南极南极冰架或将坍塌

第50卷第2期2009年4月天文学报ACTAASTR0NOMICASINICAVo1.
50NO.
2Apr.
,2009首架南极天文望远镜CSTAR的光学系统术刘根荣十袁祥岩,2(1中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042)(2中国南极天文中心南京210008)摘要2008年1月中国自行研制的首台南极小望远镜阵CSTAR成功安装在南极内陆最高点DOMEA,用于天文观测.
正如天文学家预言,南极是个极好的天文台址,CSTAR传回的清晰图像,为我们进一步证实了在南极展开天文科考的可能性与优越性.
在此重点介绍我国首台南极望远镜设备CSTAR的光学系统,以及为保证在南极低温环境下望远镜保持高质量成像所采取的措施,最后给出观测结果.
关键词地球,望远镜,选址中图分类号:P11l;文献标识码:A1引言人类认识世界探索宇宙离不开天文学,天文学的发展又离不开望远镜.
近四百年来天文望远镜从小到大,不断开拓进取.
天文学家试图观测到更暗弱的星体,除了将望远镜越做越大外,还在努力寻找更好的台址.
2005年1月我国科学家首次到达南极DOMEA,DOMEA海拔4093米,平均风速小于2米每秒,全年有135天的连续全黑夜.
按照地形的相似性,天文学家们一致认为DOMEA将是比DOMEC更好的天文台址,而DOMEC台址测量的结果显示其在离地面30米处的视宁度平均约0.
27角秒[1].
为了证实DOMEA在天文观测中的价值,为我国下一步南极天文学研究提供一些宝贵的经验,我国2006年12月成立了中国南极天文中心-2J.
旨在积极推动我国南极天文项目的发展.
为了降低风险,经过讨论,决定由南京天文光学技术研究所、紫金山天文台和国家天文台联合研制4台固定不动,通光直径100mm的小望远镜阵CSTAR(ChineseSmallTelescopeArray)用于变星监测和台址测量,从而为下一步南极望远镜的研制奠定基础.
2007年10月CSTAR在南京天文光学技术研究所通过验收,2008年1月由两位参加24次南极科考的天文学家成功安装在DOMEA,目前已经传回了大量清晰的图像.
2CSTAR望远镜的光学系统中国科考队最先登陆的南极内陆最高点DOMEA被天文学家们一致认为将是地面2008-08—07收到中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2一Yw—T08)资助tgrliu~niaot.
ac.
cn2期刘根荣等:首架南极天文望远镜CSTAR的光学系统225上最好的天文台址,这为我国南极天文学的发展提供了难得的机遇.
中国南极天文中心适时地提出了首先研制4台有效孔径100mm的小望远镜阵的计划,主要的科学目标是进行变星监测,获得多波段长时间周期的连续光变曲线,用于暂现天象如新星及超新星等的观测,搜寻系外行星等.
CSTAR的另外一个重要功能是天文台址测量,进行天光背景、云量和透明度的测量以及连续晴夜的统计.
2.
1性能要求CSTAR的工作环境不同于其它的天文望远镜,要求它在极低的温度下工作.
DOMEA已测到的最低温度为一82.
5.
,这对仪器的设计提出了严格的耐低温要求.
为了提高首台小望远镜阵的成功率,CSTAR的研制要求1)结构紧凑,系统焦比约1.
2;2)没有任何活动部件,即要保证大温差范围内焦点固定不动;3)无穷远的星体成像在焦平面的CCD感光面上,因此要求CSTAR为平场.
CSTAR的主要性能要求为:有效观NL径O100mm;视场20平方度,平场;探测器采用1KXIK的CCD,CCD每个象素大小为13微米;成像质量要求80%光能集中.
在2个象素内;成像波段为0.
390.
88微米.
由此可见CSTAR是一个大孔径、大视场、宽波段的望远镜.
求出系统焦距:,,:.
≈170tgw设计这样一个望远镜主要考虑以下几点:光学结构形式的选取:比较了折射型与折反射型两种结构形式,认为折射型望远镜难以兼顾大孔径与宽波段,其二级光谱的校正非常困难,即使采用特殊玻璃也无法使二级光谱得到完全校正.
而采用折射与反射相结合的折反射系统,色差和二级光谱比较容易得到校正[0,.
其中的主反射物镜对各个波段的反射方向一致,无色差存在.
折反射系统还具有结构紧凑的特点,使外形尺寸较短.
设计中使反射镜承担了光学系统全部的光焦度,使得色差得到有效控制.
系统中主镜前加入两个正负分离的改正镜,以补偿改正球面主镜的球差,同样为了改正大视场引起的轴外像差,在主镜之后、成像面之前加入两片改正镜,以消除系统的像散、场曲和畸变.
折反射系统的缺点是中心挡光,为了弥补中心挡光造成的光能损失,将望远镜实际孔径做到O145mm.
cSTAR由4个望远镜组成一个望远镜阵,每个望远镜透过不同的波段,分别是全波段(3900A一88oo3)和O、R、I三种波段(对应的全宽半高分别是G:4085354553、R:56553—69153、I:68653—8395Jt).
