Afdeling Sterrenkunde Katholieke Universiteit Nijmegen Toernooiveld 1 6525 ED Nijmegen www.astro.kun.nl Prof. Jan Kuijpers
[email protected] Dankwoord Evenals de voorafgaande cursus “Optica en sterrenkijker 1” is deze cursus tot stand gekomen in samenwerking met Riekje de Jong van het IOWO die ik hartelijk dank voor haar onmisbare inbreng. Ook dank ik organisatoren, docenten en collegadeelnemers aan de leergang 2000/2001 van het Centre of Excellence in University Teaching (CEUT) van de Universiteit Utrecht voor de inspirerende leergang. Tenslotte bedank ik Ayhan Cicek en Bastiaan Huisman voor hun bijdragen aan de handleiding bij de CCD-camera’s alsmede Theo van Oostrum, Hans Faazen, Drs. Roy Smits, Dr. Marijn Devillers en Dr. Frans Harren voor hun opmerkingen.
Jan Kuijpers Augustus 2003
2
Optica en sterrenkijker 2 Inhoud
pag.
Oriëntatie: 1. Inleiding 2. Doel en inhoud 3. De beoordeling 4. Leertraject 4.1 Rooster en overzicht
1 2 3 3 14
Studieactiviteiten per week: 5. De opdrachten toegelicht
6
Appendix 1: De CCD-camera’s
11
1. Inleiding Dit “blokboek” is de studiehandleiding bij het onderdeel Optica en Sterrenkijker 2 in het eerste jaar van de bachelorsopleiding Natuur- en Sterrenkunde (2e kwartaal, 1 ECTS). De cursus is het vervolg op Optica en Sterrenkijker 1. De rode draad die door beide cursussen loopt, is een geïntegreerde (“hands-on”) vorm van natuurkundeonderwijs: theorie, experiment en telescoopgebruik komen in één cursus aan bod. De eerste cursus had tot onderwerp de geometrische optica (Serway & Beichner Ch. 35 – 36) waarbij het visuele gebruik van de telescoop een belangrijke rol speelde. Deze cursus omvat de golfoptica (Serway & Beichner Ch. 37 – 38) en het gebruik van de telescoop met CCD-camera. De cursus wordt weer in groepsvorm gegeven en de studenten kunnen het programma aan hun eigen belangstelling en niveau aanpassen. De begeleiding is weer in handen van de tutoren: Dr. Nico J. Dam
[email protected] 024-3653016 Bastiaan Huisman
[email protected] 024-3561006 Prof. Jan Kuijpers
[email protected] 024-3652080 Dr. Luc-Jan J. Laarhoven
[email protected] 024-3652334 Drs. Bas Moeskops
[email protected] 024-2653029 De tutoren kunnen direct worden geraadpleegd tijdens de geroosterde uren (de maandagmiddagen van 13.45 – 16.30 uur en de af te spreken waarneemavonden) en natuurlijk via email. De bijeenkomsten vinden gedeeltelijk plaats in de ruimtes van het natuurkundepracticum (P) waar experimenten kunnen worden uitgevoerd en PC’s beschikbaar zijn, bij de 20 cmrefractor (T) en in collegezaal CZ N5 voor de cursorische onderdelen en de eindpresentaties. Een groot verschil met de vorige cursus is de geringere detaillering in de opdrachten in dit blokboek. Het spreekt nu vanzelf dat de studenten aan het begin van elke bijeenkomst even met de tutor
3
overleggen over plannen en taakverdeling. In deze fase wordt van de student een hogere graad van zelfstandigheid en eigen inbreng verwacht. Dit houdt ook in dat de student een nog grotere vrijheid krijgt om in dit stuk optica te “pionieren” 1,2.
2. Doel en inhoud Doel: U bent in staat, zowel theoretisch als via simulatie in het lab, te begrijpen en te construeren hoe het (telescoop)beeld van een bron door buiging wordt beïnvloed, hoe een tralie en rooster werken en hoe u de polarisatie-eigenschappen van het licht kunt bepalen. Ook beheerst u het gebruik van de 20 cm-refractor in combinatie met een CCD-camera. De inhoud van de cursus is onderdeel van het bachelorprogramma natuur- en sterrenkunde en heeft betrekking op: 1. de golfoptica zoals die in Ch. 37 en 38 van Serway en Beichner wordt gegeven; Geoefend worden een aantal natuurwetenschappelijke en technische vaardigheden, zoals 2. toepassen van de natuurkundige optica in eenvoudige laboratoriumconstructies en op telescopen; 3. toepassen en doorrekenen in eenvoudige sommen (problems in Serway); 4. gebruik van de 20 cm-refractor met CCD-camera. Daarnaast beoogt de cursus bij te dragen aan een aantal “academische vaardigheden” zoals critisch evalueren, actief leren, zelfreflectie, het nemen van verantwoordelijkheid en teamwerk. Subdoelen: U kunt in praktijk beoordelen wanneer effecten van interferentie en buiging belangrijk zijn. U begrijpt hoe interferentie ontstaat en kunt dit aan een medestudent uitleggen. Het interferentiepatroon van eenvoudige opstellingen met puntbronnen kunt u construeren met de methode van fasoren (Serway 37.1 – 37.4); U begrijpt hoe interferentie door reflectie wordt beïnvloed en kunt daarmee werken in eenvoudige situaties, met name interferentie in dunne transparante lagen (Ringen van Newton). U begrijpt de werking van de Michelson-interferometer en kunt dit uitleggen (Serway 37.5 – 37.7); U bent in staat de werking van interferentie en buiging toe te passen in eenvoudige combinaties van spleten met eindige diameter en de bijbehorende intensiteitsverdelingen te berekenen (Serway 38.1 – 38.2); 4. U kunt het oplossend vermogen van spleten en cirkelvormige openingen bepalen. U kunt de eigenschappen van een rooster zowel in theorie berekenen als in praktijk meten (Serway 38.3 – 38.4); 5. U bent in staat aan een medestudent de bepaling van de roosterafstand in kristallen met röntgenstraling uit te leggen. U hebt een overzicht over het ontstaan van polarisatie bij de voortplanting van licht in practische situaties en bent in staat te beoordelen of polarisatie in een concrete situatie optreedt (Serway 38.5 –38.6);
1
2
Een uitgebreide toelichting van de groepsvorm vindt u in Appendix 2 van het blokboek “Optica en Sterrenkijker 1”. Het volledige sterrenkundeprogramma in Nijmegen is te vinden op www.astro.kun.nl
4
6. U kunt CCD-opnames van geselecteerde bronnen aan de hemel maken en bewerken. U kunt kwantitatief beoordelen of een bepaalde CCD-camera onder gegeven omstandigheden gebruikt kan worden; 7. In een project met uw medestudenten hebt u CCD-opnames van een hemelobject genomen, deze in enig detail geanalyseerd en critisch geëvalueerd; 5. U bent in staat in een voordracht van een kwartier het project en de resultaten daarvan uit te leggen aan uw medestudenetn.
