Spektroskopia Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos kevät 2013
8. Spektroskopia Peruskäsitteet Spektroskoopin rakenne Spektrometrian käyttö Havainnot ja redusointi Spektropolarimetria
8. Yleistä spektroskopiasta Mitataan kohteen vuontiheyden allonpituusjakauma Valo hajotetaan dispersioelementillä Spektroskopialla voidaan tutkia aineen: Koostumusta (aineiden spektriviivat) Lämpötilaa (mm. spektriviivojen lämpötilariippuvuudet) Painetta Liikettä (Doppler-ilmiö) Magneettikenttää (Zeemanin ilmiö) Zeemanin ilmiö auringonpilkun spektrissä
8.1 Spektroskopian peruskäsitteitä: Erotuskyky Spektroskoopin erotuskyky: R = λ/ λ Matala resoluutio, R 100 1000 Korkea resoluutio, R 20000 1000000 Matalan resoluution edut: Voidaan tutkia himmeämpiä kohteita Laajempi spektrialue samaan kuvaan Mahdollusuus tehdä absoluuttista spektrofotometriaa Korkean resoluution edut Saadaan spektrin yksityiskohdat näkyviin Mahdollistaa tarkan säteisnopeuden mittaamisen ja viivaproviilien erojen tarkastelun
8.1 Spektroskopian peruskäsitteitä: Dispersio Dispersiokäyrä: λ = l(s), jossa s on pituusmitta spektristä saadussa kuvassa. Parhaimmillaan l:lle voidaan olettaa lineaarinen approksimaatio λ = Ds (D on verrannollisuuskerroin), mutta yleensä se mallinnetaan plynomina.
8.2 Spektroskoopin rakenne Rako Kollimaattori Dispersioelementti: Hila Prisma Grism Kamera
8.2.1 Rako Kohteen kuva fokusoidaan rakoon Rako rajaa kuvakentästä tutkittavan kohteen Pitkä rako (long slit) mahdollistaa useamman spektrin saamisen samalla valotuksella, esim. kohde+tausta tai kaksi kohdetta. Raon leveys: Havaittu spektri on kuva raosta eri aallonpituuksilla Kapea rako rapempi resoluutio Liian kapea rako Suurin osa kohteen valosta rajataan pois Rako on optimoitava olosuhteiden ja halutun resoluution mukaan Raoton spektrografi: Jokaisesta kuvan kohteesta saadaan spektri. Spektrien resoluutio riippuu kaukoputken erotuskyvystä ja seeingistä.
8.2.2 Kollimaattori Tuottaa yhdensuuntaisen sädekimpun dispersioelementtiä varten Peili tai linssi Yleensä peili, sillä linssit absorboivat etenkin UV-säteilyä HARPS-pektrografin kollimaattori (ESO) HARPS = High Accuracy Radial velocity Planet Searcher
8.2.3 Hila Läpäisyhila tai heijastushila (yleisempi) Hilan uurteiden tiheys on luokkaa 50 1000 /mm Diffraktoituneen valon tulo- ja lähtökulmilla on yhteys a(sinα sinβ) = mλ, m =..., 1,0,1,... m on spektrin kertaluku
8.2.3 Hila Blazed grating: Vältetään suurimman osan valosta joutumista kertalukuun m = 0 Geometrinen heijastus saadaan tiettyyn kertalukuun Maksimitehokkuus on n. 60 70 %, kun kertaluku on m 0 ja aallonpituus λ 0 (blaze wavelength) Hilaspektrografin erotuskyky on R = Nm Korkeat kertaluvut osuvta päällekkäin, siksi käytetään Aallonpituussuodatinta Ristidispersioelementtiä (yleensä prisma tai grism)
8.2.4 Muut disersioelementit Prisma Pienempi resoluutio kuin hilalla Käytetään vähemmän Objektiiviprisma ei rakoa Grism: uurrettu prisma Muita spektrometrejä: Fourier-muunnosspektrometri Grism (HARPS, ESO)
8.2.5 Kamera Kamera kuvaa dispersioelementin tuottaman spektrin Fokusoidan rakoon Nykyään spektri tallennetaan CCD-kameralla (poikkeuksena jotkut vanhimmat havaintolaitteet) HUOM! Kameran pikselimäärä on huomioitava. Optiikka optimoidaan siten, että pikselin koko vastaa haluttua resoluutiota, esim. λ vastaa ainakin kahta pikseliä.