为了不影响像质,将滤光片放在平行光路中.
设计后的CSTAR光学系统结构如图l,其中第一块平板玻璃为滤光片.
材料选择:南极的内陆地区全年温度低于一30.
C,DomeA最低记录温度为一82.
5.
C,CSTAR在南京装配试验的工作温度为+20.
C~+30.
C,装配温度与将来使用温度的温差约为100.
C.
为了保证望远镜在南极能正常工作,主要光学材料选择了低膨胀的微晶玻璃和石英玻璃,机械的镜筒和隔圈选择低膨胀的INVAR36.
我们做过计算分析,使用普通光学材料和普通金属材料,望远镜在.
80.
C时的成像质量明显变坏,不能满足要求.
消杂光考虑:杂光会影响望远镜的成像质量,增加灰度,甚至会引起"双像",因此在天文学报50卷图1CSTAR光学系统Fig.
1OpticallayoutofCSTAR光学系统中安排了消杂光光栏,该光栏位于第二次反射之后、像面小改正镜组之前,有效地阻止了光线进入像面的杂光.
为了得到好的信噪比,将第一透镜的中心挡光区域涂上黑色消光漆.
2.
2光学系统设计结果与成像质量焦距:170mm焦比:1.
178入瞳直径:q~145mm(等效通光孔径:(I)100mm)视场:4.
5.
*4.
5.
(20平方度)对角线最大视场:6.
34.
镜头总长:199mmCSTAR光学系统结构紧凑,总长小于200毫米,与同类型光学系统相比它同时实现了大孔径、大视场与宽波段.
它的成像质量主要从2个方面评价:①各视场各波长光线在像面上形成的弥散斑,②各视场弥散斑的能量集中程度,即能量曲线.
下面给出用ZEMAX程序计算的两组状态下的结果.
温度为20.
C,大气压力为1,弥散斑点图和能量曲线见图2、图3.
温度为_80.
C,大气压力为0.
57(模拟DOMEA的环境),弥散斑点图和能量曲线见图4、图5.
从以上不同使用状态的计算结果可以看出,该望远物镜的光能集中度都做到了90%光能量集中在2个象素内,满足了技术指标提出的要求.
2.
3望远镜的光效率望远镜的光效率是每片玻璃的传输效率和CCD的光效率之积,根据光学系统镀膜后实际透过率、光学元件的光吸收以及CCD的光效率,计算得到望远镜的综合效率为:G波段光效率0.
43,R波段光效率0.
48,I波段光效率0.
40.
2期刘根荣等:首架南极天文望远镜CSTAR的光学系统227i静.
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脚"i‰5衄l图2温度为20.
C,气压为1对应的像斑点图Fig.
2Spotdiagramunder20.
Cand1atm3CSTAR望远镜的特点及检测方法1.
CSTAR望远镜孔径大、焦距短,允许的焦深很短,只有6微米.
装调中必须保证各部件的正确位置,否则很容易引起倾斜和失焦.
特别是主反射镜的倾斜将会引起光轴的两倍倾斜,因此首先校正主反射镜倾斜:将主反射镜装入镜筒一起放在专用仪器上,主镜球心处有一被照亮的十字丝分划板,经过主镜反射后应成像在目视分划板上,检测时旋转镜筒,用百分表先校正好镜筒的外圆轴线与工作台垂直并与仪器轴线同轴,然后再看球心的自准直反射像,当自准直像有跳动时,则修切主镜下方的三个突台,以保证反射镜的正确位置.
检测装置示意图如图6.
2.
CSTAR望远镜满足瑞利准则:根据圆孔衍射的"瑞利条伴',望远镜在波长0.
55#m,时角分辨率为:=1.
22击*206265:1.
38(角秒)CSTAR望远镜角分辨率的检测方法,在2米平行光管的焦面放置分辨率板,被测光学系统放在平行光路中,用显微镜检查被测望远镜在可见光波段中心角分辨率,检查结果为1.
3角秒.
3,视场各部位具有清晰的成像质量.
为保证望远镜在整个像面上的成像质量,我们自制了星点板放在平行光管焦面上,用星点板检查确定焦面位置.
根据平行光管调焦筒的移动量计算出CCD像面的离焦量,在CCD与镜筒的连接面进行加垫或修切,直到中心点与边缘点的成像质量都同时清晰.
星点板共有33组星点,每一组为3个点,每个点的大小分别对应CCD的1、2、3个象素.
图7为望远镜CCD上检测得到的星点板图样.
4.
模拟低温条件,检测望远镜像质基本无变化.
将望远镜密封充氮,放入低温箱进行低温实验,温度从+30.
C连续降至一70.
C,观察其中心鉴别率的变化,低温实验结果228天文学报50卷{16000DEG3l700DEG品怒.
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C,气压为1对应的光能量曲线Fig.
3Curveofencircledlightenergyunder20.
