TSA
Telescope Spectroscope Adapter
Adattatore spettroscopico per telescopi
Una nuova risorsa per gli appassionati di astronomia
Nell' approfondimento delle questioni connesse alla spettroscopia, mia grande passione di "astronomo amatore" , mi sono spesso dovuto confrontare con una realtà: gli appassionati come me in tale fondamentale branca dell'astronomia che la sperimentavano in pratica erano pochissimi, ed i potenziali interessati ,invece, molti di più.Gran parte di questi si lasciano scoraggiare, oltre che dalla obbiettiva complessità e vastità di questa branca dell'astronomia e della fisica, dalla difficoltà di costruirsi uno spettroscopio , anche semplice, con le proprie mani.Negli ultimi anni, tuttavia,si sono affacciati il mercato consumer alcuni tipi di spettroscopi, alcuni di realizzazione molto semplice, formati in genere da un reticolo a trasmissione , da applicare all'oculare di un telescopio ovvero all'attacco di una camera CCD.Tali oggetti privilegiano, come è ovvio, la osservazione e la ripresa di spettri stellari, dato che danno un'immagine al cui centro c'è l'ordine 0, ossia l'immagine reale dell'oggetto, ed a destra e sinistra gli spettri dei vari ordini.L'uso di tali strumenti sul sole è assolutamente da evitare, pena danni severi e irreversibili agli occhi.Accanto a tali tipi semplici di strumenti, sono stati immessi sul mercato altri molto più sofisticati, degli spettroscopi veri e propri, il cui uso dedicato è l'osservazione e la ripresa di spettri stellari, anche se alcuni di essi possono anche essere utilizzati sul sole a patto di utilizzare esclusivamente strumenti a lenti, in quanto la fortissima luce e calore in arrivo potrebbero distruggere letteralmente il secondario e portasecondario degli strumenti compositi , cd. "catadiottrici", quali Schmidt Cassegrain, Matsukov Cassegrain,etc, che sono poi quelli più diffusi tra gli appassionati.I predetti spettroscopi hanno, comunque, un costo piuttosto elevato, che spesso fa desistere qualsiasi astrofilo che non sia un addetto ai lavori ed abbia quindi una conoscenza ed un interesse più che approfondito della spettroscopia.
A tutt'oggi, quindi. ai possessori delle predette categorie di telescopi appariva preclusa la possibilità di poter usare per l'osservazione solare uno spettroscopio dotato di una adeguata risoluzione spettrale e di caratteristiche tali da poter essere applicato, come un qualsiasi accessorio, alla culatta posteriore di un catadiottrico, qualsiasi sia il diametro e la lunghezza focale,e ciò ad un costo non eccessivo, alla portata di quasi tutte le tasche.Questa mancanza mi ha indotto, da tempo, ad esplorare la possibilità di colmare questa lacuna, e credo di essere riuscito nell'intento.
Ho soprannominato il nuovo strumento TSA, acronimo di Telescope Spectroscope Adapter, , in quanto esso è capace di trasformare un telescopio a fuoco posteriore sia esso Catadiottrico (Schmidt Cassegrain o Matsukov Cassegrain) o Rifrattore,non importa di quale diametro o focale in uno spettroscopio solare a media risoluzione, con una gamma notevole di potenziali capacità accessorie.La facilità d'uso ne garantisce l'utilizzazione anche da parte di chi non si è mai occupato si spettroscopia, ma vuole, ad esempio, usare il proprio telescopio per finalità didattiche nel settore, senza l'uso o l'acquisto di altri strumenti .Il TSA consta infatti di due parti: Una maschera da anteporre all'ottica principale del telescopio, e da un adattatore posteriore da 50,8 mm, poco più grande di un diagonale stellare di tale formato.Il TSA è stato testato su tali tipi di strumenti, ma non può essere usato sui Newton o su strumenti di simile configurazione, perlomeno nella sua struttura attuale.E' allo studio e sotto test il suo uso anche come spettroscopio stellare, perlomeno con stelle di una certa luminosità.
Lo strumento costituisce quindi, per i numerosi possessori di SC delle varie marche , Mak, e rifrattori,una vera novità ed un accessorio semplice da usare .Basta anteporre la maschera all'obiettivo del telescopio (operazione da non dimenticare) , puntare il sole col cercatore dotato di un filtro in astrosolar, ed esplorare lo spettro solare visibile, dal violetto al rosso profondo.La risoluzione dello strumento, dotato da un reticolo di elevata qualità di 1200 l/mm, è più che sufficiente per fini didattici ed uno studio anche serio dello spettro solare.