3. De beoordeling Het cijfer wordt opgebouwd uit drie componenten: 6. De individueel gemaakte opgaven van het werkcollege; hiervoor worden maximaal 4 punten door de tutor toegekend; 7. De systematische verslaggeving in het waarnemingsboek, de overzichtelijkheid daarvan en de persoonlijke inzet tijdens de cursus; hiervoor wordt door de tutor maximaal 2 punten toegekend. Per groep kan hiervoor één waarnemingsboek worden gebruikt mits elke student daaraan herkenbaar bijdraagt; 8. Het gezamenlijk product – constructie/onderzoek plus presentatie. Hiervoor worden door de tutoren in hun eindoverleg maximaal 4 punten, gemiddeld over de deelnemers, toegekend na de eindpresentatie. Per groep wordt dit deel van het punt in onderling overleg tussen de studenten bij individuele deelnemers opgehoogd of verlaagd overeenkomstig de individuele inzet. Het gemiddelde moet echter gelijk blijven aan het toegekende punt voor het groepsproduct. 4. Leertraject Beschikbaar zijn 40 uren (1 sp) verdeeld over 8 geroosterde middagen (van 13.45 – 17.30 groepswerk en aansluitend een uur zelfstudie) en 4 nader af te spreken dagdelen van 2 uur voor het werk met de 20 cm-telescoop en CCD-camera. Deelname aan de gemeenschappelijke onderdelen is verplicht! De maandagmiddagen: Op de eerste middag is een uur gewijd aan toelichting, algemene discussie en het maken van afspraken in CZ N5. Verder begint een aantal middagen met een korte samenvatting van de stof in CZ N5. De laatste middag is gereserveerd voor presentaties en evaluatie in CZ N5. De overige tijd komen de groepjes bijeen in de practicumruimtes waar iedere groep over een doka en computer kan beschikken en volop gelegenheid is om te experimenteren. De CCD-camera en 20 cm-telescoop: De eerste twee bijeenkomsten van 2½ uur worden gewijd aan praktische instructie en het omgaan met de CCD-camera aan de hand van een object dat overdag zichtbaar is (NIET de zon!) en worden afgesloten met een klein examen. De derde en vierde gelegenheid neemt u geheel zelfstandig waar. Leg op de eerste bijeenkomst de reserveringen van de telescoop vast, inclusief de reserveafspraken in geval van slecht weer. Gebruik daarvoor de website. Zorg dat de kwetsbare CCD-camera’s geen schokken te verduren krijgen! Het werken in een groep biedt bij uitstek de mogelijkheid om efficiënt te werken. Benut deze mogelijkheid! Als voorbeeld: Bij het maken van de individuele opgaven toets je de door jou gekozen strategie aan die van de anderen. Bij het bestuderen van een stuk uit het boek test je je
5
eigen begrip door de stof (bij toerbeurt) aan de groep uit te leggen. Bij de vragen geeft ieder bij toerbeurt antwoord en krijgt daarbij terugkoppeling van de hele groep. Bij experimenten worden taken verdeeld. Het is daarbij handig dat een persoon (bij toerbeurt) aangewezen wordt als organisator/opdrachtgever en een andere als verslaggever van belangrijke gegegens of resultaten. Ook bij de telescoop werkt het handig als er een groepslid als “kapitein” optreedt. Waarnemingsboek: Iedere groep houdt eigen aantekeningen bij in het waarnemingsboek (‘Laboratoriumdagboek’) voor de opgaven en kernachtige samenvattingen, steekwoorden en antwoorden op lastige vragen). Bij toerbeurt doet ieder verslag in dit groepsboek. Zelfstudie: Tijdens het uur zelfstudie is de tutor niet beschikbaar. Er is wél gelegenheid tot onderling overleg. Tutor: Vergeet niet met de tutor aan het begin en einde van elke bijeenkomst de stof en het werk op een rijtje te zetten! Misverstanden worden zo snel uit de weg geruimd en resterende problemen opgelost. 20 cm-refractor: In verband met veiligheid is het absoluut noodzakelijk met minstens twee bevoegde (d.w.z. met telescoopdiploma) studenten met de telescoop waar te nemen. De CCD-camera’s mogen alleen worden gebruikt na uitdrukkelijke toestemming van de tutor. In iedere groep is één lid persoonlijk verantwoordelijk voor de sleutel van de sleutelkast op de 6e verdieping en voor het pasje. Het pasje is steeds voor een beperkte periode geldig en kan bij Mevr. Hanneke Vos of Mevr. Marjo van Wees (Afdeling Sterrenkunde;
[email protected]) worden verlengd. De telefoon bij de telescoop moet in geval van nood worden gebruikt. Ernaast hangt een lijst met buitennummers inclusief het huisnummer van Jan Kuijpers voor calamiteiten (030-2630323). 4.1 Rooster en overzicht Op de volgende bladzijden vind u de roostertabel en de toelichting op de opdrachten.
