Слънчев телескоп-коронограф в Националната астрономическа обсерватория Рожен I. Описание на оптичната система

Фигура 1.1 Фотография на 15-сантиметров телескоп-коронограф в НАО-Рожен.

Един от най-трудните етапи на работа беше извършена от основателя на сектор “Слънце”, проф. Вл. Дерменджиев. Благодарение на неговите усилия в НАО-Рожен бе проектирана и окончателно построена през 1994 г. наблюдателна кула с 8-метров купол, както и монтирането на модерна и стабилна паралактична установка в кулата, позволяваща монтирането на коронограф заедно със слънчев рефрактор. Тази установка е произведена в заводите “Карл Цайс”, Йена. Изграждането на самия телескоп започна от пролетта на 2002 г., когато бе осигурено първото финансиране.

Телескопът за наблюдения на протуберанси в светлината на линията Нα, монтиран в слънчевата кула на НАО-Рожен е тип Лио. Неговата схема е показана на Фигура 1.2.

Фигура 1.2 Схема на 15-сантиметровия коронограф в НАО-Рожен.

Първият елемент от телескопа е диафрагмата S, ролята на която е да намалява максимално рефракцията от краищата на главния обектив О1. Непосредствено след нея е разположен главният обектив на коронографа О1. Обективът има диаметър 150 мм и фокусно разстояние 2250 мм (F1). O1 е двукомпонентен обектив с направена корекция за сферична аберация, т.е. светлината на различни дължини на вълната има един и същи фокус в точката А (фиг. 1.3).

Фигура 1.3 Принципна схема на двукомпонентен обектив-ахромат. Обикновено едната компонента на обектива е изработена от крон, а другата от флинт

Следващият елемент от схемата на коронографа е затъмнителният диск D. Той е изработен от алуминиева сплав и има форма на конус с връх, насочен към Слънцето. За да може максимално да отразява фотосферната слънчева светлина, повърхността на D е механически полирана, а след това е подложена и на химическо полиране. Полирането е важно не само да може да се отразява добре фотосферната светлина, но и да се намали максимално загряването на метала. “Изкуствената Луна” е поставена в специално изработен радиатор от месинг с по-нисък коефициент на топлопроводност, за да се намали ефекта на нагряване на полевата леща О3. Подробна схема на затъмнителният диск и месинговият радиатор към него са показани на Фигура 1.4.

Фигура 1.4 Подробна схема на затъмнителния диск (конус), поставен във фокалната равнина

Данните за годишното изменение на видимия диск на Слънцето са взети от постоянната част на астрономическия ежегодник, който се издава от Института по теоретична астрономия на Руската академия на науките (таблица 1.1).

Стойностите за диаметъра на слънчевия диск във фокалната равнина на О1 (d_{sun images}) са изчислени по формулата:

където F1 e фокусното разстояние на О1, изразено в милиметри (Jahn, 1975). При пресмятането на d_{sun images}, във формула (1.1) стойностите на D_i са превърнати в градуси.

Отразената фотосферна светлина от затъмнителният конус попада най-напред върху разсейващият елемент R. Върху него попада цялата фотосферната светлина, отразена от затъмнителния конус и я изпраща по подходящ ъгъл напред, по тубуса на телескопа. След многократно отразяване и частично поглъщане от черните стени на тубуса, тази фотосферна светлина се неутрализира. За по-ефективно поглъщане на фотосферната светлина в тубуса на телескопа са поставени допълнителни бленди, с подходящи отвори.

На разстояние f1=20мм от фокуса на главния обектив е монтирана полевата леща О2. Тя пренася изображението от фокалната равнина на О1, върху обектива О3. Поставя се на около 10-20 мм след фокуса на О1, с което се избягва фокусирането на случайно попаднали върху нея прашинки върху крайното изображение на оптичната система. Най-важното предназначение на О2 е чрез нея да се постигне равномерна осветеност на изображението, формирано в фокалната равнина на О3. Лещата е изработена от оптично кварцово стъкло с високо качество, тип Q1 (Synthetic Fused Silica), в завода за оптика “Оптикоелектрон”, гр. Панагюрище. Тъй като полевата леща е подложена на температурно нагряване (пряко от светлината преминаваща през обектива О1 и от металните елементи на затъмнителния конус и неговия радиатор), тя трябва да има минимални коефициенти на температурно разширение и свиване. Ако това не е съобразено, при свиване или разширяване, лещата може да се счупи от напреженията които ще се създават в точките на нейното окачване в оптичната система на телескопа. Полевата леща е плоско-изпъкнала (с изпъкналата си страна към Слънцето) и има радиус на изпъкналата си страна R_O2=100.4 мм, което осигурява фокусно разстояние F2=200 мм, при λ=6562.8 Å. За да се постигне максимален ефект на равномерна осветеност в фокалната равнина на О3 трябва да бъде изпълнено следното условие на съгласуваност:

където F1 е фокусното разстояние на главния обектив О1, а F2 е фокусното разстояние на полевата леща О2. Полевата леща с нейните размери е показана схематично на Фигура 1.5.

Фигура 1.5 Схема на използваната в телескопа полева леща (размерите са в мм). r=f(n-1) е радиусът на кривината на изпъкналата страна на лещата, пресметнат за

В центърът на полевата леща има отвор със защитни фасети, в който се монтира радиатора на затъмнителния конус. Между всички метални повърхности и повърхностите на полевата леща са поставени топло защитни пластини от тефлон за намаляване на топлопредаването метал-стъкло.

