БАШЕННЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ТЕЛЕСКОП БСТ-2

Г.А. Суница – ведущий инженер БСТ-2

О.С. Гопасюк – зав. лаборатории физики Солнца

О.А. Андреева – ответственный астроном БСТ-2

Введение

Башенный солнечный телескоп БСТ-2 предназначен для спектральных и монохроматических наблюдений Солнца. Два главных зеркала и три системы Кассегрена позволяют получить на щели спектрографа изображение Солнца размером от 80 до 300 мм.

Спектрограф оснащен двумя решётками и тремя камерами, позволяющими регистрировать спектры разной дисперсии. Приемниками информации могут служить фотопленки, фотопластинки, ФЭУ и ПЗС-камера.

Такая инструментальная база позволяет решать широкий круг астрофизических задач. В настоящее время (2005-2006 гг.) на телескопе проводятся следующие программы наблюдений:
Ежедневные измерения максимальной напряженности магнитных полей всех солнечных пятен, находящихся на диске Солнца.
Получение изображений Солнца и отдельных его частей в линии HeI1083 нм ежедневно.
Получение спектров пятен, флоккул, корональных дыр и спокойного Солнца в спектральных областях от 390 нм до 1100нм.

Оптика телескопа

Оптическая схема телескопа

Общая оптическая схема представлена на рисунке. С1 – целостатное зеркало диаметром 600 мм, С2 – дополнительное зеркало диаметром 550 мм. Луч от С2 падает нормально на главное, сферическое зеркало Мдиаметром 450 мм с фокусным расстоянием 12 м. Отражаясь от главного зеркалаМ луч направляется кверху, где его могут перехватить поочередно (путем наката и отката) плоское зеркало М1 (диаметром 220 мм) или кассегреновские зеркала М2 (диаметр 180 мм) и М3 (диаметр 140 мм, – неподвижное). Комбинация главного зеркала и М1 имеет фокусное расстояние 12 м, зеркал М и М2 – 21 м, М иМ3 – 35 м. При работе одной из комбинаций зеркал луч падает на диагональное зеркало, отражаясь, идет горизонтально и падает на щель S спектрографа, образуя здесь изображения Солнца диаметром ~110, 200 или 320 мм соответственно тому, работает ли зеркало М1, М2 или М3.

Если над главным зеркалом ввести сферическое зеркало М? с диаметром 200 мм и фокусным расстоянием 8 м, то при помощи плоского зеркала М1 на щели спектрографа можно получить изображение Солнца диаметром ~80 мм, при помощи М2 – 140 мм, при помощи М3 – 230 мм (?). Комбинация М? и М2 используется при сканировании солнечного диска в линии HeI1083 нм.

Имеется ряд веских соображений в пользу вертикального расположения солнечных телескопов с выносом целостатной установки на достаточную высоту. Эти соображения, впервые сформулированные Хэйлом еще в 1907 г., следующие:

1) должно быть устранено влияние горячего воздуха, поднимающегося от Земли;

2) почва около инструмента должна быть затенена;

3) луч от дополнительного зеркала должен быть вертикальным, чтобы не было возмущений вдоль фронта плоской волны;

4) стены ниже целостата должны быть сделаны так, чтобы как можно меньше тепла проникало во время работы.

Оптическая схема спектрографа

Проходя через щель, расширяющийся световой пучок падает на коллиматорное зеркало и отражается от него в виде параллельного пучка. Далее параллельный пучок падает либо на решётку-эшеле, либо на дифракционную решётку. От решётки расходятся системы монохроматических параллельных лучей и, при помощи одного из трех камерных зеркал, изображение спектра строится либо около кассетной части, либо у входной щели ФЭУ, либо на элементах ПЗС-камеры.

Цифрами обозначены схемы для изображения спектра проходящего через щель светового пучка:

1) на кассетной части (используется при измерении магнитных полей пятен);

2) на ФЭУ (используется при сканировании солнечного диска в линии HeI1083 нм);

3) на ПЗС-камере.

Целостатная группа

Некоторые сведения из теории целостатов

Целостатом называется специальная установка с плоским вращающимся зеркалом, которое отражает пучок световых лучей звезд или Солнца в заданном неизменном направлении, несмотря на видимое суточное перемещение светила. Зеркало целостата вращается в вокруг полярной оси, лежащей в его плоскости, причем вращение происходит в направлении суточного движения звезд или Солнца со скоростью один оборот в 48 часов (звездного или солнечного времени соответственно). Последнее условие является необходимым для сохранения направления в пространстве отраженного луча.