6
Dagdeel
Doel
Opdracht
1 WEEK 46 ma 10-11, 13.45-17.30
Wat is buiging en interferentie? Coherentielengte? Constructie interferentiepatronen dunne spleten. Methode van fasoren. Interferentie met reflectie. Michelsoninterferometer. Voorbereiding op gebruik CCD-camera en software. CCD-camera I: Kennismaking. Samenvatting S37
Inleiding + afspraken Lees/bediscussieer de inleiding S37.1 op S1186. Bestudeer en bespreek4,5 S37.2 –37.7 PAUZE Bespreek S37Qu. 1-12. ZELFSTUDIE: Bestudeer de CCD-camerahandleiding (App. 1) en oefen software met 2-3 studenten.
2 Spreek tijd af! 3 WEEK47 ma 17-11, 13.45-17.30
Zelf experimenteren
4 Spreek tijd af!
CCD-camera II: Maak verkennende opnames met CCDcamera.
5 WEEK48 ma 24-11, 13.45 -17.30
Constructie buiging aan spleten met eindige breedte; Oplossend vermogen; Roosters; Bepaling roosterconstantes; Polarisatie van licht.
Eerste training en opname van een aards object. Samenvattend college S37 Bestudeer S38 PAUZE Experimenteer: Interferentie licht, geluid, watergolven; Interferentie dunne films; ringen van Newton. ZELFSTUDIE: Opgaven S1205:1,19,34,51,58 Overleg keuze van objecten met de tutor, bijv. Pleiaden, M13, M31, Mars, Orionnnevel, Saturnus, Jupiter, Uranus, Neptunus. Experimenteer met Michelson IF Demonstratie holografie, Lloyds spiegel, Newton’s ringen PAUZE Bespreek S38Qu. 1-13. ZELFSTUDIE: opgaven S.1238:10,12,22,25,35,58,63
3
Tijd (min.) 20 10
Plaats3
75
P
15 45 60
P P/M
120
T
30 75 15 45
CZ N5 P
CZN5 P
P
60 120
T
45 60
P
15 45 60
P P
Collegezaal CZ N5, practicumruimte P, telescoop T of meetkamer op de zevende verdieping M. S1186 slaat op p. 1186 uit Serway & Beichner; S37.1 op, Ch. 37.1; S37Qu. op de `questions’ aan het eind van dat hoofdstuk; en S1205:15 op opgave 15 in de serie die begint op pag. 1205 van het boek. 5 Evenals in de vorige cursus: bestudeer eerst de hoofdlijnen (formules, figuren, quick quizes) en maak daarna de “examples”. 4
7
6 Spreek tijd af! 7 WEEK 49 ma 01-12, 13.45-17.30
CCD-camera III: Kies project en onderzoeksobject. Samenvatting S38. Zelf experimenteren.
Beeldverwerking 8 Spreek tijd af! 9 WEEK 50 ma 08-12, 13.45-17.30
CCD-camera IV Project. Project: vervolg
10 WEEK51 ma 15-12, 13.45-17.30
Project: vervolg.
11 WEEK 2 ma 05-01, 13.45-17.30
Project: vervolg
12 WEEK 3 ma 12-01, 13.45-17.30
Presentaties. Eindbeoordeling. Evaluatie en nabespreking
Onderzoek hoe de beste opname van het gekozen object kan worden verkregen. Samenvattend college S38. Experimententen: spleten/openingen, kleine telescoop; roosters/tralies PAUZE Experimenten: buiging en interferentie 20 cm-refractor ZELFSTUDIE: Individuele training in software. Vervolg onderzoek beste opname. Project: onderzoek. PAUZE Project: onderzoek: vervolg. ZELFSTUDIE: eigen bijdrage Project: voorbereiding presentatie PAUZE Project vervolg. Zelfstudie: eigen bijdrage project Voorbereiding presentatie PAUZE Project vervolg. ZELFSTUDIE: Oefen en time je eigen aandeel in de presentatie. Elke groep presenteert (15 min) en Stelt vragen bij de andere(10min.) Evaluatie Eindbeoordeling
120
T
45 60
CZN5 P/T/M
15 45
P/T/M
60
M
120
T
105 15 45 60 105
P/T/M
15 45 60 105 45 60
5 De opdrachten verder toegelicht WEEK 46 1 ma 10-11, 13.45-17.30, CZN5/P/M 9. INLEIDING + AFSPRAKEN: Toelichting op de cursus; op de manier van werken; beantwoording van vragen.
