HIRSS come spettroelioscopio

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HIRSS come spettroelioscopio digitale

per la parte rossa -infrarossa dello spettro solare

HIRSS as digital spectrohelioscope optimized for the red -IR part of the solar spectrum

I buoni risultati e ottenuti e le esperienze conseguite con Hirss 2 mi hanno convinto ad effettuare un upgrade di HIRSS, il mio primo spettroscopio solare ad alta risoluzione, in modo da farlo funzionare come spettroelioscopio digitale, ma in modo diverso da HIRSS2, anche per non dar luogo ad inutili repliche ed ad uno strumento analogo.HIRSS in versione spettroelioscopio è stato quindi modificato lasciando invariati collimatore e cannocchiale di osservazione, ma cambiando il cuore del sistema, il reticolo e lo specchio di rinvio, ed il cannocchiale con cui si acquisisce l'immagine solare.Entrambi sono stati pensati per un uso esclusivo nella parte rossa dello spettro, dove esistono un numero notevole di linee e di elementi da osservare: il reticolo a riflessione originale 30 x 30 mm blazed per 500 nm è stato quindi sostituito con uno 30 x 30 mm blazed per 1000 nm, ovvero per l'IR ( nell'ordine 1 ), e lo specchio di rinvio dell'immagine in uscita dal reticolo al cannocchiale di osservazione, inizialmente uno specchio stellare a 90° Meade da 50 mm, è stato cambiato con un (enorme) specchio dorato di dimensioni 150 x 100 mm di costruzione russa , molto ben lavorato, acquistato ad un prezzo ridicolo al mercatino di Porta Portese qualche anno fa.Entrambi i componenti quindi, sia il reticolo che lo specchio, hanno un rivestimento dorato che, come si sa, incrementa di circa il 20% la radiazione IR (ma, in misura lievemente inferiore anche quella rossa) (Fig 1 e 2).Il sistema di acquisizione dell'immagine solare, il telescopio che proietta l'immagine solare sulla fenditura dello spettroscopio, è stato anche cambiato ,usando anche per HIRSS un piccolo rifrattore (un 50 mm 350 mm) posto in linea con il collimatore, come già fatto per HIRSS 2.Tale soluzione presenta vantaggi e svantaggi: tra i primi, la possibilità di una facile collimazione e messa a fuoco reciproca con il collimatore dello spettroscopio, senza rinvii e specchi a 90 °, la relativamente ridotta immagine solare risultante nel formato 640 x 480, delle webcam più comuni con la possibilità di riprendere l'intero disco con due scansioni.Gli svantaggi sono essenzialmente quello che l'immagine solare concentrata (ca 5 mm) oltre a surriscaldare le lame della fenditura, costringe a chiuderla a valori limite (1/50-1/100 mm) con la conseguenza di riportare sull'immagine le numerose righe (cd "trasversalium") provocate da imperfezioni o sporcizia delle lame stesse.Un altro inconveniente è quello di dover necessariamente usare rifrattori corti per motivi di ingombro, che altrimenti crescerebbe oltre misura.In definitiva, tuttavia, la soluzione descritta è quella che consente di avere immagini accettabili, scientificamente usabili, anche se non eccelse dal punto di vista estetico, del disco solare nelle lunghezze d'onda dei vari elementi.Il nuovo setup, a differenza del precedente, non permette tuttavia l'uso di fenditure fisse, ma necessita di fenditure regolabili, dati i valori molto piccoli di chiusura delle lame (ca 1/50-1/100 mm).

The good results obtained and the experiences done by HIRSS2 use as spectrohelioscope, made me realize the opportunity to convert HIRSS, my first High resolution spectroscope, in a digital spectrohelioscope, but in a different mode, in order to avoid unuseful duplications.The new instrument has been thought for the red part of solar spectrum, where there are a lot of lines and elements to observe to.So, I upgraded the original 30 x 30 ruled grating blazed for 500 nm, to a similar 30 x 30 grating blazed for 1000 nm, near IR, in the 1st order.The grating is gold coated, to increase the transmission of red - IR radiation. The 90° mirror (before I used a Meade 2"star diagonal) was upgraded to a gigantic 100 x 150 mm plane mirror of russian production , gold coated too, I bought some years ago at an used items market in Rome.Both the system hearth components can then assure a 20% higher IR and red incoming light.(Fig 1 and 2).The telescope devoted to the projection of solar image onto the slit was also changed, with a small 50/350 refractor put in line with collimator lens as already done with HIRSS 2.Such solution presents some advantages, as the easy collimation and focusing with the collimator, without 90° mirrors, and the resultant reduced solar image in the 640 x 480 format, the one of the most common webcams,with the chance to take pictures of the whole solar disk with two scans.The disvantages are essentially the concetrated solar image (ca 5 mm) onto the slits blades due to the short focal lenght , that heat them,and makes an obliged choice to shut the blades to very small values (1/50 -1/100 mm) that makes particularly evident in the final image the transversal lines (cd "transversalium") due to imperfections and dust on them.Anyway, the described setup is the one, in my opinion, that makes one capable to get honest, scientifically acceptable images of solar disk in various elements wavelenghts, in the simple and less expensive way.The new setup doesn't accept, anyway, the use of fixed slit, but of adjustable ones only, for the very small distance between the jaws (1/50 - 1/100 mm).