Cand1atm表明,像质没有明显变化.
恢复常温后检查,角分辨率仍然为1.
3角秒.
检测装置示意图如图8.
oBJ_(]00DEOoB】_100DEGoB¨60DEG1.
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1J器:":需莉1图4温度为一80.
C,气压为0.
57对应的像斑点图Fig.
4Spotdiagramunder一80.
Cand0.
57atm5.
望远镜增加化霜保护玻璃.
南极内陆寒冷干燥,但是饱和汽压低,相对湿度接近lOO%,水汽极易在镜面上结霜,因此我们采取在保护玻璃的外表面镀导电膜的方法,经实验确定,导电膜功率lOW,电阻57欧姆.
化霜检测是将保护玻璃置于低温箱中模拟低温结霜,通电后检查其化霜效果.
另外,为了减少镜面积雪,将保护玻璃与光轴倾斜25.
放置,干雪飘落时大部分积雪自动滑落,另一部分积雪则通过导电膜化掉.
CSTAR目前的观测情况证明我们采取的除雪化霜效果很好,保证了望远镜的正常运行.
2期刘根荣等:首架南极天文望远镜CSTAR的光学系统229I'嘲0EG3I∞0EC>-Ii_;鬈≯^j.
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图5温度为.
80.
C,气压为0.
57对应的光能量曲线Fig.
5Curveofencircledlightenergyunder一80.
Cand0.
57atm图6主镜检测示意图Fig.
6Layoutoftheprimarytestingsystem230天文学报50卷4观测结果图7望远镜校正后对星点板的成像Fig.
7ImageofthestartestingplatebyCSTARafteralignment2007年8月8日至10日,望远镜在盱眙观测站进行了试观测.
2007年8月31日至9月7日,望远镜又在兴隆观测站进行了试观测,结果表明,4个望远镜像质均符合要求,拍摄曝光20秒观测到的星等约为13等.
在兴隆试观测图像见图9.
图8低温实验示意图Fig.
8Layoutofthelow—temperaturetest2007年11月12日,CSTAR望远镜随雪龙号从上海启程开赴南极,在项目组天文专家周旭、朱镇熹和全体科考人员的努力下,2008年1月CSTAR顺利完成安装,同年3月20日,CSTAR传回星像,每幅图有上万颗星,曝光20秒观测到的极限星等约为16.
5—17等,成像质量清晰,变星测量精度为0.
1星等.
图10是从南极传回的星像[21.
2期刘根荣等:首架南极天文望远镜CSTAR的光学系统231图9兴隆试观测对准北极星附近天区拍摄曝光2O秒星图Fig.
9TestingobservationinXinglongStationpointingtothePolarisskyareawithexposuretimeof20图10CSRAR在南极DOMEA曝光20秒星图Fig.
10StarimagesfromCSTARinDomeAwithexposuretimeof20seconds232天文学报50卷5结论与致谢CSTAR望远镜经过一年左右时间的研制,其光学成像质量达到了设计要求,由于望远镜采取了一系列有效措施,保证了望远镜的实际性能达到研制目标和预定的科学目标.
望远镜已经连续工作了4个多月,传回大量的图像,供科学家们进行南极天区附近变星的监测和统计,并对DOMEA的台址信息如连续晴夜数、云层覆盖、天光亮度等参数进行测量.
感谢项目发起人崔向群研究员、胡景耀研究员、王力帆研究员、冯珑珑研究员等,感谢此次科考的天文学家周旭研究员、朱镇熹副研究员和全体24次南极科考人员.
最后感谢项目组全体人员的合作,保证了CSTAR顺利完成.
1234参考文献JSLawrence,MCBAshley,ATokovinin,eta1.
Nature,2004,431:278http://ceaa.
pmo.
ac.
cn王之江.
光学技术手册,机械工业出版社,1987.
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163OpticalSystemofChineseFirstAntarcticAstronomicalTelescope-CSTARLIUGenrongYUANXiang—yan,f1NationalAstronomicalObservatories/NanjingInstitute0,AstronomicalOpticsTechnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210042)(2ChineseCenterIorAntarcticAstronomy,Nanjing210008)ABSTRACTChineseSmallTelescopeArrayinAntarctic,wassuccessfullymountedinthe(CSTAR),usedforastronomicalobservationinlandhighestplateau—DomeAinJan.
2008byChinese24thresearchexpeditionteam.
whichiSthefirstChineseAntarcticastronomicaltelescope.
Justlikewhattheastronomerspredicted,DomeAiSanexcellentastronomicalsite.
TheclearimagessentbackbytheCSTARhavefurtherprovedthepossibilityandadvantagesfordoingastronomicalresearchinAntarctic.
ThispaperemphasizesonthepartoftheopticalsystemofCSTAR.
andthemethodsadoptedtoguaranteeahighqualityimagesundertheultra—lowtemperatureinDomeA.
TherealobservationresultsfromDomeAarealsogivenattheendofthepaper.
KeywordsEarth,Telescope,SiteTesting