8
P/T/M P/T/M P,T,M P P CZN5
CZN5 CZN5
Indeling van de groepen en de tutoren. We hanteren zoveel mogelijk de groepsindeling van de eerste cursus. Maken van afspraken voor het gebruik van de 20 cm-refractor met CCD-camera door de verschillende groepen. 10. LEES INLEIDING VAN S37.1 OP S1186 11. BESTUDEER EN BESPREEK S37.2 – 37.7 12. BESPREEK S37QU. 1-12
13. ZELFSTUDIE: BESTUDEER DE HANDLEIDING VAN DE CCD-CAMERA (APPENDIX 1) EN OEFEN MET DE PC IN DE MEETKAMER OP DE 7 VERDIEPING. Noteer de vragen waar je geen antwoord op weet, zowel de vragen die bij jezelf opkomen als die uit de handleiding. E
SOFTWARE OP DE
14. BEANTWOORD DE VOLGENDE VRAGEN SCHRIFTELIJK EN LEVER IN: VRAGEN BIJ DE CCD CAMERA 15. Een CCD-chip kan worden gezien als een rooster van fotonentellers. Elk element van dit rooster wordt een pixel genoemd. Hoe slaat de CCD-chip de fotonen op in zo’n pixel? 16. Na belichting moet een CCD-chip uitgelezen worden. CCD staat voor Charge Coupled Device. Zoek uit waar deze term vandaan komt. 17. Waarom wordt (bij astrofotografische toepassingen) een CCD-chip gekoeld? 18. Voor astrofotografie wordt meestal alleen de objectieflens gebruikt. De chip bevindt zich dan in het brandvlak van deze lens. Een objectieflens van een telescoop wordt meestal beschreven met de diameter en het f-getal. Samen met de grootte van de chip bepalen deze het beeldveld. a. Stel, je hebt een 20 cm f/10 telescoop en een chip van 10.2 mm x 10.2 mm in het brandvlak. Bepaal hoeveel boogminuten (graden x 60) in het vierkant van de hemel gefotografeerd worden. b. Herhaal deze berekening voor 1 pixel van deze chip (afmeting 20x20 micron2) en geef het resultaat in boogseconden (graden x 3600). c. Later in deze cursus zul je gaan kijken naar buiging van licht aan openingen. De diameter van een telescoop bepaalt de minimumhoek (diffractielimiet of buigingsbegrenzing) die je kunt onderscheiden. Gegeven de formule voor deze minimale hoek: =1.22 /D, bepaal deze hoek voor een 20 cm-telescoop (D=20 cm) voor licht met een golflengte =500 nm. Vergelijk deze hoek met het beeldveld van 1 pixel. d. Wanneer een telescoop in perfecte omstandigheden opereert, zegt men dat hij “buigingsbegensd” is. Leg uit waarom in minder ideale omstandigheden deze minimaal onderscheidbare hoek groter is.
9
Geef voorbeelden van omstandigheden die deze hoek kunnen vergroten. e. Zoek op wat de term “point spread function” (PSF) inhoudt. 19. Ondanks de koeling moet voor lange belichtingstijden toch een zogenaamd “dark frame” worden genomen. a. Hoe maak je een dark frame? b. Welke bewerking voer je uit op je originele foto als je eenmaal zo’n dark frame hebt? 20. Naast het maken van een dark frame wordt ook vaak een “flat field” genomen. a. Waarvoor dient zo’n flat field? b. Hoe maak je een flat field? c. Welke bewerking voer je uit op je originele foto als je eenmaal zo’n flat field hebt? 21. Niet elke foton dat op de chip valt, wordt geteld. Of het foton wordt geteld, wordt bepaald door een stochastisch proces. Als er N fotonen worden waargenomen (het signaal), is de onzekerheid op N gelijk aan N (de ruis). a. Leg aan de hand hiervan uit waarom je graag zo lang mogelijk belicht. b. Hoe meer achtergrondlicht aanwezig is (volle maan, stadslicht), des te lager is het onderscheidend vermogen tussen achtergrond en te meten object (bijvoorbeeld een ster). Leg uit waarom. c. Hoe groter het pixel, des te beter de verhouding tussen het signaal en de ruis. Leg uit waarom. d. Wat wordt bedoeld met het begrip “quantum-efficiëntie”? 22. Zoek op wat de termen “bias”, “gain”, “blooming” en “binning” betekenen in relatie tot CCD astrofotografie. 23. Noem voordelen en nadelen van CCD fotografie ten opzichte van fotografie met lichtgevoelige film. Tips:
- Gebruik google om de termen op te zoeken; - Lees de handleiding die bij onze CCD camera hoort; - Bezoek een aantal van de volgende stekken: http://skyandtelescope.com/howto/imaging/ http://www.sbig.com/sbwhtmls/st9E.htm http://www.sbig.com/sbwhtmls/aboutccd.htm http://www.ccd.com/ccdu.html http://www.wvi.com/~rberry Literatuur: 24. Berry, R. 2000, Choosing and Using a CCD camera, Willman-Berry; 25. Wodaski, R. 2002, The New CCD Astronomy, New Astronomy Press
2 De telescoop+CCD I 26. TOUR VAN DE REFRACTOR MET CCD-CAMERA EN EERSTE TRAINING
10
Vergeet niet de vragen die je bij de handleiding hebt, mee te nemen naar de training!!
