Light from infinity Home page di Fulvio Mete
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SPETTROSCOPIA SOLARE FAI DA TE HOME MADE SOLAR SPECTROSCOPY
Da alcuni anni, complice l'impossibilità di effettuare sempre osservazioni astronomiche serali o notturne, ho scoperto il mondo del cielo diurno, e con esso l'osservazione del sole, che, com'è noto a tutti, si risolve quasi sempre nell'osservazione delle macchie solari, nella determinazione del numero di Wolf, etc.Tale attività, per quanto degna del massimo rispetto, non mi ha fatto appassionare più di tanto, e mi sono pertanto dedicato alla scoperta ed all'esplorazione dell'affascinante mondo della spettrografia solare.Il primo ostacolo che mi si presentò fu il reperimento dei materiali per la costruzione di uno spettrografo "fatto in casa", dato che non intendevo sobbarcarmi l'onere di una notevole spesa per acquistare uno strumento presente sul mercato.Fortunatamente, un caro amico astrofilo venne incontro alle mie esigenze facendomi dono di un reticolo di diffrazione che, seppure non in perfette condizioni, poteva servire al mio scopo.Mi dedicai quindi al progetto di uno spettroscopio non autocollimante, che a mio avviso dava maggiori garanzie sull'assenza di riflessioni interne di luce, suscettibili di abbassare il contrasto.L'unico vincolo che mi posi fu quello che lo strumento dovesse essere totalmente assemblato in casa, e ciò non per tirchieria, ma per dimostrare, a me stesso ed agli altri, che con una sufficiente determinazione chiunque può autocostruirsi un tale strumento con poca spesa (i reticoli di diffrazione sono reperibili presso alcune ditte, quali la Edmund Scientifics americana, per pochi dollari, a patto che non si cerchino qualità elevate ed elevati livelli di risoluzione per mm.).Feci quindi il progetto che segue: Attenzione, comunque, mai puntare uno spettroscopio senza una fenditura molto stretta (almeno 2/3 decimi di mm ) verso ilo sole, può essere molto pericoloso per gli occhi. Since a few years ago,considering the difficulties of stargazing from a severe polluted area like Rome,I've been interested in solar observations,not only limited to solar sunspots ,but also in solar spectrography.My first solar spectroscope was the one reported in the following project.The only limitation I obliged myself to follow was the overall cost,that ought to be not much more than $ 200.I used a diffraction grating that a friend of mine kindly gave to me, but ruled diffraction gratings of 600/ 1200 grooves p. mm. are in stock c/o Edmund Industrial Optics for nothing more than $ 70/100.The grating must rotate on its own axis to make possible to explore the whole spectra.The model of spectroscope was of not-autocollimatig type, to avoid internal reflections I knew to be usual in the autocollimating spectroscopes.I gave particular attention to choose the collimating lens (the one focused on the slit) but it's useful a binocular objective lens,that's is easy to find for a few dollars.A lens like that may also be used as observation lens.I used as collimating lens a 50/ 300 lens I owned and as observation lens a 60/ 415 Japanese refractor,but every kind of optics may practically be used, with the limitation that the lens coating must have a wide band pass.The slit, that may consist of two razor blades mounted at a distance of not more than 3/10 mm, is put at the entrance of light.One can notice that such a wide slit opening is related to the collimating lens F number and the order of spectra being examined .I usually explore the order two, considerable wider but less bright than the one of the first.In any case the slit opening must be set in function of optics and order, and be determined by attempts.Hereunder is the first project of my solar spectroscope: .Be careful: never attempt to aim a spectroscope or any spectra observing device to the sun without a slit with a very small aperture: otherwise severe injury to your eyes may result !
