BFOSC
1.
Introduzione
2.
Generalità
3.
Caratteristiche strumentali
3.1.
Ottiche
3.2.
Ruota slit
3.3.
Ruota filtri
3.4.
Ruota grism
3.5.
Shutter e messa a fuoco della camera
4.
Lampade di calibrazioni
5.
CCD
6.
Procedure d'osservazione
6.1.
Messa a fuoco e puntamento
7.
Appendice
7.1.
Tracciati filtri Johnson-Kron-Cousin U,V,B,R,I
7.2.
Tracciati filtri Gunn G,R
7.3.
Tracciati efficienza grism
7.4.
Tracciati archi lampada He-Ar per le diverse configurazioni
1.
INTRODUZIONE
BFOSC
- Bologna Faint Object Spectrograph & Camera
- è uno strumento concepito
per acquisire, con un semplice cambio di configurazione, sia immagini che
spettri. Lo strumento è attualmente in dotazione in vari telescopi:
Osservatorio Astronomico di Copenaghen, Osservatorio Astronomico di Asiago,
Istituto di Astrofisica di Andalusia, ESO.
2.
GENERALITA'
Le
caratteristiche principali di questo strumento sono:
Ø
sistema
collimatore-camera che riduce la focale del telescopio;
Ø
presenza
di una zona di fascio parallelo;
Ø
possibilità
di aperture intercambiabili e, nel caso, possibilità di eseguire MOS;
Ø
grism e
filtri intercambiabili con rapidità;
Ø
alta
Lo
strumento è composto di un supporto rigido che sostiene il collimatore, la
camera e il sensore. Su di esso sono fissati lo shutter e tre ruote mobili che
portano rispettivamente le slitte (fenditure), i filtri e i grism. L'ultimo
elemento ottico del BFOSC è la camera che si trova a contatto con la finestra
del criostato.
Il
sensore utilizzato è un CCD EEV
LN/1300-EB/1 1300x1340 pixels,
coating AR Visar, back illuminated.
Il
BFOSC può essere rappresentato nel modo seguente:
Le
ruote su cui sono montate slitte, filtri e grism hanno otto posizioni ognuna.
Filtri e grism intervengono sul fascio parallelo, vale a dire tra collimatore e
camera, mentre la ruota delle fenditure (slits) è posta sul piano focale del
telescopio. Fra i filtri e i grism è montata una ruota che agisce da otturatore
(shutter) per il CCD.
L'asse ottico dello strumento è inclinato di 110° rispetto l'asse ottico del telescopio, al fine di limitare gli ingombri.
3.
CARATTERISTICHE STRUMENTALI
Le
principali caratteristiche dello strumento sono le seguenti:
Lunghezza
focale del collimatore:
252.1 mm
Campo
lineare del collimatore:
52.9 x 52.9 mm
Diametro
del fascio:
31.5 mm
Lunghezza
focale della camera:
146.3
mm
Campo
lineare della camera:
30.7 x 30.7 mm
Rapporto
di riduzione:
0.58
Copertura
spettrale:
330 ¸
1100 nm
Risoluzione
spettrale massima:
4200
Dimensione
proiettata del pixel:
0.58 arcsec/pixel *
Dimensioni
campo:
13' x 12.6'
*
*
utilizzando il CCD EEV D129915
Il BFOSC in caso di guasto del detector EEV potrà essere utilizzato con il CCD Thomson 1024 x 1024. Con tale configurazione le dimensioni di campo diverranno di 9.6' x 9.6' con una dimensione proiettata di 0.562 arcsec/pixel.
3.1.
OTTICHE
Le
ottiche sono state costruite utilizzando i vetri FK54
ed UBK7.Questo fa si che il cutoff
UV sia a 360 nm e ciò facilita l'utilizzo dei sensori nella regione
ultravioletta. Le ottiche sono state trattate antiriflesso con uno strato
singolo di MgF2 ,
centrato a 500 nm. Le perdite di riflessione sono di »
1.5%, alla lunghezza d'onda centrata, e crescono a
»
2.5% alle l
estreme. Il grafico seguente
illustra la trasmissione delle o
3.2.
RUOTA SLIT
La
ruota delle fenditure (slits), posta sul piano focale del telescopio, è in
grado di ospitare sette diverse aperture, in quanto la prima delle otto
posizioni disponibili è sempre lasciata intenzionalmente vuota per l'imaging.