Week 47 3 ma 17-11, 13.45-17.30, CZN5/P
27. SAMENVATTING VAN S37 DOOR DOCENT IN CZ N5!!! 28. BESTUDEER EN BESPREEK S38. 29. ZELF EXPERIMENTEREN: Onderzoek experimenteel de stof uit S37 over buiging en interferentie door het maken van eenvoudige opstellingen met bijbehorende proef, bijvoorbeeld: 30. Interferentie van laserlicht aan twee spleten (meet de hoeken als functie van afstand tussen de spleten en golflengte van het licht). 31. Olie op water. 32. Spectra van straatlantaarn door paraplu. 33. Spectra van lichtbronnen met “zakspectroscoop” of “zaktralie”. 34. Interferentie geluidsbronnen. 35. Waterbak met interferentie watergolven na obstakels. 36. Newton’s ringen (NB: optisch schone lensoppervlakken vereist!!!). 37. ZELFSTUDIE: OPGAVEN S1205: 1, 19, 34, 51, 58. 4 De telescoop+CCD II
38. TRAINING 2: Oefen individueel en na elkaar in het gereed maken van koepel en kijker met CCD-camera en het instellen op een gekozen object “van de grond af aan”. De anderen letten daarbij individueel op of er iets fout gaat. Houd steeds de eerder gegeven volgorde aan. Voor een aantal onderdelen is dat noodzakelijk en het biedt de meeste garantie dat je niets vergeet. Zorg dat de CCD-camera niet kan vallen!
WEEK 48 5 ma 24-11, 13.45-17.30, P/T
39. MICHELSON’S INTERFEROMETER: draai glasplaat “P” in Fig. 37.22 op S1203 en meet de verschuiving van het interferentiepatroon, etc. 40. NU VOLGT EEN DEMONSTRATIE VAN PROFESSIONELE OPSTELLINGEN HOLOGRAFIE, NEWTON’S RINGEN, LLOYD’S SPIEGEL.
DOOR
41. BESPREEK S38QU. 1-13. 42. ZELFSTUDIE: opgaven S1238: 10, 12, 22, 25, 35, 58, 63.
11
DR. M. DEVILLERS OVER
6 De telescoop+CCD III 43. EIGEN PROJECT: KIES EEN PROJECT DAT GEBRUIK MAAKT VAN EEN VAN DE CCD-CAMERA’S BIJ DE 20 CM-REFRACTOR OF DAT DE NATUURKUNDIGE OPTICA BETREFT. De bedoeling is dat je ofwel met de groep waarnemingen doet met de 20 cm-refractor en een CCD-camera aan een bepaald object (om een bepaalde grootheid te meten danwel om een aspect van de camera met telescoop te onderzoeken6), ofwel een laboratoriumopstelling maakt waarmee een aspect van de natuurkundige optica wordt onderzocht. Maak een lijstje van de “onderzoeken” en metingen die daarvoor moeten worden gedaan. Verdeel de taken, zowel voor deze avond als voor komende maandag. Houd alles bij in je waarnemingsboek. Suggesties voor project: 44. Hoe goed is het volgmechanisme van de 20cm-refractor? Maak opnames van sterren bij verschillende declinaties. Heeft een afwijking van de poolas van de kijker ten opzichte van de werkelijke poolas ook invloed op het resultaat? 45. Onderzoek hoe de hoeveelheid licht in het brandvlak afhangt van het objectiefdiafragma. Met de CCD-camera kun je precies de lichtopbrengst in het brandvlak meten. Maak zelf van karton geschikte diafragma’s. 46. Wat is een goede methode om een flat field te maken? Bedenk en ontwerp een methode om een flat field te maken en te gebruiken. Wat voor criteria leg je aan? Werkt het bij beide CCD-camera’s? 47. Kaart van Mars Mars staat deze maanden zo dicht bij de aarde dat je kunt proberen met de CCDcamera details op het oppervlak van Mars te onderscheiden. 48. Maak opnames van Uranus en Neptunus. Leid uit de beweging van Uranus en Neptunus ten opzichte van de sterren af hoe groot de omloopsperioden zijn van beide planeten om de Zon. 49. Kleurenopname van open sterrenhoop (bijv. Pleiaden), of de Orionnevel. Met kleurenfilters vóór CCD-camera. Bepaal de magnituden in verschillende kleuren van enkele sterren. Bepaal hun temperatuur.
6
Bijv. het al of niet gebruiken van een “dark frame”; het eventuele gebruik van een “flat field”; het maken van meerdere opnamen met een kortere belichtingstijd en deze over elkaar heen leggen i.p.v. één lang belichte opname; de inloed van kleurenfilters op de mate van detailstructuur van de opname.
12
50. Kleurenopname van bolhoop. Bijv. van M13 in Hercules. 51. Kleuren van planeten. Hoe komen ze tot stand? Leg de planeetkleuren vast met filters. 52. Leg een supernova vast. Voor een succesvolle waarneming moet op een supernova-waarschuwing worden gewacht. 53. Waarnemingen van een veranderlijke ster of een dubbelster
Zie AAVSO webstek. 54. Buigingsverschijnselen in het “open veld” Welke zijn er? Karakteriseer en kwantificeer. 55. Vloeibare kristallen Proef O4 van het natuurkundepracticum 56. Polarisatie Proef O8 van het natuurkundepracticum 57. Onderzoek van het atoom met behulp van röntgenstraling Proef A8 van het natuurkundepracticum 58. Buiging en interferentie van licht Proef O5 van het natuurkundepracticum 59. Traliespectroscoop Proef O2 van het natuurkundepracticum Projecten uit vorige jaren 60. Maak een composietfoto van een deel van de Maan. De beste kaart (met de meeste details) krijg je door opnames bij de terminator op de Maan in verschillende fasen te combineren. Ook de hoogten van enkele bergen op de Maan kunnen worden gemeten (zie de betreffende CLEA-handleiding op het web). 61. Bepaal de karakteristieke stertemperatuur van sterren in de Andromedanevel 62. De Pleiaden: bepaal kleurverschillen, stertemperaturen en ouderdom. 63. Bepaling stermagnituden
64. h &
Persei: Identificeer de sterren tussen beide open clusters in. 65. Saturnus en Titan. Probeer de omloopperiode van de maan Titan te bepalen, en de massa van Saturnus. 66. Omloopstijden manen Saturnus 67. Omloopstijd Io rond Jupiter
68. Jupiter: 3 kleurenfotometrie en magnitudebepaling 69. Magnitudebepaling van Andromedanevel 70. Kleurenfotometrie van de Orionnevel 71. Holografie
13
72. Attentie: Wel interessant maar als project niet geschikt bij deze maar wel bij de vorige cursus omdat de CCD-camera hier niet goed te gebruiken is: De Leonidenzwerm van 17-19 nov. 2002 Bepaal uit waarnemingen met het blote oog de frequentie door de hemel te “verdelen” tussen de groepsleden. Bepaal uit opnames met een kleinbeeldcamera op statief het vluchtpunt (radiant) van de zwerm.