Dopo questo semplice progetto ne seguirono altri, sino alla mia ultima realizzazione, lo spettroscopio a lente cilindrica, da me vantaggiosamente usato sul sole in più versioni (ultima delle quali CLAUS), con risultati che ritengo superiori a quelli di tutti gli strumenti a fenditura.Ho cercato di spiegarmi come mai un foro stenopeico applicato all'ingresso di un telescopio di notevole focale potesse restituire immagini assolutamente eccellenti dello spettro solare all'uscita dello spettroscopio.Non sono un tecnico, e quindi mi sono fornito risposte che non so quanto si approssimino alla realtà scientifica: 1- La realizzazione di un foro stenopeico sufficientemente rotondo è molto più semplice da realizzare di una fenditura ben lavorata 2- Il pacchetto di fotoni entrante dal foro stesso viene "mediato" dalle ottiche del telescopio, formando un punto luminoso praticamente perfetto, che viene poi convertito in una linea dalla lente cilindrica che funge anche da collimatore dello spettroscopio 3- Tale linea è otticamente migliore dell'immagine della fenditura normalmente inviata dal collimatore al reticolo. Once realized this simple project, my attention was directed toward new and more interesting ones, the last of all was the cylinder lens (or slitless) spectroscope reported in the "Instruments for spectroscopy" section in its different models, I successfully used to record sun spectra.I tried to understand how such a spectroscope could give excellent images of solar spectra, far superior,in my opinion, to those of a common amateur slit spectroscope.I'm not a tecnician, so I gave myself answers that I sincerely don't know how right they are from the scientific point of vue. 1- The realization of a stenopeic hole is far more simple then that of a well optically worked slit 2- The package of photons entering the hole is "smoothned" by the telescope optics forming a perfect point of light , transformed in a line by the cylinder lens that works as collimating lens of spectroscope. 3- Such a line is optically better than the slit image commonly sent by a collimator to the grating.
La seguente immagine a bassa risoluzione dello spettro solare può soltanto rendere una lontana idea di come appare l'immagine dello spettro stesso all'oculare dello spettroscopio a lente cilindrica. The following low resolution image can only give a modest example of the appearance of solar spectra at the ocular of the cylinder lens spectroscope
SPETTROSCOPIA SOLARE A MEDIA RISOLUZIONE CON STRUMENTI A FENDITURA
MEDIUM RESOLUTION SOLAR SPECTROSCOPY USING SLIT SPECTROSCOPES
Per ottenere, con uno strumento a fenditura,e quindi non a lente cilindrica, una risoluzione maggiore di quella ottenibile con il semplice spettroscopio cui si è dianzi accennato allo scopo di esaminare in dettaglio le singole zone del disco solare di maggior interesse, è necessario che sulla fenditura dello spettroscopio sia proiettato il fascio di luce a fuoco proveniente dall'obiettivo di un telescopio.A parità di tipo e dimensioni del reticolo e delle ottiche dello spettroscopio, maggiore è la focale del telescopio e maggiore è il potere risolutivo del sistema.Il problema è che telescopi di lunga focale richiedono, nel caso dei rifrattori, ingombri elevati, cosa che ho sempre cercato di evitare nei limiti del possibile.Ho quindi elaborato due distinti progetti, il primo usando un reticolo da 600 l/mm e tre ottiche commerciali Konus, ed il secondo, più sofisticato, che utilizza un reticolo concavo 40 X 50 ed una sola ottica 60/350. Entrambi i progetti forniscono una risoluzione adeguata per un uso non specificatamente scientifico (ca 0,7/ 0,8 A /pixel).
To obtain by a simple slit spectroscope a better resolution in order to explore zones of the solar disk of particular interest, it's necessary to project onto the slit of the spectroscope a focused cone of light coming from a telescope's objective.With the same grating's dimensions and type and spectroscope's optics, the longer the telescope focal lenght, the better the system resolution.The problem is that long FL scopes are physically long too. in the case of refractors,thing to be avoided when possible.So, I worked to two projects, to get the smallest instruments I could: the first with a 30 mm x 600 l/mm grating and three Konus small commercial scopes, and a second with a concave 40 x 50 mm grating and only one optics, a 60/350 refractor.Both projects give enough resolution (0,7/08 A/pixel) for a not scientific use.
