Астрофизика. Физика космических излучений и космоса

Содержание практики (перечень подлежащих изучению вопросов)

 Описать устройство патрульного телескопа и возможности получения наблюдательного материала с помощью данного телескоп

Целями производственной практики (практики по получению профессиональных умений и опыта профессиональной деятельности, научно-исследовательской практики) по основной образовательной программы подготовки магистров по направлению 03.04.02 Физика, направленность (профиль) «Астрофизика. Физика космических излучений и космоса» является:

- приобретение обучающимися практических навыков исследовательс-кой работы.

Прохождение производственной практики  (практики по получению профессиональных умений и опыта профессиональной деятельности, научно-исследовательской  практики) направлено на решение следующих задач:

- обработка и анализ полученных данных с помощью современных информационных технологий, освоение нового оборудования, как в рамках темы своей научно-исследовательской работы, так и вне ее;

- применение результатов научных исследований в инновационной деятельности;

- участие в формулировке новых задач и разработке новых методических подходов в научно-инновационных исследованиях;

- обработка и анализ полученных данных с помощью современных информационных технологий, освоение нового оборудования, как в рамках темы своей научно-исследовательской работы, так и вне ее;

- участие в организации научно-исследовательских и научно-инновационных работ, контроль за соблюдением техники безопасности;

- участие в организации семинаров, конференций, составление рефератов, написание и оформление научных статей и докладов на конференциях и семинарах;

- участие в подготовке заявок на конкурсы грантов и оформлении научно-технических проектов, отчетов и патентов.

В результате прохождения научно-исследовательской практики обучающийся должен изучить методы планирования научно-исследовательской работы, включающие ознакомление с тематикой исследовательских работ в данной области и выбор темы исследования; овладеть навыками написания обзоров, докладов, рефератов и научных статей по избранной теме; принять участие в проведении научно-исследовательской работы, в системе дистанционного интерактивного производственного обучения; ознакомиться с методами корректировки плана проведения научно-исследовательской работы, составления отчета о научно-исследовательской работе и освоить приемы публичной защиты выполненной работы. Кроме того, обучающийся должен освоить практические навыки научно-исследовательской работы специалиста в научных коллективах.

Солнечный патрульный телескоп

Устройство и эксплуатация

1. Оптическая схема и устройство телескопа

Рис. 1. Оптическая схема

Объектив 1 и Телескоп расположены на одной рельсе, примерная длина 220 см, ширина широкой передней части телескопа ~ 75 см., ширина задней суженной ~ 41 см., высота ~37 см.

Объектив 1 (приводится в движение мотором, вправо-влево относительно щели) состоит из выпукло-вогнутой линзы, при этом радиус кривизны выпуклости меньше радиуса вогнутости, и двояковыпуклой линзы, фокусное расстояние ~ 90 см.

Щель расположена на одном уровне с верхним зеркалом целостата и объективом 1, ширина щели ~ 0.15-0.25 мкм, можно регулировать.

Вогнутое зеркало 1, радиус кривизны ~ 2м

Дифракционная решетка ~ 1000 или 1200 штрихов на 1мм, они располагаются под углом к вогнутому зеркалу 1

Плоское зеркало на всю ширину задней части телескопа

Вогнутое зеркало 2 на всю ширину передней части телескопа, радиус кривизны ~ 2м

Камера 2 (Основная камера) используется уже для отправки фотографий на ПК

Камера 1 – гидирующая камера, расположена на ~ 28,5 см от щели, с объективом 2 (т.к. оба фотоаппарата без объективов) расположенным ~ 20,5 см от щели. Гидирующая камера (камера 1) нужна для ведения за Солнцем, «зайчик» должен попадать на щель, она (камера 1) ищет диск Солнца и если не обнаруживает или есть смещение подает сигнал целостату, и он (целостат) доворачивает куда нужно

Камера 2 (Основная камера) расположена сзади телескопа, для ее фокусировки используется Объектив 1.