Fig 1: Lo specchio di rinvio dorato 100 x 150

The gold coated 100 x 150 mirror

Fig 2 : Immagine del reticolo(anch'esso con rivestimento dorato) riflessa nello specchio di rinvio

Grating's image (gold coated too) reflected in the gold mirror

Il progetto riguardava inizialmente lo studio delle righe del calcio (Ca 2) a 8542 e 8662 A, nel vicino IR, e l'effettuazione di scansioni delle righe in questione con l'utilizzo di una camera DMK 31AF03 AS , formato 1024 x 768, sufficientemente sensibile nel vicino IR.Tuttavia, difficoltà nello gestire i pesanti files AVI generati dalla camera con gli altri programmi, e l'impossibilità di convertire in fits i files Avi, mi hanno fatto desistere dal progetto iniziale, e ripiegare su quello secondario, lo studio delle righe del sodio Na 1 e Na 2 e la scansione del disco solare nelle righe stesse.

The project was initially concerned with the Calcium (Ca 2) lines at the NIR wavelenghts at 8542 and 8662, but with an IR sensible camera , as the DMK 31AF03 AS.Anyway, some problems related to the conversion in Fits of AVI files generated by the camera induced me to try another project, as the study of the solar disk in the Na 1 and Na 2 lines.

Nelle figure 3 e 4 è mostrato il nuovo setup di HIRSS:

In the 3 and 4 figures is shown the new instrument setup:

Fig 3 : Schema dello strumento

Instrument setup

Fig 4: Vista finale dello strumento col carterino di copertura in compensato

Final sight with a white plywood cover

Prima di passare al sodio ho per prima testato le capacità di imaging di HIRSS con una scansione del disco solare nella riga Ha,con la mia camera BN Toucam III , formato 640 x 480, che ha dato risultati abbastanza buoni (Fig 5).

Before passing to the Sodium doublet observations I first tested the instrument's capability to image the sun with a partial Ha scan of the disk by my old Philips Toucam III BW camera, that gave quite good results (Fig 5).

Fig 5: Scansione unica in Ha, inclinata per orientare l'immagine nel senso di rotazione del disco, che non coincide col nord astronomico e con l'orientamento della camera all'atto della scansione.

A Ha scan with image oriented in solar disk rotation direction, which doesn't match the astronomical orientation and the one of the camera during the scan.

Ho quindi cominciato l'osservazione delle due righe del sodio Na 1 ed Na 2, che apparivano come segue (Fig 6):

Then , I begun the Sodium Na 1 and Na 2 lines observations, that looked as follows (Fig 6):

Fig 6: Le due linee del doppietto del sodio, con al centro , più marcata, quella del nickel e linee minori, all'interno, dovute all'H2O atmosferico (le linee trasversali sono dovute a difetti della fenditura).La risoluzione raggiunta è di 0.05 Angstrom x pixel con la camera Toucam III BN di 640 x 480.

The Na 1 and 2 lines of sodium doublet with , at its center , the nickel line and some other ATM H2O lines(the transversal lines are slit defects).The obtained resolution was 0.05 Angstrom x pixel with the used Toucam III 640 x 480 BW camera.