Във фокуса на полевата леща е поставена ирисова бленда LS, която се нарича Лио-стоп. Блендата не пропуска преминаването на формиралия се от О1 дифракционен пръстен. Неговата яркост е в пъти по-голяма от яркостта на короната и изображението на протуберансите, формирани във фокалната равнина на О1. Ако не се изолира този дифракционен пръстен ние не бихме могли да получим изображение на протуберанси във фокалната равнина на О3.

Непосредствено на 2-4 мм след блендата LS, е монтиран фотографският обектив О3. Неговата роля е да формира изображението от фокалната равнина на О1, върху приемника или окуляра за наблюдение. От качеството на този обектив до голяма степен зависи качеството на крайното изображение и затова се изисква той да бъде с максимално висока разделителна способност. Обективът който използваме е с променливо фокусно разстояние f_O3=215-225 мм, конструиран също в завода за оптика “Оптикоелектрон”, гр. Панагюрище. За съжаление О3 не е от обективите с желаното от нас качество и поради тази причина се предвижда неговата подмяна.

Непосредствено след обектива О3 е поставен един от главните оптически елементи на телескопа – Н_α-филтърът. Филтърът който използваме е с високо качество и е напълно диелектрически. Той е конструиран така, че да има максимално пропускане в центъра на линията Н_α, но при ефективна температура на работа от 40^оС. Специално за тази цел е изработена електрическа схема, за следене и поддържане на ефективната работна температура на филтъра (фиг. 2.1). Филтърът дава възможност за промяна на центъра на ивицата на пропускане с ~3Å, което дава възможност за изследване на вътрешни движения на протуберансовата плазма от ≈150 км с^-1, по лъча на зрение. Цялата ивица на пропускане на използваният от нас филтър е:

Δλ=1.8Å.

Крайното изображение на телескопа което се формира във фокалната равнина на О3, попада върху цифров приемник на светлината (А), на разстояние F3=220 мм от О3.

Фигура 2.1 Набор от шест затъмнителни конуса с техните съответни размери (ляво) и електрическото захранване на системата за фокусиране, както и

През зимата когато Земята е най-близо до Слънцето, се използва затъмнителният диск с най-голям диаметър - d_{sun images}= 21.4 мм и съответно през лятото, когато Земята е най-далеч от Слънцето, се използва d_{sun images}= 20.7 мм. Затъмнителният конус на пътя на лъчите на главния обектив предизвиква дифракция на светлината, която може да доведе до грешни резултати в етапа на обработка на изображенията. Изображения с добре изразени ефекти на дифракция от краищата на затъмнителният диск са показани на Фигура 2.2. На фигурата са показани изображения от телескопа в НАО-Рожен (а) и от коронографа LASCO 2 (б), монтиран на орбиталната станция SOHO. За да се избегнат силно изразени ефекти на дифракция, получена от краищата на затъмнителния диск, е добре да се използват дискове с диаметри надхвърлящи изчислените в Таблица 1.1 с около 0.1 мм. Избягването на ефекта от дифракцията чрез избор на подходящ размер на затъмнителния конус е експериментално установен за наблюдателната установка в НАО. Този проблем се решава конкретно за всеки един инструмент и зависи от параметрите на отделните елементи на оптичната установка.

Подмяната на затъмнителни конуси с различен диаметър се налага защото при движението на Земята около Слънцето по елиптична орбита, видимия диаметър на Слънцето се мени. Това води до увеличаване или намаляване на диаметъра на слънчевия диск във фокалната равнина на О1. Данните за видимия диаметър на Слънцето, за осем различни дни от година са представени в Таблица 4.1, изразени в ъглови минути (видимият слънчев диск на небето). В същата таблица са изчислените реални размери на слънчевия диск в фокалната равнина на О1 – d_{sun images}, (изображението на Слънцето, формирано от главния обектив, в неговата фокална равнина).

фигура 2.3

• 
  бутон ‘А’ – позиция I
  
• 
  бутон ‘B’
  
• 
  бутоните ‘D’ и ‘S’ са съответно за управление на купола и неговия процеп
  

фигура 2.4
Включване на бутона (показан със стрелка) на позиция I

3. Отстраняване на защитен капак от сенника на телескопа

4. Насочване на телескопа и фотографиране.

Забележка: След фотографира, за да се спре процеса на допълнително нагряване на елементите в тубуса на телескопа, трябва да се засенчи самият телескоп, чрез завъртане на купола.
II. 2. Ред на изключване на телескопа
1. Изключване на захранването на мотора за движение по ректасцензия (фиг 2.4)

• 
  позиция 0
  

2. Изключване на захранващият блок (фиг. 2.3)

• 
  бутоните ‘D’ и ‘S’ са съответно за управление на купола и неговия процеп (затваряне на процепа)
  
• 
  бутон ‘С’
  
• 
  бутон ‘А’ – позиция 0
  

3. поставяне на защитен капак от сенника на телескопа

4. привеждане на телескопа в паркирано положение

• 
  ректасцензия – 0h 0’
  
• 
  деклинация – 42^o 40’
  

III. Настройки на 15см телескоп-коронограф

Фигура 3. 1 Фотографии на 15см телескоп коронограф
От една страна, настройките на телескопа са свързани с доброто познаване на схемата на телескопа, но от друга страна, това означава добро практическо познаване на самия телескоп. На ПРИОЛОЖЕНИЕ 1 са показани реални снимки на телескопа и положението върху тях на основните места за неговите настройки.