Al momento sono disponibili fenditure con quattro diverse larghezze: 1.5 '', 2'', 2.5'', 5'', una fenditura da
2'' per spettri echelle e una maschera per ottenere immagini polarizzate.
Le rimanenti posizioni ospitano maschere il cui uso è di servizio, in quanto
sono utilizzate per allineamenti e test dello strumento.
3.3.
RUOTA FILTRI
Come
la ruota delle aperture, anche la ruota del filtro ha una disponibilità di
sette posizioni utili (la prima posizione è
sempre mantenuta libera). Al momento i componenti ottici che possono essere
montati sono:
cinque filtri U, B, V, R, I
nel sistema fotometrico Johnson-Kron-Cousin
quattro filtri G,
R, I, Z nel sistema Thuan-Gunn.
Essendo
lo strumento dotato anche di dispersori echelle, per fare spettroscopia di media
dispersione, sulla ruota filtro devono essere presenti i cross-disperser
(#10, #11, #12) che sono utilizzati con
il grism echelle #9.
Lo
stesso discorso si applica per il filtro
differenziale, utilizzato come
separatore di ordini per il grism #13. Inoltre,
sulla ruota porta filtri possono venire montate anche due maschere di Hartmann,
utilizzate per la messa a fuoco della camera.
La
configurazione adottata dipende dal programma osservativo richiesto.
Gli
unici componenti, sulla ruota dei
filtri, che richiedono una particolare messa a punto sono i tre cross-disperser,
che devono essere allineati ogni qualvolta sono smontati dalla ruota. Tale
operazione è effettuata dal personale tecnico preposto.
Ognuno
dei filtri sopra indicati, richiede una diversa correzione del fuoco
della camera. I valori del fuoco
per i differenti filtri sono noti al personale tecnico e subiscono variazioni
stagionali, collegate alla variazione termica e la loro determinazione è
attualmente in corso.
In
appendice sono allegati i tracciati dei diversi filtri
di Johnson e Gunn.
3.4.
RUOTA
GRISM
Anche
per la ruota porta-grism vale il discorso fatto nel caso della ruota-filtri e
grism. Vi sono cioè un numero di
componenti ottici a disposizione,
maggiore del numero di posizioni disponibili .
Vediamo
nel dettaglio quali sono i grism al momento installabili sullo strumento (il
range spettrale
è riferito al CCD EEV e al CCD Thomson , la risoluzione è per una slitta di
1.5 arcsec di larghezza).
BFOSC grism
Grism # | lblase |
lgrism
|
dispersion | Dl | ll
CCD EEV |
ll
CCD Thomson |
l
pix EEV |
3 | 3900 | 4300 | 170 | 5.5 | 3300 ÷ 6420 | 3300 ÷ 5800 | 2.7 |
4 | 4800 | 5800 | 220 | 8.3 | 3800 ÷ 8700* | 3940 ÷ 7860* | 3.97 |
5 | 6500 | 7000 | 220 | 7.5 | 4800 ÷ 9800 | 5200 ÷ 9050 | 4.0 |
6 | 3900 | 4000 | 110 | 3.9 | 3300 ÷ 5350 | 3300 ÷ 4950 | 1.7 |
7 | 5300 | 5250 | 110 | 4.1 | 4200 ÷ 6600 | 4300 ÷ 6250 | 1.0 |
8 | 6500 | 7000 | 88 | 3.0 | 6100 ÷ 8180 | 6200 ÷ 7850 | 1.6 |
9 E. | 17 ordini | 26 | 1.2 | 3500 ÷ 10200 | 3350 ÷ 9400 | ||
10 C.D. | 3800 | 3900 | 460 | 17 | 3300 ÷6400 | ||
11 C.D. | 5200 | 5000 | 340 | 13 | 4000 ÷ 7000 | ||
12 C.D. | 7300 | 7000 | 910 | 37 | 5300 ÷ 10200 | ||
13 | 5100 | 5250 | 36 | 1.2 | 4950 ÷ 5600 |
*
Il grism #4 ha un ''free spectral range'' minore di quello indicato in
tabella. Infatti, è stata indicata la copertura spettrale del primo ordine ma
il range libero da overlap dal secondo ordine termina a 7000 Angstrom.