Рис. 2 Устройство телескопа                         Рис. 3 Фото передней части с объективом

 

Рис. 4. Фото основного блока с                          Рис. 5 Фото задней части м цифровой                          дифракционными решетками и зеркалами                             камерой

 

Рис. 6. Объектив 1 присоединен к мотору,               Рис.7

который управляется шаговым двигателем,

объектив 1 двигается вправо влево относительно

щели и обеспечивает сканирование Солнца

               

Рис. 8. Щель нужна для того чтобы выделять                   Рис.9

полоску солнечного диска и в изображении

строится интенсивность данной полосы

 

Рис. 10. Две решетки: слева для CaII, справа для H-alpha, она повернута на больший угол. Дифракционная решетка нужна для выделения определенного спектра H-alpha и CaII

2. Связь

Ethernet – соединение, соединение через витую пару, для лучшего сигнала нужно использовать Гигабайтный свитч и кабели для витой пары с наибольше возможными жилами.

Для работы нужен только один ПК, он отвечает за управление и обработки, так как этой все в одной программе: 4-х ядерный процессор, 8 Гб (лучше 12 Гб, 4 Гб будет использовано для создания RAM диск – диск созданный из оперативной памяти), сетевая карта Intel PRO 1000MT на 2 порта для камер,  сетевая карта для свитча, OS Windows.
Всего получается нужно 4 ethernet-порта: 2 для камеры, 1 для свитча, 1 для сети.

Рис. 15. Блок-схема соединения связи

3. Устройство и работе целостата

Основание целостата прямоугольник ~  35x40 см. Состоит из двух плоских зеркал, которые приводятся в движение моторами.

 

       Рис. 11. Общий вид целостата                                          Рис. 12

1. Программа управления солнечным патрульным автоматизированным спектрографом.
2. Руководство пользователя.

Инструкция по установке

Для работы программы необходимо установить:

• Microsoft Visual C++ Redistributable x86
• Microsoft .NET framework 4
• JAI SDK x64 (не обязательно)
• Alied Vision Technologies SDK (не обязательно)

Описание интерфейса программы

Программа состоит из модулей-окошек, связанных между собой, но отвечающих каждое за свои функции и элементы спектрографа. 

Рис. Общий вид программы

2. Управление целостатом

Данное окно представляет интерфейс для управления целостатом.
А именно:

• инициализация (калибровка) целостата;
• движение целостата по оси альфа;
• движение целостата по оси дельта;
• движение целостата для сканирования (в тестовом режиме);

Кнопки со стрелками используются для быстрой перемотки влево/вправо, перемотки влево/вправо, остановки и часового движения. Аналогичные кнопки имеются для оси дельта.

Кнопка Init all проводит калибровку и инициализацию целостата, наведение на нужное время. Используется в начале работы с программой.

3. Спектральная камера

Данное окно представляет интерфейс для управления спектральной камерой, которая проводит сканирование спектра солнечного диска.

Основные функции:

• вывод изображения спектра;
• регулировка экспозиции;
• настройки параметров кадра.

4. Фотогид

Данное окно представляет интерфейс для управления камерой фотогида и процессом гидирования.

Основные функции:

• вывод изображения с камеры фотогида;
• вывод позиции солнечного диска на кадре;
• включение/выключение режима гидирования;
• сохранение изображений с камеры;
• регулировка экспозиции камеры;
• настройки параметров кадра;
• настройки параметров гидирования.

5. Сканирование

Данное окно представляет интерфейс для управления процессом сканирования.

А именно:

• запуск сканирования;
• остановка;
• настройка параметров сканирования;
• отображение прогресса в процессе сканирования.

6. Управление позиционерами

Данное окно представляет интерфейс для управления позиционерами, передвигающими оптические элементы внутри телескопа.

• движение зеркал сканирования;
• движение фокуса на щели ;
• движение фокуса камеры;
• движение коллиматорного зеркала.

Проведение наблюдений

1. Запускаем программу Solar Patrol Automated Spectrograph
2. Необходимо удостовериться, что обе камеры запустились (выводятся изображения) и оба контроллера управления шаговыми двигателями запустились.

Рис. Успешный запуск программы.

