Ein neuer, kleiner Spektrograph bei ersten Tests. Eigentlicher Zweck ist die Aufnahme von Sternspektren zur Bestimmung des Spektraltyps im Fokus eines meiner Newton-Teleskope (splatlos). Die Öffnungsverhältnisse von F/4.5 von Spektroskop und Teleskop sind auf einander abgestimmt. Das Gitter ist hier direkt auf einen Kugelspiegel aufgebracht. Das Objekt=Spalt und sein Bild sind im Krümmungsmittelpunkt positioniert. Das Spektrum 1. Ordnung gelangt seitlich, unter einem Winkel von ca. 18° auf den CCD-Chip. Vorteilhaft bei diesem Gerät ist der Verzicht auf Linsenobjektive, die immer nur in speziellen Farben zufriedenstellend abbilden. Sie versagen insbesondere im kurzwelligen Bereich, der traditionell zur Bestimmung von Spektraltypen benutzt wird. Diese Probleme kennt ein Spiegel nicht. Für flächenhafte Objekte, wie Sonne, Mond, Planeten, Nebel oder Galaxien, können zwei auf Schiebern angeordnete Spalte eingesetzt werden.
Bild 1: Überblick: In diesem ersten Versuchsaufbau wird allerdings ein Tosslink-Kabel als Lichtleiter eingesetzt. Das Sonnenlicht gelangt so vom Teleskop über den Lichtleiter zum Spalt des Spektrographen.
Bild 3: Detailansicht: Lichtleiter am Spektrographen.
Bild 4: Detailansicht: Lichtleiter am Teleskop.
Bild 5: Bestandteile des Spektrographen. Das abbildende Gitter, Durchmesser 40mm, 1200 Linien/mm, Blaze 1. Ordnung, bei 550nm. Der ursprüngliche Plan sah eine motorisierte Positionierung des Gitters unter Computerkontrolle vor. Der Schrittmotor stammt von einer ausgedienten 3.5-Zoll Floppy. Diese Möglichkeit wurde nicht ausgeführt, wegen optischer Probleme, die weiter unten beschrieben werden. Weiter sind im Bild die beiden Spalte zu erkennen, die wechselweise in den Schlitz unter dem T2-Ring (sichtbar im nächsten Bild) eingeschoben werden können. Die Spaltbacken bestehen aus den Schneiden zweier Bleistiftanspitzer. Bei der Herstellung habe ich eine Vertiefung in den Aluminiumträger gefräst, um alles schön flach zu halten, denn das Teleskop soll ja ein Newton sein, wenig Back-Fokus leidet. Natürlich läßt sich das Gerät auch ohne Spalt betreiben. Dann wird ein Schieber eingesetzt, der nur ein Loch von 6mm statt eines Spalts enthält.
Bild 6: Der T2-Ring wurde mit Epoxyd-Harz eingeklebt. Der Halter für die CCD-Kamera ist als Ringschwalbe ausgeführt, Kameraseitig wurde ein 42x0,75-Gewinde (T2) aufgeschnitten. Zu sehen als Messingring in Bild 5.
Bild 7: Fräsarbeiten am zukünftigen Spalt auf der Drehbank.
Bild 8: Das fertige Gerät mit 2-Zollanschluß.
Erste Spektren wurden von einer Neonlampe gemacht. Mit den Ergebnissen war ich zufrieden.
Dann kamen die ersten Tests am Teleskop. Nur einige Wolkenlücken, Zielobjekt sollte ein A-Stern im blau-violetten Spektralbereich sein, da sich hier die Balmerlinien deutlich zeigen. Natürlich war alles zunächst nicht fokusiert, weshalb ich den Fokusierer so verstellte, daß der Lichtstreifen schmaler und schmaler wurde, aber trotzdem zeigten sich bei minimaler Breite nicht die erwarteten Absorptionslinien. Ratlosigkeit und Enttäuschung machten sich breit, natürlich schloß sich auch gleich die Wolkenlücke, Ende und aus.
Bis zur nächsten klaren Nacht dauerte es erwartungsgemäß eine Weile. Eine Überprüfung mit Spalt und künstlichen Lichtquellen brachte auch keine Klarheit. Alle zeigten die erwarteten Spektallinien.
Dann war es soweit. Die Bedingungen gut. Das Resultat dasselbe.
Nachdem ich dann ohne Plan, deutlich aus dem Fokus nach außen verstellte, zeigten sich dann aber doch erste zaghafte Linien. (???) Zwei Beispiele folgen.
Bild 10: Spaltlos aufgenommene Spektren von Castor (oben, A2) und Pollux (unten, K0) im blauen, Teleskop Newton 8-Zoll F/4.5, Belichtung jeweils 30 Sekunden, Kamera ST7ie.
Im einzelnen erkennt man hier:
Was kann man tun? Worauf ist das misteriöse Verhalten, daß sich die Spektrallinien erst außerhalb des Fokus zeigen, zurückzuführen?
Ich hab eine Weile gebraucht, und ehrlich gesagt, es steht auch in den Katalogen der Hersteller von Beugungsgittern: Astigmatismus, auch als Zweischalenfehler bekannt.
Bei diesem gefürchteten optischen Fehler gibt es keinen wirklichen Fokus. Ein Stern wird als scharfer Strich auf einer intra- oder extrafokalen Schale abgebildet Beim Durchgang durch den "Fokus" ändert der Strich seine Orientierung um 90°. Und genau das hatte ich gesehen.
Innerhalb des "Fokus" hatten diese Striche eine Lage in Dispersionsrichtung (keine Struktur zu sehen), außerhalb quer dazu, der Strich bildet dann einen "Spalt" und es zeigen sich die beobachteten Spektrallinien. Beim Einsatz eines realen Spalts wird die Länge des Spaltes im Bild durch den Astigmatismus verlängert. Das konnte ich dann auch sehen.
Leider ist der neue Spektrograph damit für seinen angedachten Bestimmungszweck nicht gut geeignet. Die wenigen Photonen werden ja jetzt nicht mehr auf einen in Y-Richtung eng begrenzten Bereich konzentriert, sondern auf den breiten Strefen verteilt. Schlecht für das Signal/Rauschverhältnis. Schlecht für mich.
Vielleicht könnte man der Verbreiterung durch eine geeignete Zylinderlinse entgegenwirken?
Lehren aus dem ganzen Mist:
Man braucht eine optische Bank zum vernünftigen experimentieren, und man sollte vorher mehr rechnen.
Zur Umsetzung der letzten Erkenntnis hab ich mich dann in Oslo vertieft, einer Software für optisches Design, von der es eine Freeware-Version gibt.
Die Durchrechnung diese Problemfalls zeige ich an anderer Stelle.
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