Startliteratuur: i.Sterrengids 2003, Stichting De Koepel, Utrecht. ii.De PC-proeven van het Gettysburgh College (zie website “CLEA”). WEEK 49 7 ma 01-12, 13.45-17.30, CZ N5, P 73. SAMENVATTING S38 DOOR DE DOCENT IN CZ N5. 74. EXPERIMENTEREN: SPLETEN, OPENINGEN, TRALIES Voorbeelden van experimenten: 75. Onderzoek met een laser de buiging aan een scherpe rand, een speldeprik in papier, een spleet met eindige breedte, twee cirkelvormige openingen; 76. Idem met gewoon licht aan CD; bepaal de afstand van de groeven in de CD; 77. Gebruik en onderzoek de “differential grating spectrometer”; 78. Onderzoek het verschijnsel van de Brewster hoek en optredende polarisatie; 79. Voer proef O8: Polarisatie uit. 80. EXPERIMENT: KLEINE TELESCOOP Zet de kleine kijker aan het ene einde van de gang en een scherpe en heldere lichtbron aan het andere einde. Experimenteer met schermen met verschillende openingen (“pinhole”, kam, paraplu, rooster etc.) tussen lichtbron en telescoop. Interpreteer je gegevens (noteer ook waar je het scherm hebt gehouden). 81. EXPERIMENT: BUIGING, INTERFERENTIE, POLARISATIE 20 CM-REFRACTOR Onderzoek of effecten van interferentie, buiging of polarisatie merkbaar optreden bij de telescoop en verricht eventuele metingen. 82. ZELFSTUDIE: INDIVIDUELE TRAINING IN SOFTWARE CCD-CAMERA. 6 De telescoop+CCD IV, T 83. EIGEN PROJECT:
VERVOLG ONDERZOEK
WEEK 50 9 ma 08-12, 13.45-17.30, P/T
14
84. ONDERZOEK PROJECT. 85. ZELFSTUDIE: EIGEN BIJDRAGE . WEEK 51 10 ma 15-12, 13.45-17.30, P/T 86. PROJECT: VOORBEREIDING PRESENTATIE. 87. ZELFSTUDIE: OEFEN EN TIME JE EIGEN AANDEEL IN DE PRESENTATIE. WEEK 2 11 ma 05-01, 13.45-17.30, P/T 88. VOORBEREIDING PRESENTATIE PROJECT (VERVOLG) 89. ZELFSTUDIE: OEFEN EN TIME JE EIGEN AANDEEL IN DE PRESENTATIE (VERVOLG). WEEK 3 12 ma 12-01, 13.45-17.30, CZN5 90. PRESENTATIES PER GROEP (15’ + 10’
DISCUSSIE)
91. EVALUATIE Reflecteer voor uzelf en als groep op het huidige blok aan de hand van de gestelde doelen – bachelor (BSc) eindtermen – in onderdeel 2 van dit blokboek. 92. EINDBEOORDELING (ZIE OOK HOOFDSTUK 3 VAN BLOKBOEK)
15
Appendix 1 De CCD-camera’s CCD-CAMERA
Figuur 1: CCD-camera ST-6 (rechts) en bijbehorende CPU (links). CCD staat voor charge coupled device. Dit “device” bestaat uit een matrix van optische detectoren, pixels genoemd, die individueel inkomende fotonen omzetten in electronen. De zo opgebouwde lading blijkt lokaal aanwezig totdat deze door externe electronica wordt uitgelezen. Daarbij wordt de lading omgezet in een digitaal getal dat door de PC als input wordt gebruikt. Met ingang van de september 2003 staan twee CCD-camera’s ter beschikking: de ST-6 en de ST9 XE, beide van de Santa Barbara Instrument Group. De beschrijving die hierna wordt gegeven, betreft de ST-6 camera. Zie voor de ST-9 de daarbij behorende handleiding in de controlekamer. De ST-6 camera heeft een CCD met een 375 x 242 pixels, waarbij ieder pixel ongeveer 23 x 27 micron groot is. De totale omvang van de CCD bedraagt 8.6 x 6.5 mm. Het gehele ST-6 systeem bestaat uit een aantal onderdelen. Allereerst de camera (zie Figuur 1). Hierin bevinden zich de CCD, een thermo-electrisch koelelement en een analoog-digitaal converter. Deze is aangesloten op een CPU (“central processing unit”) die via een transformator op het net is aangesloten. De output van de CPU vormt de input voor de PC, waarop de aansturingssoftware voor de ST6 is geïnstalleerd en waarop zich de programma’s bevinden om gemaakte opnames te analyseren, te bewerken en op te slaan. Deze PC bevindt zich in de meetkamer op de 7e verdieping beneden de koepel. Het koelelement is nodig om de donkerstroom zo minimaal mogelijk te maken; pixels lopen anders bij kamertemperatuur spontaan vol, zonder dat er van een belichting sprake is.
