąt błysku siatki dyfrakcyjnej odbijającej.

[1] K.Serkowski - http://urania.edu.pl/pliki/archiwum/postepy_astronomii_1965_02.pdf
[2] M.Szopa - http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/mszopa/FS/Wyklad13_Astronomia.pdf
[3] http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~jwach/Techniczny EN-PL.htm#A