I
grism di più bassa dispersione, e cioè i numeri #10, #11, #12, sono utilizzati
come cross_dispersers del grism #9 e
sono quindi installati sulla ruota porta filtri. Essi sono ottimizzati in
funzione della banda utile: il grism #l0 è un cross-disperser con trasmissione
piccata nel blu, il #11 con massima trasmissione nel visibile ed il #12 nel
rosso. Anche il numero di ordini ottenibili sul detector varia con il
cross-disperser. Si va dal 13 per il #10 a 9 per il #11 e 6 per il #12. I valori
in tabella sono funzione anche della dimensione del CCD impiegato. Infatti sono
stati progettati per lavorare con un CCD di dimensione maggiore (2048x2048) e
quindi, per avere tutti gli ordini presenti sul CCD EEV è necessario
posizionare la fenditura in una posizione decentrata rispetto al centro del
detector. Va infatti ricordato che nel caso di spettroscopia echelle, non può
essere utilizzata l'intera lunghezza, della fenditura, in quanto si avrebbe una
sovrapposizione degli ordini. E' quindi necessario mascherare la slitta in modo
opportuno. E' al momento disponibile per l'echelle solo la fenditura con la
larghezza di 2'' e lunghezza di 9 secondi d'arco.
Nella
figura
è rappresentata la risoluzione dei vari grism unitamente
all'intervallo spettrale ricoperto (relativo al CCD EEV). La linea rappresenta
il range spettrale e il punto definisce la l
di blaze del grism.
Sulla
ruota porta grism è anche installato un wedge di cristallo che viene usato per
la messa a fuoco della camera dello spettrografo. Questo elemento deve rimanere
permanentemente installato.
Anche
nel caso della ruota grism come per quella dei filtri la configurazione adottata
dipende dal programma osservativo, è quindi fondamentale richiedere in anticipo
i grism da utilizzare, per permettere al personale incaricato di eseguire gli
eventuali allineamenti.
In
appendice sono riportati i tracciati delle efficienze dei vari grism.
3.5.
SHUTTER E MESSA A FUOCO
Lo
shutter di BFOSC è composto da una ruota
inserita nel fascio parallelo, che si muove ruotando di 90°
per volta. Essa è dotata di due aperture che permettono alla luce di
raggiungere il detector. Il movimento di rotazione della ruota è controllata
elettronicamente in maniera tale da garantire che la velocità con cui essa
passa sul detector durante le fasi di apertura o chiusura sia costante. Infatti
le fasi di accelerazione e decelerazione avvengono al di fuori del campo del
CCD. Non esistono quindi problemi di disuniformità di illuminazione dovuti allo
shutter.
I
tempi di esposizione hanno una risoluzione di 0.1 sec ma il
tempo minimo di posa è di 3 sec.
La messa a fuoco della camera, come precedentemente esposto, avviene tramite il wedge, se questo è presente sulla ruota grism e calibrato. Il wedge viene tarato utilizzando le due maschere di Hartmann montate sulla ruota porta filtri.
4.
LAMPADE DI CALIBRAZIONE
La
calibrazione degli spettri in lunghezza d'onda si ottiene tramite esposizione
di una lampada a catodo di ferro
riempito ad HeAr, inserita
temporaneamente all'interno dell'ottagono.
La lampada utilizzata è la seguente:
Element: IRON Fe. (ARGON/HELIUM
GAS FILL)
Wavelength: 248.2
Max mA: 15 mA
5.
CCD
Il
CCD montato sul BFOSC è un EEV LN/1300-EB/1 back illuminated e trattato con un
coating AR Visar che migliora la sua risposta. Il RON del detector
è di 3.06 e-/px e il guadagno di 2.22
e-/ADU. Il montaggio del BFOSC, sul rotore dell'ottagono porta strumenti, è
tale da avere la fenditura allineata normalmente lungo E-O, ma si può
modificare l'angolo di orientamento della fenditura, poiché il rotore di
fissaggio può essere mosso di 360° (ingombri permettendo). La direzione della
dispersione è disposta sempre lungo la verticale del CCD.