Представим себе, что мы располагаем зеркалом, которое может вращаться около оси, параллельной оси мира PP’, причем ось вращения лежит в плоскости зеркала. Это означает, что при всех возможных поворотах его нормаль n будет лежать в плоскости небесного экватора EQ. Какое-либо светило S отразится от зеркала в направлении CS1. Три точки S, n и S1 лежат в одной плоскости, на большом круге, углы SCn и nCS1 равны. Плоскость часового круга точки n делит пополам двугранный угол между часовыми кругами точек S и S1. Точка S движется суточным вращением, и (в обратную сторону) будет перемещаться точка S1. Если, однако, мы заставим зеркало вращаться так, что точка n будет перемещаться с угловой скоростью вдвое меньшей, чем скорость вращения небесного свода, то условие биссецирования плоскостью PnP’ угла между часовыми кругами точек S и S1 сохраняется при

неподвижной точке S1. Таким образом, заставляя зеркало вращаться со скоростью, равной 1 обороту за 48 часов (средних или звездных, смотря по наблюдаемому объекту), мы делаем отраженный луч светила неподвижным. В нашем случае, когда нормаль n описывает линию экватора, а дуга PS отражается как дуга P’S1, последняя же при стационарности точки S1 сама стационарна, отраженное изображение будет стационарно в полном смысле слова, т.е. не будет вращаться со временем. Сделать неподвижным изображение точки небесного свода с помощью вращающегося зеркала можно разными способами, но только рассмотренное устройство делает неподвижной после отражения целую область неба; поэтому оно и называется целостатом (что в переводе на русский язык значит «неподвижное небо»).

Целостат

Целостатная установка рассчитана для широты 44°43.’5. Целостатное зеркало из ситалла покоится на шести чашках в массивной оправе, концы оси которой находятся в подшипниках горловины, сваренной с плитой. Суточное вращение целостата и вращение его со скоростями 10°, 25’ и 7’ в минуту времени производится от моторов через редукторы и коронную шестерню. Плита с горловиной полярной оси целостата юстируется относительно призмы. Вся призма с целостатом может перемещаться в пределах ±100 см вдоль направляющих с востока на запад при помощи мотора, приводящего во вращение винт. Т.к. колонна с дополнительным зеркалом, как и Солнце, находится с южной стороны целостата, то она может затенять зеркало целостата. Этого можно избежать, отодвинув целостат в направлении на восток (в первую половину дня) или на запад (во вторую половину дня). Противовес на полярной оси целостата выбирает люфты при его вращении и уравновешивает зеркало. При закрытии купола необходимо переместить целостат в центральное положение.

Дополнительное зеркало

Дополнительное зеркало, диаметром 550 мм, монтируется на колонне с вилкой, ось которой наклонена под углом 45° к вертикальной оси колонны. Установочное вращение вилки вокруг ее оси производится при помощи мотора с редуктором

мотора с редуктором со скоростью 15° за минуту времени. Противовес выбирает люфты при вращении вилки и уравновешивает дополнительное зеркало. Наклон зеркала или его вращение вокруг горизонтальной оси производится моторами со скоростями 12°, 20’ и 1’ в минуту времени при помощи двух штоков, поднимающих или опускающих задний конец оправы дополнительного зеркала. Движение штоков ограничено. В случае вывода одного из штоков в крайнее положение, необходимо вернуть его в центральное положение, компенсируя поворот дополнительного зеркала другим штоком. Колонна с дополнительным зеркалом, при помощи мотора, может подниматься и опускаться. Т.к. Солнце в течение года меняет свое склонение, то и отраженный от целостатного зеркала пучок солнечных лучей меняет свое направление (летом он направлен ниже, чем зимой). В связи с этим, перед наблюдениями, перемещая колонну, необходимо добиться максимальной освещенности дополнительного зеркала. Движение колонны ограничено сверху и снизу концевыми выключателями. В целях уменьшения дрожаний дополнительного зеркала, после установки положения колонны, необходимо ее закрепить двумя винтами. Один винт, снабженный концевым выключателем, показан на рисунке.

Если он не отжат до срабатывания концевого выключателя, мотор, перемещающий колонну, не включится. Другой винт расположен ниже, под верхней площедкой башни. Перед перемещением колонны необходимо убедиться, что этот винт не зажимает колонну. При закрытии купола необходимо опустить колонну в крайнее нижнее положение.