16
De camera, CPU en verbindingssnoeren zijn opgeborgen in twee dozen in de meetkamer (onder de tafel met PC’s). De Software Leren omgaan met de CCD camera (software) De PC die de CCD-camera bestuurt, bevindt zich in de meetkamer op de zevende verdieping. Voordat je met de ST-6 gaat werken, ga je eerst droog oefenen.
93. Zet de PC en de monitor aan. Wanneer de opstart routine doorlopen is, verschijnt een menu met allemaal programma’s. D.m.v de pijltoetsten kies je CCDOPS (nieuw). De besturing van de camera wordt nu opgestart. Het programma probeert de verbinding met de camera tot stand te brengen en zal, omdat de camera niet is aangesloten, een foutmelding geven. Trek je hier voorlopig niets van aan. Je kunt dit ook voorkomen door meteen op ESC te drukken.
94. Het programma kent een groot aantal mogelijkheden. Deze staan duidelijk beschreven in de handleiding die bij de computer ligt. Er zijn twee handleidingen (“Model ST-6” en “CCDOPS”) waarbij de ene (met klein formaat) zeer uitgebreid is. Het is de bedoeling dat je een van deze twee handleidingen vooraf doorneemt. Hieronder staat alleen een kort overzicht van de belangrijkste commando’s. In het FILE-menu staan de commando’s die het bestandsbeheer verzorgen: een opgenomen beeld kun je laden of vastleggen met resp. load of save. Je kunt het verwijderen (delete) of naar een directory van eigen keuze leiden, door een nieuw directory aan te maken (create directory) en het pad daarheen (set path/filter) vast te leggen. (Dit hoef je niet meer te doen.) Je verlaat de aansturingssoftware door op exit aan te klikken. In het CAMERA-menu staan de commando’s waarmee je de camera-instellingen verzorgt. Deze werken alleen wanneer de camera is aangesloten. Op dit menu komen we straks nog terug. Met het DISPLAY-menu kunnen de opgenomen beelden worden bekeken en bewerkt. Hiervoor moet je eerst een beeld laden. Je hebt nu legio mogelijkheden om een beeld te analyseren. Deze staan duidelijk beschreven op pagina 20 t/m 23 van de handleiding. Van belang zijn vooral het
95. mag en difmag commando: hiermee wordt de magnitude7 van een ster of van een uitgebreid object zoals een nevel onder het referentiekruis bepaald, met correctie voor de achtergrondstraling. 96. +mag, -mag commando: hiermee kunnen precieze correcties worden aangebracht, zodat op sterren met bekende magnitude kan worden gecalibreerd. 97. sep en angle commando: hiermee kunnen precieze (relatieve) positiebepalingen worden uitgevoerd. 7
De grootte of schijnbare helderheid van een ster voor een waarnemer op aarde wordt meestal uitgedrukt via een logaritmische schaal in magnitudes: een helderheidstoename met een factor 100 correspondeert met een magnitudeafname (!) van 5 eenheden. Deze (visuele) magnitude moet natuurlijk nog geïjkt worden. De ster Wega ( Lyrae) heeft per definitie een mv = 0. De helderste ster aan de hemel (na de zon!), Sirius, heeft een visuele magnitude mv = – 1.46. De zwakste sterren voor het ongewapende oog hebben een magnitude 6; de zon heeft een visuele magnitude –26.74.
17
De overige commando’s onder het DISPLAY-menu hebben vooral betrekking op de verschillende mogelijke weergaves van een beeld. In het UTILITY-menu staat een aantal extra functies, waarmee de kwaliteit van de opname kan worden verbeterd. In tegenstelling tot het DISPLAY-menu wordt niet alleen de weergave van een opname veranderd maar ook de opname zelf. Ben je niet zeker van wat je doet, maak dan eerst een backup van een opname!! Het belangrijkste commando in dit menu is de correctiemogelijkheid voor de donkerstroom. Dit staat op pagina 27 van de oorspronkelijke handleiding bij de ST-6 beschreven. Het MISC-menu verzorgt de hardware-aansturing van de camera. Deze is voor je ingesteld. In principe hoef je daar niets mee te doen. Oefen je nu in het gebruik van de software. Daartoe bevindt zich in de fotodirectory een aantal opnames. Laad een aantal hiervan en speel ermee, totdat je denkt dat je met het programma kunt werken. Oefeningen (voorbeelden): a. Laad Saturnus, de maan of de Stevenstoren. b. Onderzoek de werking van “histogram”, “text”, “zoom”, “x-hairs”, “flip”. c. Transporteer een opname naar de andere PC of je eigen computer en voer eenvoudige beeldbewerkingen uit. Ga na hoe je de opname in een document opneemt. Aansluiting van de ST6 op de telescoop 98. Maak eerst de kijker gereed voor visueel waarnemen. 99. Schroef het oculair uit de oculairbuis en vervang dit door het overgangsstuk met de twee naar buiten stekende bouten (Dit overgangsstuk kun je vinden in het donkere kamertje in de koepel.) Om de schroefdraad goed te positioneren voor het indraaien. kun je het beste eerst even tegen de schroefrichting indraaien. 100.Haal de beschermdopjes van de verbindingsbuis en van het oculair op de CCD-camera. 101.Bevestig de camera in het daarvoor bestemde overgangsstuk achter de 20 cm-kijker en zet de camera vast met de kleine bout zodat de camera niet kan vallen! Draai de camera zodat het opschrift achterop leesbaar is en evenwijdig aan de declinatieas staat. Met de grote bout zorg je ervoor dat hij niet meer kan draaien. 102.Balanceer de kijker door de gewichten aan de kijkerbuis te plaatsen. Waarschuwing: Maak of verbreek nooit en te nimmer een verbinding tussen de ST6 camera en de CPU, wanneer het zwarte CPU kastje aan staat. Controleer eerst of de “power”knop aan de achterzijde van de CPU uitstaat!!! Dit kun je controleren door eerst de
