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Hale望远镜新一代光谱仪项目研制方案通过国际评审

科技动态 2021-09-10

海尔望远镜是帕洛马山天文台最大的望远镜,这架200吋(5米)的望远镜以海尔来命名。这架望远镜200英寸(5米)在1948年完成之后,直到1975年BAT-6开始运作之前,一直都是世界最大的望远镜。然而BAT-6有很大的缺陷,它的解析力比不上海尔的0.0025角秒 ,直到1993年凯克1号望远镜完成,才被超越。从1948年5米海尔望远镜诞生以后一直到1990年10米直径的凯克Ⅰ建成,全世界的著名天文台建造了一系列大型反射望远镜,虽然再没有一架性能超过海尔望远镜的,但是作为天体物理学的观测利器,发挥着巨大的作用,尤其是近年在这些设施上装备了现代的光学设备和自适应光学系统以后,更是如此。

2021年8月底,由中、美共同研制的帕洛马天文台Hale望远镜新一代光谱仪(NGPS)项目研制方案通过国际评审。

NGPS是一台宽波段、高效率和高稳定的中分辨率长缝光谱仪,将安装在国际著名的5米Hale望远镜卡焦焦点,替换有40年历史的双通道光谱仪(DBSP)。NGPS的核心设计目标是追求极限仪器效率,预计NGPS整体效率将达到64.8%,超过国际同类型仪器最高水平。NGPS整体为四通道设计,单次曝光可覆盖310nm紫外波段到1040nm近红外波段;光谱分辨率最高可达6000。光谱仪焦面前配备有三路连续可调像切分器和自适应光学系统,可有效消除大气视宁度和望远镜跟踪误差引起的效率损失。此外,还配备有两路狭缝相机、定标单元和偏置导星系统。

光谱分辨率是指传感器所能记录的电磁波谱中,某一特定的波长范围值,波长范围值越宽,光谱分辨率越低。例如,MSS多光谱扫描仪的波段数为5(指有5个通道),波段宽度约为100~2 000 nm而成像光谱仪的波段数可达到几十基至几百个波段,波段宽度则为5~10 nm。

对于特定的目标,选择的传感器并非波段越多,光谱分辨率越高,效果就越好,而要根据目标的光谱特性和必需的地面分辨率来综合考虑。在某些情况下,波段太多,分辨率太高,接收到的信息量太大,形成海量数据,反而会掩盖地物辐射特性,不利于快速探测和识别地物。所以要根据需要,恰当地利用光谱分辨率。

自适应光学的目的是修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲。自适应光学首先要检测波前扭曲情况,然后通过安装在望远镜焦面后方的一块小型的可变形镜面对波前实时进行矫正。可变形镜面后安装有促动器。

自适应光学与主动光学不同,后者通过改变主镜的形状调整因重力形变等因素造成的像质扭曲,前者用于补偿大气湍流带来的影响。安装在口径8米左右的地面大型光学天文望远镜上的可变形镜面尺寸为8到20厘米,促动器数量为数百个到数千个不等,每次调整要在0.5到1毫秒的时间内完成,否则大气抖动将造成波前扭曲情况发生改变。

自适应光学需要以很高的频率调整镜面形状,因而可变形镜面尺寸一般比较小,对材料的要求很高。曾发生过变形镜无法承受高频调整而碎裂的事故。此外,还要求促动器的数量足够多,由此还会带来成本提高、运算量过大等一系列问题。天文望远镜上的自适应光学更多用于红外观测,而非可见光观测。可见光波段的自适应光学已经广泛用于侦察卫星的小口径望远镜上。

自适应光学系统有很大的技术挑战。其中包括快速低噪声的传感器(为了能使用比较昏暗的引导星来进行矫正);高能、可信且易于操作的钠激光器;超高速处理器,要求每秒的运作此时达109到1010次;可变形镜面,带宽几千赫兹和上千个触动器;大型的二级自适应透镜。后者在热波段尤其有趣,任何一小块附加的镜面都加大由设备造成的原本已经很大的热背景。

光谱仪是以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝,一个色散系统,一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域,并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。

光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器,由棱镜或衍射光栅等构成,利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光),但若通过光谱仪将阳光分解,按波长排列,可见光只占光谱中很小的范围,其余都是肉眼无法分辨的光谱,如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影,或电脑化自动显示数值仪器显示和分析,从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型,除在可见光波段使用的光谱仪外,还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分,有直接用眼观察的分光镜,用感光片记录的摄谱仪,以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器,常与其他分析仪器配合使用。

新闻来源:中国科学院国家天文台

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