1° Progetto: Solar Station Reticolo a riflessione 30x30 mm, 600 l/mm, collimatore D:114 mm F 500 mm con specchio non alluminato, ottica della camera D: 50 F 300, telescopio :rifrattore Konus D 60 F415. 1st Project: Solar Station Reflection grating 30 x 30 mm, 600 l/mm, collimator D 114 F 500 with not aluminized mirror, camera optics D 50 F300 , telescope: D 60 F 415 Konus refractor
A : telescope objective D 60 F 420 B : Slit C: 30x30 mm Diffraction grating placed at 45° for 540 nm. S : Collimator mirror D 114 F 500 not aluminized D: plane mirror 40 x 50 mm E: Camera optics D 50 F 300 mm (plus eventual 2x barlow lens) F: 90° prism and eyepiece or camera M: Micrometric head for collimation of optical cone from the telescope onto the slit O: Micrometric head for eventual further optics S: Plywood 20 x 80 cm with Losmandy male
La seguente immagine è il risultato di un collage di riprese nelle varie bande spettrali con una webcam Philips Vesta: The following image is the result of a few shots taken in several spectral ranges by a Philips Vesta webcam:
Ecco una singola immagine, nel verde, come ottenuta da un filmato AVI di 10 sec:in primo piano il tripletto del magnesio. Here is a single shot, in the green band ,as obtained from an AVI film of 10 secs: at the center the magnesium triplet.
2° Progetto: "COGOS" acronimo di "COncave Grating Opticsless Spectroscope" nel quale sono stati usati i seguenti elementi; un reticolo di diffrazione a riflessione surplus proveniente da un monocromatore, presumibilmente di 600 l/mm (ma il dato non è certo) da 40 x 50 mm, una fenditura regolabile. Il reticolo, che ha come supporto uno specchio concavo rettangolare 40 x 50 mm di 120 mm di focale non necessita di ottiche aggiuntive, in quanto funziona sia da collimatore che da visualizzatore del fascio diffratto, ed è stato alloggiato, come al solito, in un box quadrato di alluminio 80 X 80 mm filettato 42 x 1 su due facce.La movimentazione del reticolo stesso avviene col solito sistema a molla, mentre la fenditura regolabile, anch'essa autocostruita, è posta sul suo fuoco , e quindi a circa 120 mm di distanza .Ovviamente tale spettroscopio, estremamente compatto, usato da solo è a bassa risoluzione data la modesta focale del reticolo. C'è da dire, a proposito di questo, che la messa a fuoco da una banda spettrale all'altra, ad es, dal blu al rosso, richiede una grande escursione della messa a fuoco in quanto il reticolo stesso focheggia ,ruotando, su di un circolo, detto "di Rowlands".Per tale motivo, al box è stato applicato una messa a fuoco a cremagliera di notevole escursione.Per incrementare la risoluzione lo spettroscopio può essere applicato al primo fuoco di un telescopio rifrattore, il cui fuoco cada sulla fenditura, in modo da avere l'immagine solare direttamente in ingresso nello spettroscopio. Un primo approccio in tal senso è stato effettuato applicando lo strumento al primo fuoco di un rifrattore cinese 60/350 (comprato in un mercatino a 20 €) di qualità ottica discutibile, ma con l'enorme vantaggio di pesare tanto poco da poter essere applicato allo spettroscopio anzichè il contrario, e formando con questo un complesso portatile, che tuttavia è capace di una rispettabile risoluzione di 0.235 A/Pixel nell'ordine 2.Il punto debole, da migliorare necessariamente, di tale realizzazione, è dato dal sistema di movimentazione del reticolo che appare ora insufficiente per il notevole grado di risoluzione raggiunto.Il punto vincente, invece, è quello di essere uno spettroscopio solare ad alta risoluzione di dimensioni modeste ed assolutamente portatile. 2nd project; "COGOS" for COncave GRating Opticsless Spectroscope, in which I used the following components: a concave reflection grating, coming from a monocromator, presumibly 600 l/mm (but I'm not sure) 40 x 50 mm in dimension, and a slit.The grating is obtained from a concave rectangular mirror 40 x 50 mm, 120 mm of focal lenght ,and does not need of other optics , for it act both as collimator and camera or eyepiece objective , as it acts both as collimator and as camera or eyepiece optics.It was placed into a square box 80x 80 mm threaded 42x1 mm on two faces.The grating's motion was assured with the usual spring system, while the adjustable slit, also selfmade, is situated at the focus of the grating.Obviously such a spectroscope, if used "stand alone" is to be considered a low resolution one for the short focal lenght of the grating.One must say, furthermore, that the focusing range from a spectral band to another (say , from green to red) needs a wide focuser excursion, for the grating, rotating on its axe, focuses on a circle, called "Rowlands circle" for that I applied at the box a long excursion rack and pinion focuser. To increase resolution, the instrument can be applied at the prime focus of a refractor,A first experiment like this was done with a small 60/350 chinese refractor, bought at surplus market for only 20 €, surely not of high optical quality, but light enough to be applied to the spectroscope, instead the contrary.Such a setup reached the noticeable resolution of 0.235 A/Pixel in the 2nd order.The negative point of this realization is the grating motion system, that doesn't appear anymore sufficient for the resolution level.The positive point is that the instrument is a high resolution, low dimensions and absolutely portable spectroscope, almost easy to assemble.
