Диссертация (1149451), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Было вычислено отношение сигнал кшуму ~ 240. При вычислении использовали случайные ошибки определениятемпературы при различных величинах сигнал/шум (Рисунок 2.7).45 Рисунок 2.7. Случайные ошибки определения температуры приразличных величинах сигнал/шум (с/ш). [Аммосов и Гаврильева, 2000] Также в этой работе были выявлены некоторые недостатки метода.Например, не параллельности щели к штрихам дифракционной решетки,искривленность фокальной плоскости, нелинейность дисперсии. В ПЗСматрице чувствительность может варьировать от пикселя к пикселю(неравномерностьпокадру),атакже,ктермоэлектронномушумудобавляется шум считывания.Характеристики прибора, такие как неоднородность распределенияосвещения по полю, геометрические искажения, уширение спектральныхлиний, вносимые аппаратной функцией системы спектрометр – ПЗС камера,оцениваются сканированием поля матрицы линией источника слабого света.Передаточная функция спектрометра, полученная при использовании вкачестве эталонного источника неоновой лампы и функция распределенияосвещения по полю приведены на рисунке 2.8 и 2.9.
Аппаратная функцияимеет примерно гауссовский вид и полуширина его составляет примерно1 нм.46 1,210,80,60,40,20151101151201251pixelРисунок 2.8. Неоднородность распределения освещенности по полю.10,80,60,40,201357911 13 15 17 19 21pixelРисунок 2.9. Передаточная функция спектрометра.Инфракрасный спектрограф СП-50 установлен на постояннуюрегистрацию одновременно Р-ветвей полосы ОН(6,2) (высота излучения ~87км, [Baker and Stair, 1988]) и О2(0–1) молекулы кислорода (высота излучения~94 км, [Burrage et al., 1994; Yee et al., 1997]) на оптическом полигонеМаймага. Спектры эмиссии молекулярных полос экспонировались в первыегоды с временным разрешением в 6 мин, затем 10 мин.
В течение ночи всреднем производится 70-80 измерений.47 Ниже приводится пример регистрации и первичной обработки, то естьприведения столбцов матрицы в вид двумерного графика.На рисунке 2.10 показано изображение спектральных линий в рабочейобласти спектра, полученной спектрографом СП-50 2 января 2011г. Здесьпоказан спектр молекулярных полос Р-ветвей ОН(6,2) и О2(0-1), где каждаяточка представляет собой среднее значение столбца матрицы. Видно, чтовращательная структура Р- ветвей полосы гидроксила, также ветви R и Pпервой атмосферной полосы кислорода, хорошо разрешаются. Рисунок 2.10.
Контур спектра полос ОН(6,2) и О2(0-1) и их изображение навыходе ПЗС-камеры. Спектр полос получен 2 января 2011г.На сегодняшний день накоплено достаточно большое количестводанных с 1999 года. Все данные приведены в единый вид и хранятся насервере института. Спектрограф имеет некоторые недостатки: большиеразмеры и тяжелый вес, слабое разрешение ПЗС-камеры, относительнобольшое время накопления сигнала.48 2.3. Цифровой инфракрасный спектрограф ShamrockВ 2011 году группа выиграла конкурс на приобретение дорогостоящегоимпортного оборудования, объявленный Сибирским отделением РАН.Появилась возможность обновления инфракрасного спектрографа. Послеизучения характеристик оптических приборов, предлагаемых различнымифирмами, был выбран прибор фирмы Andor Technology, а именно –современный инфракрасный спектрограф Shamrock.
На рисунке 2.11приведен его внешний вид.Рисунок 2.11. Общий вид инфракрасного спектрографа Shamrock.СпектрографсостоитизмонохроматораShamrockSR-303i,оснащенного высокочувствительным инфракрасным InGaAs фотодиоднымдетектором (регистратором) iDus DU490A-1.7 производства фирмы AndorTechnology.49 Рисунок 2.12. Схематическое представление монохроматора Shamrock 303i.Монохроматор Shamrock 303i производства фирмы Andor Technologyявляетсяспециализированной,высокопроизводительнойинадежнойплатформой, предназначенной для регистрации слабых световых сигналов вдалекой инфракрасной области.
Прекрасно подходит для ежедневныхизмерений. Малые габариты и легкий вес говорит о том, что этот приборидеально подойдет и для полевых условий. На рисунке 2.12 представлена егооптическая схема. Монохроматор Shamrock построен по принципу ЧерниТернера (Czerny-Turner), фокусное расстояние равно 303 мм.
Имеетдифракционную решетку 600 штр/мм с моторизированным приводом длявыбора необходимойобласти спектра. Рекомендованная спектральнаяобласть этой дифракционной решетки лежит в диапазоне от видимой областидо инфракрасной. Номинальная дисперсия 4,62 нм/мм. Полоса пропускания128 нм. Разрешающая способность 0,19 нм при максимальной эффективности88%.Нарисунке2.13представленамонохроматора.50 эффективнаярабочаяобластьРисунок 2.13.