Tale accessorio per telescopi è stato oggetto di una richiesta di brevetto nazionale (e CE per 18 mesi) avanzata all'Ufficio Brevetti di Roma, richiesta poi rigettata in quanto, a detta del centro brevetti Europeo, un accessorio simile era stato da me già pubblicizzato sul web.
Il TSA consta, come si è detto, di due parti: una prima, lo strumento principale, poco più grande di un diagonale da 50 mm con il relativo oculare, e del peso di 750 g circa, che va applicato ad un portaoculari da 50 mm alla parte posteriore del telescopio,ed una seconda, composta da una maschera da applicare alla parte frontale del telescopio.Le due parti sono assolutamente complementari e non possono essere separate.Prima di montare la parte principale dello strumento alla culatta,e puntarlo verso il sole occorre quindi nel modo più assoluto montare preventivamente la maschera, che impedisce alla luce ed al calore del sole di raggiungere l'interno del telescopio e causare danni allo stesso, oltre che alla vista dell'utilizzatore.Il TSA, inoltre non può , nella sua attuale configurazione, essere utilizzato da solo, ad esempio puntandolo verso il sole; sto, tuttavia, studiando anche tale possibilità per il futuro, unitamente a quella di rendere possibile il suo utilizzo anche in campo di spettroscopia stellare, perlomeno sulle stelle più luminose.
Till now, the owners of catadioptrics telescopes, say Schmidt Cassegrain, Matkusov Cassegrain, and so on, coudn't use their instruments coupled to solar spectroscopes for two main reasons: the strong heat entering the instrument may cause serious trouble and damage to the secondary holder and the secondary mirror itself, even in case of using an off-axis mask to reduce the diameter; furthermore, the use of an off axis mask with a very little hole would have as consequence, the necessity of a tunable, and very expensive, mechanical slit to make the light entering the instrument being properly diffracted from the grating.I tried then to realize a simple and low cost instrument capable to transform every catadioptric, refractor, and, in one word, back-focus telescope in a medium resolution solar spectroscope.The device, I named TSA (Telescope Spectroscope Adapter), has very low dimensions (little bigger than a 2" stellar prism) and weight (about 800 grams) and is composed of two parts: a mask to be applied to the front side of the telescope (where is the corrector lens or the lens) and a device similar, as said, to a 2" star diagonal in the back.In the photos hereunder is shown the TSA body, and the same applied to a Celestron 11 Schmidt Cassegrain Telescope.
Qui di seguito riporto due foto dello strumento, visto da due diverse angolazioni:
Hereunder a photo of the instrument and its layout
Nella foto successiva si osserva la maschera da applicare al telescopio, nel prototipo in PVC.
Hereunder is the mask with the Pinhole to be inserted before the lens
e, infine, il TSA al fuoco diretto di un Celestron 11, in condizioni operative: notare le dimensioni piuttosto contenute dell'accessorio.
Alcune note sulle dimensioni del foro stenopeico da applicare sulla maschera (in posizione fuori asse per i catadiottrici).Sperimentalmente il suo diametro è stato definito in 0.5 mm per una focale di 1500 mm e circa 1 mm per 3000 mm.Più in generale,esso può essere calcolato in 0.0003333 mm per ciascun mm di focale del telescopio.
Some notes about the dimensions of the pinhole to insert in the mask (in a off axis position for catadioptrics).Its diameter was sperimentally defined of 0.5 mm for 1500 mm EFL and 1 mm for 3000 mm EFL.In general , it should be 0.000333 mm for esch mm of the focal lenght of the telescope.
Nelle due immagini seguenti è sintetizzato, con un collage a bassa risoluzione, le immagini dello spettro solare ottenibili col TSA applicato ad un telescopio Schmidt Cassegrain: nelle diciture in basso sono riportati gli elementi corrispondenti alle righe.
In the following images is shown a mosiac of solar spectrum obtained by such a device, with the lines of main elements easily visible.
Nell'immagine che segue è mostrata una immagine del tripletto del magnesio alla risoluzione nativa 640x 480 di una normale Webcam a colori Philips Toucam II.L'immagine è la somma di 500 frames di un filmato, effettuata con Registax 4, aggiustamento dei livelli con PsP. La dispersione raggiunta con la predetta webcam è di 0,29 A per pixel, di tutto rispetto per il tipo di strumento.
In the image hereunder is shown the Magnesium triplet shot at the resolution 640 x 480 of a color webcam Philips Toucam II.The image is the sum of 500 frames with Registax 4, levels adjust by Psp.The dispersion is 0,29 A/pixel, enough for many interesting applications.
Grazie a tale accessorio,ed in modo assolutamente semplice, il C11 è stato quindi trasformato in uno spettroscopio solare di media potenza, così come potrebbe esserlo qualsiasi strumento a fuoco posteriore che presenti un sufficiente backfocus.