Di seguito sono mostrate alcune immagini dello strumento assemblato e nelle sue parti principali: There are some images of the instrument, assembled and disassembled:
Il reticolo concavo di surplus (600 l/mm?) 120 mm FL The concave surplus (600g/mm?)grating 120 mm FL
L'intero strumento assemblato e pronto per l'uso The instrument assembled and ready for use
COGOS col rifrattore 60/350.Tra i due è stato inserito un flip mirror per poter puntare la zona del disco solare della quale si intende osservare lo spettro.Notare che per tale funzione al rifrattore è stato applicato un filtro in Astrosolar, che sarà tolto per la ripresa dello spettro.Assicurarsi, prima di porre l'occhio all'oculare del flip mirror, di aver messo il filtro. COGOS with the 60/350 chinese refractor. A flip mirror was inserted among the two elements in order to permit the visualization of the zone of solar disk to be observed.Note that, for such function, to the refractor was applied an Astrosolar filter ,to be taken off for the spectrum observation.Be sure, before applying your eye to the eyepiece, that the filter is in place.
Questo è il tripletto del magnesio come ripreso col suddetto strumento applicato al rifrattore 60/350, at the resolution of 0.235 A/pixel.Immagine ottenuta dalla media di circa 200 immagini singole di un file Avi con una camera Philips Vesta.Notare il notevole numero di righe visibili all'interno del tripletto.L'identificazione delle righe principali è stato effettuato con l'aiuto del programma VSpec.Notare la riga del Fe 1 a 5250 A, particolarmente sensibile ai campi magnetici delle regioni attive, che ha mostrato uno splitting di 0.12 A in un valore di 3600 Gauss. This is a photo of the Magnesium triplet taken with the instrument at the focus of a 60/350 refractor, with a resolution of 0.235 A/Pixel. Image stacking of an Avi film by a Philips Vesta camera. Note the noticeable number of lines visible inside the triplet.Main lines identification was done by the VSpec program help. Note, also, the iron (Fe1) line at 5250 A , very sensitive to magnetic fields of active regions, that has shown a splitting of 0,12 A in a 3600 Gauss Field.