Рабочие области монохроматора Shamrock.В отличие от регистрирующего устройства предыдущего прибора(ПЗС-камеры), этот детектор имеет фотодиодную линейку на основе InGaAs.Индий-галлий-арсенид соединение является полупроводником с высокойподвижностью носителей заряда. Главными преимуществами фотодиодов наоснове InGaAs (детектора на основе InGaAs) являются очень низкийтемновой ток и высокая скорость считывания.Рабочий диапазон длин волн 16-ти разрядной цифровой камерыDU490A-1.7 лежит в пределах от 900 нм до 1650 нм. Система охлажденияпозволяет достичь –90° С при использовании специальной жидкости. В этихусловияхквантовая эффективностьдостигает>85%(Рисунок 2.14).Минимальное время экспозиции начинается с 1,4 миллисекунд. Стандартныйшум считывания 580е–1.
Уровень темнового шума при максимальномохлаждении составляет 10,1 Ке–1·с–1·пиксель–1. Чувствительность ~ 90 е–1/count. Еще одним преимуществом данного прибора является узкое полезрения (угол зрения ~3º). Разрешение спектрографа при ширине входнойщели 0.2 мм равно 0.8 нм. Время экспозиции для получения одногоизмерения спектра гидроксила в указанной полосе установлено на 60 секунд.51 Короткая экспозиция позволит значительно расширить диапазон частотизмеряемых внутренних гравитационных волн. В нашем исследованииспектрограф дает возможность измерять температуру мезопаузы с точностью1К. Рабочая температура охлаждения камеры выставлена на -50°С.Рисунок 2.14. Квантовая эффективность детектора.Юстировкаоптическогоприбора,выполненнаяпроизводителемобеспечивает достаточную точность определения центра волны (точностьцентровки волны 0,011 нм) и точность распределения длин волн по области(стандартное отклонение 0,037 нм).Приложенное программное обеспечение прибора позволяет управлятьмонохроматором (установка дифракционной решетки, открытие шторкищели) и камерой.
Также оно позволяет добавлять пользовательские командыс помощью приложенного интерпретатора скриптов, что дает возможностьавтоматизировать процесс проведения наблюдений и контроля работыприбора. Разработанное нами программное обеспечение позволяет приборуработать полностью в автоматическом режиме. Например, при углепогружения Солнца >9º прибор автоматически начинает регистрировать52 ночное небо, а с началом рассвета останавливает свою работу. Подробноеописание и листинг программы см. в Приложении 1.
Также автороморганизовано управление прибором с удаленного компьютера для егонастройки и корректировки программ. Дополнительно была налажена работаподпрограммы, которая каждое утро передает отснятые за ночь данные поинтернету на сервер института.Современный инфракрасный спектрограф Shamrock установлен напостоянную регистрацию полос гидроксила ОН(3,1) в далекой инфракраснойобласти (около 1,5 мкм) на оптическом полигоне Маймага. Согласно многимпоследним работам полоса ОН (3,1) достаточно хорошо термализируется исоответствует температуре окружающей нейтральной атмосферы на высотеее излучения [Шефов и др., 2006]. Выбор полосы излучения гидроксила вдалекой инфракрасной области имеет дополнительные преимущества: вопервых, в этой области спектра находятся эмиссии гидроксила с большойинтенсивностью, во-вторых, существенно уменьшается вклад паразитногосвета от звезд и Луны из-за уменьшения релеевского рассеяния 1/λ4 раз[Шефов и др., 2006], и в третьих, отсутствуют эмиссии полярных сияний.При помощи стандартной программы Andor Solis на выходе получаемследующего вида изображение (Рисунок 2.15):Рисунок 2.15.
Изображение на выходе инфракрасного спектрографаShamrock.53 Используя методику определения вращательной температуры, котораяподробно описана в главе 4, можно вычислить вращательную температуруполосы ОН(3-1).В будущем, новый инфракрасный спектрограф Shamrock долженполностью заменить инфракрасный дифракционный спектрограф СП-50. Сцелью определения характеристик чувствительности и взаимной калибровкидва прибора работали одновременно в течение 2 сезонов. Прибор СП-50регистрировал полосу ОН(6,2), а Shamrock – ОН(3,1),излучающиесяпримерно с одной и той же области неба на полигоне «Маймага». Нижеприведены примеры сравнения вариаций температуры в различные ночи,полученные с помощью обеих спектрографов (Рисунок 2.16).Из рисунка 2.16 видно, что, несмотря на систематическую разницуколебания демонстрируют хорошее согласие.
При сравнении 600 ночей за 2сезона было выявлено, что вращательные температуры полосы ОН(6,2)измеренные инфракрасным спектрографом СП-50 систематически ниже всреднем на 6К (со стандартным отклонением 2,87К).54 Рисунок 2.16. Сравнение вращательных температур, полученных на двухразных оптических приборах. Tand[OH(3,1)] – вращательная температураполосы ОН(3,1) полученная с инфракрасного спектрографа Shamrock.Tsp[OH(6,2)] – с инфракрасного спектрографа СП-50.55 2.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