CARATTERISTICHE
DEL CCD EEV |
|
Detector |
EEV
LN/1300-EB/1 |
Controller |
Photometrics
Series ST133B/100 KHz and 1 MHz |
Array |
1300x1340
pixels |
Special
Features |
coating
AR Visar, back illuminated |
Quantum
Efficiciency |
80%
@ 500 nm, 32% @ 900 nm, >50% @ 300 nm |
Pixel
size |
20x20
micron |
Pixel scale |
0.58
arsec/pixel |
Field
of View |
13'x12.6' |
Read-out
time |
2
sec @ 1 MHz, 18 sec @ 100 KHz (
standard work: 100KHz ) |
Read-out
noise |
6.10
e-/px @ 1 MHz, 3.06
e-/px @ 100 KHz
( standard work: 100 KHz ) |
Conversion
factor |
2.48
e-/ADU @ 1 MHz, 2.22
e-/ADU @ 100 KHz |
Dynamical
range |
16
bit |
Full-well
capacity |
Sensitivity
mode: 117000
elettrons |
Response
Nonlinearity |
<
1% for 16 bit @ 100 Khz |
Response
Nonuniformity |
<
±
4% over entire ccd area |
Operating
temperature |
-100
°c |
Immage
processing software |
Winview,
on line |
Output
data format |
Fits |
Dimension
image |
3.5
Mbyte |
CCD
Array
Format
Priceton
Instruments exclusive; MPP
1340x1300; 26.8x26.0 mm
only:
VIS/AR coating standard;
overall; 20x20 pixels
Lumogel
coating optional.
Typical
Dark Charge
Liquid Nitrogen Hold Time
15.1 electron/pixel-hour at –97°c
»
12 hours
6.
PROCEDURE DI OSSERVAZIONE
L'osservatore
interagisce con il BFOSC tramite un opportuno programma di controllo. Esso è
installato su di un PC, collegato con il controller del CCD e del BFOSC stesso.
Il programma di gestione è WinView, il quale, ci permette di gestire l'acquisizione delle immagini, la loro visualizzazione e il controllo del BFOSC:
A destra della
finestra del programma Winview viene rappresentata la configurazione aggiornata
dello stato del BFOSC. Sono infatti
rappresentate tutte le funzioni dello strumento, come lo stato della ruota
filtri, grism o delle aperture, lo stato dello shutter o il valore del fuoco
della camera.
La finestra di comando, che interfaccia l'utente con il BFOSC, si attiva con il pulsante [Bfosc] nel programma WinView.
6.1.
MESSA A FUOCO E PUNTAMENTO
La
messa a fuoco di BFOSC, come precedentemente detto, viene eseguita utilizzando,
se montato, il wedge posto sulla ruota dei grism ed il pinhole montato sulla
ruota slit (il valore del wedge viene controllato e calibrato utilizzando le
maschere di Hartman dal personale tecnico). Il valore di fuoco così ottenuto è
il fuoco dello spettrografo rispetto al piano focale. Per la messa a fuoco del
telescopio, che deve essere fatta sul piano focale di Bfosc si può sempre
utilizzare il wedge, oppure si consiglia di acquisire una serie di immagini
centrate sull'ultimo valore di fuoco utilizzato e di analizzarle utilizzando
il comando STAFOCUS sotto IRAF . Si consiglia di non effettuare pose troppo
brevi (< 15¸20
sec) al fine di mediare sufficientemente il seeing nelle immagini.
Al
fine di monitorare le variazioni stagionali di seeing, si chiede la
collaborazione degli osservatori nel misurare più volte, nel corso della notte,
il valore del seeing (si può utilizzare il comando psfmeasure sotto iraf).
Il
puntamento avviene tramite il calcolatore del telescopio. Durante le fasi di
puntamento, al fine di velocizzare l'operazione, si può utilizzare il modo
FAST di acquisizione.
L'imaging
normalmente non richiede particolari procedure di puntamento visto anche il
campo utile del CCD (13x12.6 arcmin) , diverso il discorso nel caso della
spettroscopia. Infatti, una volta trovato il campo, si deve portare l'oggetto
in esame a coincidere con la posizione di centro della fenditura.
I valori delle coordinate del centro delle fenditure montate sulla ruota,
sono determinati durante il giorno dal personale tecnico.
Una
macro presente sul PC,
permette di calcolare in
secondi d'arco la differenza tra il centro del target e il centro della
fenditura. Il valore misurato va introdotto nell'apposita rutine di MOVE
RELATIVO del programma di puntamento del telescopio. Può essere necessario
ripetere più volte questa operazione di centraggio a causa del gioco meccanico
presente.
7.
Appendice
7.1. Tracciati filtri Johnson-Kron-Cousin:
U,
B,
V,
R,
I
7.2. Tracciati filtri Gunn: G, R, I, Z
7.3. Tracciati efficienza grism: #3, #4, #5, #6, #7, #8, #9E
7.4. Tracciati archi lampada He-Ar per le diverse configurazioni:
Tempi consigliati per eseguire le lampade di calibrazione
# 3 | 30 sec |
# 4 | 7 sec |
# 5 | 6 sec |
# 6 | 50 sec |
# 7 | 50 sec |
# 8 | 8 sec |
# 9 | 8 sec |