Thanks to such device the C11 was transformed in a medium res solar spectroscope
Lo strumento è stato testato sui seguenti telescopi:
The instrument was tested on the following telescopes:
Schmidt - Cassegrain : Celestron 11
Celestron 8
Celestron 6
Matsukov Cassegrain: Skywatcher 90/1200
Rifrattori: Orion 80 ED
Una ulteriore possibilità di utilizzo del TSA è quella del controllo della ampiezza della banda passante e della centratura della riga dei filtri interferenziali a banda stretta.Tale controllo risulta quanto mai facile, avvitando il filtro interessato sull'attacco da 31,8 di una webcam o camera CCD,inserendo questa nel portaoculari del TSA ed effettuando una ripresa.Conoscendo due righe note (una già si conosce, ed è quella centrale, mentre la seconda si può identificare partendo dalla prima e conoscendo la risoluzione di massima dello strumento) si può effettuare la calibrazione dello spettro e la misura precisa dell'ampiezza della banda passante e, cosa ancora più importante, della centratura della riga in banda.Un esempio è fornito qui di seguito, con il TSA al fuoco di un Celestron 6 150 mm F 1500, per la misurazione di un filtro interferenziale H beta da 10 nanometri nominali di una nota ditta americana .
A further application for the device is the control of the bandwidth and of the central position of the line of interference filters.In the following example is shown the results obtained on a 10 nm H beta interference filter of an american firm, with its almost exactly centered in the bandwidth.
L'immagine fornita da una webcam a colori Philips Toucam II era la seguente, che già mostrava una centratura della riga Hb aderente alle caratteristiche indicate dal costruttore.
Un ulteriore interessante esperimento è stato effettuato ponendo il filtro in questione anteriormente alla maschera col foro di entrata posta davanti alla lastra correttrice del telescopio e paragonando lo spettro ottenuto con tale sistema a quello precedente ,col filtro in posizione canonica dietro il fascio ottico collimato.La ricezione di un fascio ottico non collimato e la luce diffusa ha prodotto, oltre che un notevole allargamento della banda passante e immagini fantasma, anche uno spostamento verso il blu della riga Hb di circa 3,3 nm, assumendo che il centro di banda corrispondesse al centro della zona di massima intensità luminosa.
A further interesting experiment was done putting the filter before the hole of the mask on the corrector lens of the telescope and comparing the spectrum obtained with the previous one, with the filter on the path of a collimated beam.The incoming not collimated light beam a the diffuse light caused a widening of bandwidth and ghost images, and a shift of about 3,3 nm of the Hb line toward the blue.
Nel novembre 2009 ho poi provato per la prima volta la capacità di acquisizione del TSA su gli spettri stellari, ponendolo, senza alcun altro aggiuntivo o modifica, al primo fuoco del Celestron 6 per la ripresa dello spettro di Capella, Alfa Aurigae, nell'azzurro- verde.Una volta acquisita la necessaria precisione nella messa a fuoco, lo spettro è risultato ben visibile ed ottimamente definito, come risulta dall'immagine che segue :
Last november, 2009, i tested the TSA capability in taking stellar spectra,putting it at the prime focus of a Celestron 6 without any further optical device or adapter.I shot the spectrum of Capella, Alfa Aurigae, in the green: the spectrum was clear and well defined, as we can see from the following image:
Lo stesso strumento ,la sera dello scorso 24 novembre 2009,applicato al C 14 dell'osservatorio di Ponte di Nona e puntato su Capella (Alfa Aurigae) ha fornito i seguenti risultati nella parte rossa dello spettro della stella, risolvendo tra l'altro in modo ottimale le righe dell'O2 Atmosferico, che costituiscono normalmente un test piuttosto severo per la valutazione delle capacità risolutive degli spettroscopi.
The same instrument, last november, 24, 2009, at the prime focus of C 14 at Ponte di Nona Observatory,aimed to Capella, (Alfa Aurigae) gave interesting results on the red part of the spectrum of the star,resolving also quite well the O2 ATM lines , that are normally a severe test for the spectroscope's resolving power.
Una piccola recente modifica del 2020
A small, recent improvement of 2020
Uno dei punti deboli dello strumento era il focheggiatore a cremagliera, ingpmbrante e poco preciso: ho deciso quindi di sostoituirlo con un elicoide non rotante, più compatto e preciso.Ora il TSA lavora al meglio e mantiene le sue promesse.
One of the weak points of the instrument was the cogwheel focuser, bulky and not very precise: I therefore decided to replace it with a non-rotating helicoid, more compact and precise. Now the TSA works at its best and keeps its promises.
