Die mechanische Stabilität spektroskopischer Aufbauten I

Einleitung

Wenn man spektrale Messungen von astronomischen Objekten mit hoher Auflösung und reproduzierbarer Genauigkeit aufzeichnen möchte, ist die mechanische Stabilität des Gesamtaufbaus von Spektrograf und Teleskop wichtig. Dieser Beitrag behandelt die Steifigkeit mechanischer Verbindungen zwischen einem Spektrograf und dem Teleskop. Die Durchbiegungen des Spektrografengehäuses werden mit der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert. Die Ergebnisse der Simulationen helfen, stabile Verbindungen zwischen Spektrograf und Teleskop aufzubauen.

Problembeschreibung

Viele Diskussionen einschlägiger Foren im Web zeigen, dass bei hochauflösenden, reproduzierbaren Messungen von Spektren die Verbindung zwischen Spektrograf und Teleskop eine Schwachstelle darstellt [1]. Durch die Bewegungen des Teleskops während einer Nacht ändern sich die Belastungsverhältnisse am Spektrografen und damit die Verkippung des Gehäuses zum Teleskop sowie die Gehäuse-Durchbiegung am Spektrograf. Diese Probleme treten bei direkt gekoppelten Spektrografen auf, eine Faserkopplung als Alternative hat die Nachteile einer verringerten Empfindlichkeit und des Auftretens von Modenrauschen. Der Aufbau mit einem direkt am Teleskop befestigten Spektrograf sollte also so formstabil wie möglich sein, das Gewicht der ganzen Anordnung sollte so gering wie möglich gehalten werden. Für hochgenaue Messungen von Radialgeschwindigkeiten von Sternen ist eine Durchbiegung von höchstens 5 µm zugelassen. Das entspricht der Abmessung eines Pixels auf dem Chip einer Kamera.

Die Untersuchungen

Wir haben verschiedene Gehäusekonfigurationen und Verbindungen zum Teleskop mithilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) [2] und dem Programm Inventor untersucht [3]. Ausgangspunkt war ein Alu-Gehäuse, das die optische Anordung eines Echelle-Spektrografen enthält (Bild 1).

Bild 1: Optische Anordnung eines Echelle-Spektrografen. (1) Kollimator, (2) Echelle-Gitter, (3) Cross-Disperser, (4) Kamera-Objektiv

Dieses Gehäuse wurde zunächst an seiner 2"-Nase am Teleskop befestigt und mit seinem Eigengewicht und einer Kraft von 30 N belastet (3 kg Gewicht für Kamera und Objektiv). Die Durchbiegung von 90 µm am Ort der Kamera  war bei diesem Aufbau absolut unbefriedigend (siehe Titelbild des Beitrags). Wir haben dann diverse weitere mechanische Konfigurationen untersucht. Wir haben das Gehäuse verstärkt sowie die mechanische Ankopplung an das Teleskop verändert. Alle Konfigurationen wurden mit der FEM simuliert.

Die Ergebnisse

Die besten Ergebnisse bekommt man bei einer flächigen Einspannung des Spektrografengehäuses am Gehäuseboden und Gehäusedeckel.

Bild 2: Feste Einspannung des Spektrografengehäuses am Gehäuseboden und Gehäusedeckel

Wendet man diese Erkenntnisse auf die Befestigung eines Spektrografen am Teleskop an, kommt man zu einer Konstruktion nach Bild 3.

Bild 3: Befestigung eines LHIRES III-Spektrografen an einem SC/RC-Teleskop

Durch diesen Aufbau werden die Belastungen des Okularauszuges des Teleskops sowie die Durchbiegung des Spektrografengehäuses minimiert. Ein hohes Gewicht des Gehäuses kann toleriert werden, da es nicht mehr direkt das Teleskop belastet.

Alle Detail-Ergebnisse unserer Untersuchungen können in einem Beitrag in der 51. Online-Ausgabe der Zeitschrift Spektrum 2/2016 der Fachgruppe Spektroskopie des VDS nachgelesen werden [4].

In der 52. Online-Ausgabe der Zeitschrift Spektrum 2/2016 der Fachgruppe Spektroskopie des VDS, die ca. Ende April 2017 erscheint, ist die Berechnung leichter, stabiler Spektrografengehäuse geplant.

 

Referenzen:

[1] http://spektroskopieforum.vds-astro.de, 18-Dec-2016
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Finite_element_method, 09-Nov-2016
[3] http://www.autodesk.com, 09-Nov-2016
[4] http://spektroskopie.fg-vds.de/pdf/Spektrum51.pdf, 18-Dec-2016