Il primo test della efficienza dello strumento e dell'uso delle linee di assorbimento del sodio quale fonte di osservazione e studio è stato dato dalla misurazione dello spostamento delle righe tra punti sul bordo solare sufficientemente vicini al senso di rotazione Est - Ovest dovuto all'effetto Doppler - Fizeau. L'orientamento della fenditura, stabilita per l'uso di HIRSS come spettroelioscopio, non ha permesso l'esatto posizionamento della medesima sul bordo solare Est e Ovest, ma su quello N/E e S/O, ciononostante lo spostamento è stato nettamente controllabile e ripreso con la camera Philips Toucam III.La differenza di lunghezza d'onda delle righe tra i bordi è dovuta al fatto che, per effetto della rotazione solare da Est a Ovest ,i gas dell'atmosfera solare sul punto Est si avvicinano all'osservatore terrestre, mentre quelli del lembo Ovest si allontanano, conseguentemente le righe relative appaiono spostate verso il blu nel primo caso e verso il rosso nel secondo per l' effetto Doppler - Fizeau.Ovviamente tale spostamento è molto piccolo, pari a centesimi di Angstrom, ma comunque avvertibile con spettroscopi di sufficiente potere risolutivo.Il doppietto del sodio costituisce la feature ideale dello spettro solare per tale genere di osservazioni, a causa della presenza, al suo interno di una riga ben marcata dello spettro solare, quella del Nickel, e di due vicine righe dovute al vapore acqueo atmosferico, e quindi non appartenenti allo spettro solare, ma all'atmosfera terrestre.Ovviamente, mentre la riga del Nickel presenta lo shift, le altre non presentano alcun spostamento, servendo come righe di riferimento.Nella Fig .7 sono riportati i risultati dell'osservazione,effettuata il 6 maggio 2008 alle ore 8.00 circa TU, con i due spettri, del settore S/W e quello N/E sovrapposti:

First perfomance test of the new instrument on the sodium lines was done by trying to measure the doppler shift of solar spectrum between points near the East- West rotation direction of the sun disk.The slit position for spectrohelioscope imaging didn't make possible to place it exactly tangent to east- west limbs, but only in N/E - S/O direction, anyway, the spectral shift was clearly visible trough the images taken by my BW Philips Toucam Camera.The different wavelenght of lines on the limbs is due to the fact that solar atmosphere of the east limb approaches to us, (so the related wavelenght is blue shifted) while the one of west limb, going far from the observer, is red shifted.The shift is very small (a few hundreds of Angstrom) but easy to observe with enough powerful spectroscopes.The sodium doublet appears as the ideal solar spectrum feature to do this job, as it presents, inside the two Na 1 lines, the thick Nickel line, which belongs to the solar spectrum and that is shifted, and two near lines of the water in the earth amosphere, that are not shifted and are used as reference lines.In the Fig 7 are shown the results of the may 5 2008 observation, with the two overlapped spectra.

Fig 7: Spostamento Doppler della riga del Nickel per effetto della rotazione solare

Doppler shift of solar spectrum lines near the limbs

Lo spostamento misurato sulla riga del Nickel, dell'ordine di 1,5 pixel darebbe,tenuto conto della risoluzione spettrale di 0.05 a/pixel e sulla base della nota formula V = C x dL/Lo, dove C è la velocità della luce nel vuoto, dL la variazione di lunghezza d'onda ed Lo la lunghezza d'onda a riposo, il risultato di una velocità di rotazione , pari a (300.000 x 0,075 / 5892,88) x 1/2 = 1,88 Km sec, leggermente approssimata per difetto, tenuto appunto conto della posizione della fenditura, rispetto al valore riconosciuto della rotazione solare di 2 km sec.

The measured doppler shift on the nickel line, of 1,5 pixel is, considering the spectral resolution of 0.05 A/pixel and on the basis of formula V = C x dL/Lo, where C is the speed of light, dL the wavelenght variation and Lo the rest wavelenght, gave a solar rotation speed of (300,000 x0.075/5892.88) x 1/2 = 1,88 Km sec, slightly under the accepted value of 2 Km sec.

Le prime riprese dell'immagine del sole nella riga Na 1 a 5890 nm hanno evidenziato la difficoltà di percepire con chiarezza gli elementi della debole granulazione in luce sodio a causa delle imperfezioni della fenditura (righe orizzontali) e di quelle della scansione (righe verticali) (fig 8), sto cercando quindi di attuare una sorta di flat field sintetico per ovviare all'inconveniente, anche se l'impresa risulta alquanto difficile.

Il presente lavoro sarà quindi aggiornato con i successivi miglioramenti alla strumentazione e le successive osservazioni.

The first images of the sun in the Na 1 line at 5890 A weren't satisfactory for the difficulty to clearly distinguish the faible granulation pattern in the Na1 light due to the slit imperfections (orizontal lines) and to scan imperfections (vertical lines) (Fig 8), so I'm now trying to create a dedicated flat field, but the job isn't easy.

The present work will soon be revised with the further improvements to the instrument and the new observations.

Fig 8 Prime immagini del sole in luce sodio a 5890 A: l'immagine è riscalata dalla risoluzione nativa di 480 x 1400 ed è orientata nel senso della scansione.Le righe orizzontali sono dovute ad imperfezioni della fenditura, quelle verticali a differenze di gradiente nella scansione.

First images of the sun in Sodium light at 5890 A: the image is resized and oriented in scan direction.The orizontal lines are originated by slit imperfections, and the vertical ones by scan gradient differences.