Le immagini seguenti mostrano il doppietto del sodio a 5890 e 5896 A e la riga Ha a 6563 A, riprese con le stesse modalità precedenti: The following images are of sodium doublet at 5890 and 5896 A and of Ha line at 6563 A, shot by the same setup and at same resolution
Ulteriori Miglioramenti di COGOS COGOS' Further improvements
Il 2 giugno 2005 sono stati sperimentati ulteriori miglioramenti al progetto COGOS, miglioramenti assolutamente semplici, ma che hanno permesso di più che raddoppiare la risoluzione raggiunta in precedenza, raggiungendo un limite di 0.08 A/pixel che ritengo veramente il limite massimo raggiungibile lasciando lo strumento così compatto senza stravolgerne la filosofia, che è, appunto quella di spettroscopio a media - alta risoluzione usabile sia in modalità "stand alone" in low res, sia applicato ad un telescopio in medium - high res.Una soluzione intermedia, che , come si vede, consente di raggiungere risoluzioni di tutto rispetto, è quella di applicare lo spettroscopio solare ad un piccolo rifrattore e/o ad un teleobiettivo di 350/400 mm di focale .Stavolta ho usato un rifrattorino ancora più leggero, quasi un cercatore, da 50 mm D e 350 mm di focale.La differenza rispetto alla modalità precedente è che èstato aggiunto, immediatamente prima della fenditura, un duplicatore di focale Kenko 2X e, al focheggiatore prima della camera, un barlow Celestron Ultima 2X: inoltre la fenditura (chiusa a ca. 1/10 di mm è stata ulteriormente chiusa a circa 1/15 mm).Il setup di COGOS, che in questa versione presenta un peso di 1,8 Kg (all'incirca quanto una buona camera CCD) ed una lunghezza complessiva di soli 56 cm, si presentava così: Last june, 2, 2005 I experimented a serie of further improvements to COGOS: improvements absolutely simple, but capable to make me double the resolution level previously reached, till 0.08 A/pixel that ,I believe, it's the maximum resolution that one can reach without a total change of the project's philosophy : a portable, stand alone or applied to a small telescope, medium-high resolution solar spectroscope.This time I used a very small and light chinese refractor (50/350) a bit more heavy than a finder focused onto the slit.The real news was the use of a 2X Kenko teleconverter inserted just before the adjustable slit , and a 2x bCelestron barlow lens.Remember that the concave grating needs no optics, so the two teleconverters simply amplifie the convergent light beam (ca. 120 mm focus) of the grating.This setup, showed below, weights only 1,8 Kg (the weight of a good CCD camera) and is only 56 cm long: not bad for such a resolution level.
Nelle immagini che seguono sono riportati sia l'immagine del tripletto del magnesio alla nuova risoluzione, sia il confronto di quest'ultima con quella precedente, a più bassa risoluzione (0,23 A/pixel).La risoluzione di 0,08 , che permette di apprezzare anche visualmente valori di 0,4/0,3 A costituisce il punto iniziale per poter effettuare interessanti osservazioni sul sole, quale l'effetto di rafforzamento di alcune righe e di duplicazione delle stesse in luce polarizzata per effetto dei campi magnetici delle regioni attive (cd, Zeeman effect).Per contro, una risoluzione elevata crea notevoli problemi per la calibrazione dello spettro e l'individuazione delle righe: quelle indicate nelle immagini sono state ricavate dall'atlante spettrale di Moore, dopo la calibrazione dello spettro con Vspec.Non nascondo, comunque che cercherò, se possibile, di ottenere ulteriori aumenti della risoluzione spettrale, sino a 0.02 A, anche se il compito si presenta difficile con uno strumento di bassa focale e con un modesto sistema di movimentazione del reticolo,C'è da dire, comunque, che risoluzioni simili sono in genere appannaggio di strumenti molto più grandi e pesanti In the following images are shown both the Mg triplet at new resolution (0,08 A/pix) and a comparison with the previous, lower (0,23 A/Pix),The higher resolution, that make visible visually 0,3/0,5 A is the initial point to do interesting spectral observations on the sun, such as the strenghtening and widening of some sensitive lines, and their splitting in consequence of strong magnetic fields of active regions (cd. Zeeman effect).The higher resolution makes, on the other side, much more difficult the exact calibration of spectrum and lines identification. Those of following images were obtained by the Moore's spectral catalogue.I intend, anyway, to try to reach higher resolution (about 0.02 A), but the job is not simple, for the short FL of the grating and the (too much) simple grating motion system.
Il doppietto del sodio, osservato ad una risoluzione di 0,08 A/Pixel, mostra molti particolari interessanti, quali l'ispessimento della riga a 5889,97 dovuto al contributo dell'H2O atmosferico e permette di apprezzare in circa 0,3 A il "core" della seconda riga a 5895,94 A.Evidente, tra le due righe,la linea del nickel e altre 7 circa, in buona parte dell'H20. The Sodium doublet, observed at a 0,088 A/pixel, shows interesting features, such as the strenghtening of the line at 5889,97 A due to the contribute of Atm H20, and permits to define in about 0,3 A the "core" of the second line at 5895,94 A.Evident, among the two , the nickel line and others (about 7) of Atm H2O.
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