Die optischen Bestandteile des Echelle-Spektrometers

A = Seitenansicht<br />B = Ansicht von oben<br />rot = langwellige Seite<br />blau = kurzwellige Seite

F = Fokus des Hauptspiegels und Eintrittsblende des Spektrometers

1 = Kollimatorspiegel: Der Kollimatorspiegel erzeugt ein paralleles Strahlenbündel

2 = Echelle-Gitter: Das Echellegitter enthält 316 Linien pro Millimeter und wird in den Ordnungen 40 bis 61 benutzt. Das Echelle-Gitter ist als sogenanntes Blaze-Gitter ausgebildet, d.h. die Gitter-Furchen sind als Stufen ausgebildet und die Vorderseiten der Stufen sind verspiegelt, so daß das Gitter den einfallenden Strahl optimal in die gewünschte Ausfallsrichtung zurückspiegelt.

3 = Querzerleger-Gitter (cross disperser): Das Querzerleger-Gitter ist ein Gitter mit 1200 Linien pro Millimeter. Es ist gleichzeitig als sphärischer Spiegel ausgebildet, der die parallelen Strahlenbündel auf den Detektor fokussiert. Die Gitterfurchen sind senkrecht zu denen des Echelle-Gitters angeordnet. Dadurch werden die einzelnen Ordnungen des Echelle-Gitters voneinander getrennt und untereinander abgebildet.

4 = Echelle-Detektor: Der Detektor ist ein hochempfindlicher, photonenzählender und abbildender Detektor mit einer Bildfläche von 40mm x 40mm. Er kann bis zu 30.000 Photonen pro Sekunde registrieren.

Die spektrale Auflösung des Echelle-Spektrometers beträgt 104, d.h. bei einer Wellenlänge von 100 nm können spektrale Einzelheiten von 0,01 nm aufgelöst werden. Das Echelle-Spektrum umfaßt einen Wellenlängenbereich von etwa 90nm bis 140nm, verteilt auf die Ordnungen 40 bis etwa 61.

Das Prinzip des Blaze-Gitters

Die Gitterfurchen sind als Stufen ausgebildet, deren Vorderseiten verspiegelt sind, so daß der einfallende Strahl optimal in die Ausfallsrichtung zurückreflektiert wird. Je weiter der Ausfallswinkel vom optimalen Reflexionswinkel entfernt ist, umso lichtschwächer wird das ausfallende Strahlenbündel.

In eine vorgegebene Ausfallsrichtung werden nur bestimmte Wellenlängen reflektiert: das sind die Wellenlängen, für die der Gangunterschied der an benachbarten Stufen reflektierten Strahlen ein ganzzahliges Vielfaches m der Wellenlänge ist. Die Zahl m nennt man die Ordnung, in die die betreffende Wellenlänge reflektiert wird. Es gilt die Gittergleichung für eine vorgegebene Ausfallsrichtung (Lambda = Wellenlänge):

m x Lambda = const.

Für das ORFEUS Echelle-Gitter liegen die Ordnungen im Bereich von 40 bis 65 (wobei nur die Ordnungen bis 61 ausreichend Intensität enthalten, Wellenlängen unterhalb der Lyman-Grenze werden vom interstellaren Wasserstoff absorbiert). In die gleiche Ausfallsrichtung werden also verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichen Ordnungen reflektiert.

Damit man die übereinanderliegenden Ordnungen des Echelle-Gitters trennen kann, ist ein zweites Gitter notwendig: nämlich das Querzerleger-Gitter, dessen Gitterfurchen senkrecht zu denen des Echelle-Gitters angeordnet sind. Dadurch erscheinen die Einzelnen Ordnungen des Echelle-Gitters untereinander auf dem Echelle-Detektor.

So registriert der Echelle-Detektor des Echelle-Spektrum

Das Bildfeld des Echelle-Detektors beträgt 40mm x 40mm. Das Echelle-Spektrum wird auf dem Detektor in Form von hellen Streifen abgebildet. Jeder Streifen entspricht einer Ordnung des Echelle-Spektrums. Die 40. und die 60. Ordnung sind gekennzeichnet. In den beiden gekennzeichneten Ordnungen sind auch einige Wellenlängen-Markierungen eingezeichnet. Zusätzlich ist im Spektrum die Wellenlänge der Lyman-Beta Absortionslinie des Wasserstoffs markiert. Absorptionslinien machen sich in den hellen Streifen der einzelnen Ordnungen als dunkle Stellen bemerkbar.

