logoSelbstbau von Spektrographen


Wenn mittels SimSpec die grundsätzliche Berechnung erfolgt und die Anpassung an das vorhandene Teleskop und die CCD-Kamera durchgeführt ist, stellt sich die Frage nach der detaillierten Konstruktion. Nun kommen so wichtige Aspekte ins Spiel wie mechanische Stabilität, Justierbarkeit, Lichtdichtheit (Fremdlicht von außen), Gewicht (verträgt das der Okularauszug?)....

Ich muß hier warnen: Der Einsteiger neigt dazu, bestimmte "triviale" Fakten zu unterschätzen. Dazu gehören das Gewichtsproblem, Durchbiegungseffekte am bewegten Teleskop, Fremdlichteinbrüche durch Undichtigkeiten im Gehäuse, Stabilität der Montierung, Windeinflüsse, ausreichende Möglichkeiten zur Justierung des Systems ...Versäumnisse in der Planungsphase ziehen nicht mehr lösbare Probleme im praktischen Umgang (Messroutine) nach sich und verderben den Spaß am Spektroskopieren! Deshalb wird man häufig zwei Spektrographen bauen, beim zweiten weiß man dann (hoffentlich), worauf es ankommt.

Ich rate, Spektrographen aus Aluminium zu bauen. Holz arbeitet immer und wir messen oft in feuchten Nächten bei starken Temperaturabfällen während der Nacht und bei Taubildung. Aluminium macht das wenig aus, es ist spezifisch leicht und gut bearbeitbar (auch Drehteile) und noch relativ kostengünstig. Unbedingt ist auf ausreichende Verbiegesteifigkeit zu achten. Während einer Stunde Nachführungszeit dreht sich die Polachse der Montierung um 15° und damit auch die Orientierung des Spektrographen zur Erdanziehung! Dadurch verursachte Änderungen der Durchbiegungen können enorm stören.

Wichtig ist auch, dass alle optisch wichtigen Abstände und Winkel nach Möglichkeit justierbar sind. Also nicht einfach glauben, dass die Linien eines Gitters in seinem Halter genau senkrecht zur optischen Achse des Kollimators ausgerichtet sind, nur weil man es so konstruiert hat. Besser ist es, diese Ausrichtung mechanisch mit Stellschrauben einstellen zu können. Genauso müssen Kollimator und Kamera längs ihrer optischen Achse kontrolliert um Bruchteile eines Millimeters verschiebbar sein, damit sauber fokussiert werden kann. Mit Einstellmöglichkeiten macht man sich unabhängig von kleinen Fertigungsfehlern.

Hier ein durchlebtes Beispiel für mechanische Instabilitäten.

Mein erster spaltloser Spektrograph war per 2"-Einsteckhülse mit 1-Schrauben-Klemmung am Okularauszug eines 5"-Schmidt-Newtons (Intes Micro MN 58) befestigt. Als Montierung diente eine HEQ-5 (siehe Foto oben links). Durch die Kombination aus schwacher Montierung (Windeinfluss), nicht ganz stabiler Befestigung der Einsteckhülse am Spektrographen und Instabilitäten des Gehäuses ergaben sich während den Spektrenaufnahmen mechanische Sprünge. Die Grafik zeigt 50 solcher hintereinander aufgenommener Aufnahmen der Halpha Linie von zet Tau in Emission (als extrahierte Rohspektren). Das Spektrum springt auf der CCD längs der Dispersionsachse in einem Bereich von rund 200 Pixel hin und her. Ähnlich Sprünge traten auch in der y-Achse auf, sie sind aber hier nicht mehr sichtbar, weil sie durch die Extraktion der Spektren bereits entfernt sind. Die Drehung des Spektrographen/Teleskops innerhalb der 30 sek Belichtungszeit mit  anschließendem "triggern" durch den elektromechanischen Verschluß der Audine-Kamera genügte, dass nach jeder Verschlußbewegung (kleine Erschütterung) das Spektrum in beiden Achsen auf der CCD verschoben war. Das Springen wurde dann per Auswertesoftware kompensiert (zweite Grafik unten links). Diese mechanische Instabilität hatte zur Folge, dass ich maximal 30 sek. belichten konnte. Bei dieser Belichtungszeit musste ich bereits ca. 1/3 der Aufnahmen wegen "Verwackelung" als unbrauchbar aussortieren. Längere Belichtungszeiten führten dann zu Sprüngen innerhalb der Belichtungszeit und zu entsprechend in beiden Achsen verschobene doppelten oder mehrfachen Spektrenfäden. Die  "normale" Aufnahmeserie umfasste deshalb 50 bis 100 Einzelaufnahmen à 30 sek. Was war die Konsequenz? Bei jeder Aufnahme wird dem normalen Rauschen des Signals das Ausleserauschen hinzu addiert. In der Folge war das Summenspektrum, das aus allen 30 bis 70 brauchbaren Aufnahmen erzeugt wurde, durch das Ausleserauschen dominiert. Ich hatte mir unnötiges Rauschen eingefangen, das bei einer oder wenigen Langzeitbelichtungen nicht aufgetreten wäre.

Linke Grafik:
Die 50 verstreuten Spektren in obiger Grafik wurden durch das Skript correl/opa (opa siehe die page Links/Software) per Korrelation übereinandergeschoben, so daß in Dispersionrichtung alle deckungsgleich sind. Im nächsten Schritt wurden sie zu einem Summenspektrum addiert. Dies ist ein schönes Beispiel, wie mit moderner Software Unzulänglichkeiten der Apparatur nachträglich korrigiert werden können.


Bei meinem heutigen Alu-Spektrographen (LHIRES III) sind Steckhülsen vermieden und durch stabilere Schraubverbindungen ersetzt. Die 100 kg-Montierung ist viel steifer. Bei Serienaufnahmen sind jetzt keine Versetzungen des Spektrums auf dem CCD-Chip mehr zu erkennen, die Aufnahmen decken sich pixelgenau. Und Belichtungszeiten von 20 bis 60 min sind kein Problem mehr. Das Ausleserauschen ist nunmehr vernachlässigbar.

Mit diesem Beispiel möchte ich demonstrieren, dass in der Praxis nicht ausschließlich die theoretischen optischen Kriterien die große Rolle spielen, wie sie mit SimSpec berechnet und beherrschbar werden. Es sind die ganz einfachen Dinge, welche die Probleme machen. Alle praktisch tätigen Spektroskopiker können davon ein Lied singen und jeder kann seine eigenen Strophen dazu beitragen!

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