18
voeding aan te sluiten op het CPU-kastje (zonder dat er andere kabels zijn aangesloten) en daarna te kijken of er een rood lampje brandt aan de achterzijde van het CPU kastje. Is dat het geval dan moet je het eerst uitzetten. Als je dit niet doet kun je de CCD-chip opblazen!!!! 103.Verbind de camera met het zwarte CPU kastje (op de CPU zit een poort met label CCDHEAD) door middel van de 15 pin mD/25 pin fd kabel. Om ervoor de zorgen dat je in het donker niet struikelt over die kabel dien je de kabel over de kijker heen naar het CPU kastje te leiden. Nu moet je nog de schroeven van de kabels aandraaien. Een schroevendraaier kun je vinden in het donkere kamertje. Dit is zeer belangrijk omdat de chip kan beschadigen indien de verbinding voortijdig verbroken wordt. 104.In het kastje onder het bedieningspaneel van de kijker zit een kabel die ondergronds naar de meetkamer gaat en is verbonden met de seriële (COM) poort van de PC. Verbind deze 9 pins seriële I/O kabel met de COM connector op de CPU. 105.Sluit vervolgens de CPU (poort waarop staat POWER) aan op de transformator met de desbetreffende kabel en zet deze op het net. 106.Je kunt nu de CPU aanzetten (achter op het kastje). Berg alle draden zoveel mogelijk op in het kastje aan de voet van de telescoopzuil zodat je in het donker niet struikelt. 107.Er zitten op de camera vijf verschillende filterstanden. Op de middelste stand kun je door het oculair kijken. Hiermee kun je dan dus geen opnames maken. Deze stand gebruik je om het betreffende hemelobject te vinden. Om een opname te kunnen maken moet je de opening in het wiel ervoor draaien die helemaal links staat. Je kunt dit herkennen aan het etiket met een rondje en een streep erdoorheen. Je hebt ook nog een rode, blauwe en een groene filterstand voor kleurenopnamen. 108.Nu is het zaak het beeld gefocusseerd te krijgen op de chip. Probeer allereerst scherp te stellen met het oculair van de camera. Draai daartoe de kijker op een heldere ster of planeet en probeer scherp te stellen met het oculair. Het focus is nu al behoorlijk goed uitgelijnd. 109.Richt de kijker op de gebruikelijke manier op het uitgezochte object en zet de volgmotor aan (dat laatste natuurlijk alleen bij een hemelobject). Om te beginnen kun je het beste een bekend hemellichaam nemen. Draai eventueel de camera in positie zodat het label leesbaar is en parallel aan de declinatieas. 110.Draai het filterrevolver in de juiste stand voor de chip (met de klok mee vanuit de oculairstand om het licht ongehinderd op de chip te laten vallen).
111.Doe het dimlicht op de bedieningsconsole aan, verlaat de koepel en schakel het licht uit (de onderste schakelaar!). Waarschuwing: sluit nooit de hoofdschakelaar af waardoor CCD-camera zou kunnen beschadigen. Ga naar de meetkamer. De computer is in verband met licht, vochtigheid en temperatuurschommelingen niet in de koepel maar in de meetkamer geplaatst.
19
112.In de meetkamer: zet de intercom aan en probeer hem uit. Check de sterrentijd met je collega in de koepel via het programma ST.exe op de PC rechts.
113.Ga naar het Cameramenu en kies “Establish COM Link Command” of start ST6OP gewoon opnieuw op. De PC en de camera moeten nu met elkaar communiceren.
114.Om minimaal last te hebben van de donkerstroom, moet je de temperatuur van de camera instellen. Dit gaat met het SETUP command in het CAMERA-menu. Een goede stelregel is dat de camera een temperatuur heeft die ongeveer 45 graden celsius onder de koepeltemperatuur ligt (je kunt instellen van –500 tot +250 C). Lees de omgevingstemperatuur in de koepel af op het scherm en stel de juiste temperatuur in met SETPOINT. Wacht tot de juiste temperatuur bereikt is.
115.Als het goed is kun je nu waarnemen. Door nu in de software naar het menu Camera Grab te klikken kun je je eerste foto nemen. De software vraagt nu gegevens zoals de belichtingstijd en autocontrast (“yes”). Voor meer informatie moet je maar in de handleiding kijken. Een belichtingstijd van 10 seconden is wel genoeg voor een sterrenhoop. Als je nu op ENTER drukt wordt de foto genomen. Wacht tot het “dark frame” en de foto genomen zijn en getransporteerd van CPU naar PC. Nadat de foto is gemaakt kun je deze zien door naar het menu Display Image te klikken.
116.Sla het beeld op in een eigen directory met minder dan 8 karakters (file/mkdir) en File/save. Gebruik de “uncompressed”optie of “TIFF” met 8 bits (zodat het beeld 256 “kleuren” heeft op de PC). We kunnen hier natuurlijk niet alles van de software behandelen en daarom is het de bedoeling dat je de handleiding van de software zelf doorneemt. Veel succes!!
20
21