3. В модуле «Управление целостатом» нажимаем кнопку Init All, целостат начинает калибровку, наводится на предполагаемое положение Солнца.
4. Если по завершении предыдущего сеанса работы с телескопом положение целостата не было откалибровано, то в этом сеансе наведение на Солнце необходимо произвести в ручном режиме.
1. Навестись вручную целостатом на Солнце, ориентируясь на объектив.
2. Ориентируясь по фотогиду выставить Солнце в центре, используя кнопки движения по оси Alpha и Delta.
3. Запомнить текущую позицию Солнца относительно времени, нажав кнопку Set Time.
5. При необходимости вывести изображение Солнца на фотогиде в центр, используя кнопки управления осями Alpha и Delta.

6. Запомнить текущую позицию Солнца относительно времени, нажав кнопку Set Time.
7. Измерить угол наклона оси дельта, с помощью кнопки Sd.
8. Включаем режим гидирования нажатием галочки в окне фотогида.

Фотогид должен вывести Солнце в центр кадра.

9. Теперь всё готово, можно начинать сканирование. Нажимаем кнопку Сканирование.

При сканировании данные будут сохраняться на RAM-диск (виртуальный диск в оперативной памяти).

10.  Процесс сканирования запущен, по окончании сканирования будет запускаться программа обработки, во время обработки сканирование начнется снова.

Настройки программы

Настройки программы реализованы в двух вариантах.

Настройки с помощью конфигурационных файлов:

• Настройки контроллеров - SM_Init_Controllers.cfg
• Настройки целостата - SM_Coelostat.cfg
• Настройки спектральной камеры - spectral_camera.ini
• Настройки фотогида и камеры гида – guide.ini
• Настройки сканирования – scanner.ini
• Текущие позиции позиционеров оптомеханики телескопа – telescope_motors.ini

Настройки с помощью интерфейса программы:

• Настройки фотогида и камеры гида
• Настройки сканирования
• Настройки спектральной камеры
• Настройки функционала контроллеров

Обработка наблюдений

Первичная обработка наблюдений запускается автоматически, по окончании сканирования.

Общий вид программы обработки:

Этапы обработки:

• нахождение краев солнечного диска по изображениям спектра;
• нахождение центрального изображения спектра;
• нахождение линии поглощения водорода (H-alpha);
• калибровка линии водорода по сателлитной линии (в тестовом режиме);
• сборка полнодискового изображения Солнца из изображений спектров по найденной линии;
• восстановление окружности диска Солнца из эллипса;
• построение изображения в центре и крыльях линии для выкладки в интернет;
• конвертация изображений спектров в формат FITS, сброс данных на жесткий диск;
• сборка допплерограмм, построение карты скоростей (в тестовом режиме).

Рис. Нахождение спектральной линии поглощения водорода (H-alpha).

Рис. Сборка полнодискового изображения из изображений cпектров.

Рис. Восстановление окружности солнечного диска из эллипса

Рис. Нахождение крыльев спектральной линии

Литература

Плазменная гелиогеофизика. Том 1. Под ред. Л. М. Зеленого и И. С. Веселовского. –М.: Физматлит, 2008.

Зирин Г. Солнечная атмосфера. -М.: Мир, 1969.

Сотникова Р.Т., Файнштейн В.Г., Кобанов Н.И., Скляр А.А. Введение в физику Солнца. Уч. пособие, ч. 2. -Иркутск, 2012.

Филиппов Б.П. Эруптивные процессы на Солнце. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007.

Михаляев Б. Б., Гольдварг Т. Б. Лекции по физике Солнца. Учебное

пособие. Элиста. Изд-во Калм. ун-та. 2012. 80 с.

Степанян Н.Н. “Наблюдаем Солнце” - Москва: Наука, 1992.

Р. Т. Сотникова, Л. К. Кашапова ”Введение в физику Солнца”  - Иркутск : Иркутский государственный университет, 2010.

Carolus J. Schrijver, George L. Siscoe  “Heliophysics: Space Storms and Radiation: Causes and Effects” 2010.

Thomas R. Rimmele, Jose Marino  “Solar Adaptive Optics “ -Living Reviews in solar physics 2011.

R. Grant Athay “ Chromospheric fine structure” 1974.