Dieses Bild zeigt ein simuliertes Echelle-Spektrum. Es wurde aus tatsächlichen Spektren zusammengesetzt, die mit dem Berkeley-Spektrometer während der ORFEUS I Mission und mit dem IUE-Satelliten gewonnen wurden.
Ein im Labor gemessenes Echelle-Spektrum ist hier zu finden, und 2 Beispiele für ORFEUS II Messungen finden Sie hier.

Zur Auswertung des Bildes wird die Helligkeit entlang der Streifen jeder einzelnen Ordnung aufgezeichnet und jeder Position auf dem Detektorbild wird eine Wellenlänge zugeordnet. So erhält man schließlich eine Grafik, auf der die Intensität entlang der Wellenlängenskala aufgetragen ist: das fertig ausgewertete Spektrum.

Effektivitäten

Die obige Grafik gibt die gemessenen Effektivitäten der einzelnen Komponenten des Echelle-Spektrometers an und die daraus resultierende Effektivität des gesamten Instruments. Die Effektivitäten der einzelnen Komponenten sind in Prozent angegeben (linke Skala), während die Effektivität des gesamten Instruments als effektive Fläche in cm2 (rechte Skala) angegeben ist.

Komponenten:

  • Mirror: Hauptspiegel des Teleskops (Reflektivität)
  • Collimator: Kollimatorspiegel (Reflektivität)
  • Echelle: Echelle-Gitter (Reflektivität und Gitter-Effizienz in die jeweilige Ordnung)
  • Cross-Disperser: Querzerleger-Gitter (Reflektivität und Gitter-Effizienz)
  • Detector: Echelle-Detektor (Quantenausbeute). Dieser Wert ist die reine Quanteneffizienz des Detektors ohne Berücksichtigung von elektronischen Auswahl- und Totzeiteffekten. Die Verluste durch elektronische Impulshöhen-Schwellen betragen ca. 5% bis 10% und sind abhängig von der aktuellen Verstärkung des Detektors. Die Totzeitverluste sind zählratenabhängig, die Totzeit pro Photonen-Impuls beträgt ca. 13 Mikrosekunden. Dadurch wird die maximal registrierbare Zählrate auf 30000 Impulse pro Sekunde begrenzt.
  • Effective Area: Die effektive Fläche des Instruments (durchgezogene Linie, rechte Skala) berechnet sich aus der gesamten lichtsammelnden Fläche des Teleskops multipliziert mit den Effektivitäten sämlicher Komponenten des Instruments. Mit Hilfe dieser Angabe läßt sich leicht abschätzen, welche Intensitäten das Instrument bei einem bestimmten Himmelsobjekt sieht: die Photonenflüsse (Photonen pro cm2) des Objekts sind in etwa bekannt oder lassen sich aus der Helligkeit in anderen Wellenlängenbereichen abschätzen. Durch einfache Multiplikation des Photonenflusses mit der effektiven Fläche erhält man sofort die zu erwartende Zählrate des Detektors für das betreffende Objekt. 

Technische Daten


 
Hauptspiegel Kollimator  Echelle-Gitter  Querzerleger-Gitter 
Hersteller  REOSC  Zeiss  Zeiss  Zeiss 
Material  Zerodur  Homosil  Herasil  Homosil 
Beschichtung  Ti/Ir  SiC  SiC  SiC 
Form  Parabel  Parabel (off-axis)  plan  sphärisch 
Brennweite  2426 mm  203,5 mm  502,4 mm 
Durchmesser  1020 mm 
Breite  90 mm  91 mm  94 mm 
Länge  144 mm  254 mm  214 mm 
Dicke  130 mm  34 mm  35 mm  41 mm 
Dicke (Mitte)  27 mm 
Gewicht  75 kg  0,7 kg  1,3 kg  1,5 kg 
Gitter-Hersteller  Milton Roy  Zeiss 
Linien / mm  316  1200 
Blaze  62,6°  optimiert bei 100 nm 
Bemerkungen  109 Löcher in der
Rückseite bewirken
eine Gewichtsein-
sparung von 70%. 

Foto des Echelle-Spektrometers

Dieses Foto zeigt das Echelle-Spektrometer unmittelbar vor dem Einbau in das ORFEUS-Teleskop.
Die linke Seite des Spektrometers ragt in das Telekop hinein. Dort befindet sich das Querzerleger-Gitter.
Durch die Öffnung in der Mitte ist der Echelle-Detektor zu sehen. Man erkennt die mit gelben Schutzkappen versehenen Stecker für die elektrischen Anschlüsse und den runden länglichen Motor für den Antrieb des Detektor-Verschlusses.
Auf der Schräge rechts befindet sich das Echelle-Gitter.
Der Kollimator-Spiegel befindet sich nicht am Echelle-Spektrometer, sondern ist direkt im Teleskop montiert.