在2m- alfred - jensch望远镜上使用emccd进行高速成像

一种新型望远镜导向系统

阿尔弗雷德-扬施望远镜(AJT)是一种多功能望远镜，既可以用于施密特模式下的宽视场成像，也可以用于Coudé模式下的高分辨率梯级光谱仪。在施密特模式下，AJT的孔径为1.34米，在Coudé模式下孔径为2米。采用6144 × 6160像素的15 μm CCD相机进行宽视场成像。图像尺度为每像素0.77弧秒，视场为1.7平方度。高分辨率梯队光谱仪位于Coudé-focus，具有2像素分辨率R=67000。

两种模式都需要精确的引导。施密特模式的引导是由经典的夫琅和费折射镜提供的，其孔径为30cm，焦距为475cm。在Coudé-focus上，一个相机引导是由一个看着摄谱仪入口狭缝的相机提供的。到目前为止，两种模式都使用带有图像增强器的电视引导系统。然而，这个系统有一些缺点。

最严重的问题是它的敏感性，或者说缺乏敏感性。通常情况下，引导星的亮度不足以校正望远镜的位置，其频率为10秒或更短，而只能以25 - 50秒的频率校正。不幸的是，这个比率太低，无法提供准确的跟踪。缺乏精确的引导不仅使望远镜的效率降低，也降低了光谱模式下径向速度测量的精度。原因是在曝光过程中，不好的跟踪会导致光谱线的偏移。虽然我们使用碘电池来测量这种位移，但径向速度测量的精度仍然降低了。这是因为我们的目标是实现3 m/s的径向速度精度，这对应于摄谱仪探测器上的0.0013像素。因此，即使是光谱线的微小涂抹也会降低精度。

原始系统的第二个缺点是它的非线性，这使得它不可能在获取恒星光谱的同时确定它们的亮度。然而，要研究恒星上的耀斑爆发，需要同时进行光谱和光度观测。研究这样的事件很重要，因为它们会对行星的宜居性产生严重影响。

考虑到旧系统的所有这些限制，我们开始寻找一种新的摄像系统。经过广泛的测试，我们最终选择了iXon Ultra 888EMCCD探测器与1024x1024像素的13 μm引导望远镜，以及Coudé焦点。该相机的图像尺度为每像素0.56弧秒，引导望远镜的视场为9.6x9.6弧分。这种类型的相机有几个优点:最重要的是它非常敏感，使我们能够以高速率拍摄低噪声图像。由于望远镜有两个口径为30厘米的导向望远镜，我们可以直接比较新旧系统。图1为新旧系统同时观测到的星团M52。新系统灵敏度的提高是惊人的。多亏了新相机，现在的跟踪比以前好得多，这使得望远镜更强大。新系统的第二个优点是它是线性的。现在可以在获取恒星光谱的同时测量它们的亮度。

图1用旧系统(左)和iXon Ultra 888 EMCCD(右)观测到的Messier 52星团。

使用EMCCD和主望远镜

最初，我们获得了iXon Ultra作为引导相机来自动引导2米Alfred Jentsch望远镜。在施密特望远镜的主要焦点上，并没有计划将它们作为科学仪器使用。然而，新的EMCCD也为主望远镜的观测提供了新的可能性。例如，像海王星的卫星海卫一的恒星掩星和我们在下面描述的恒星的月球掩星。

海王星卫星海卫一的恒星掩星观测

2017年8月，来自SOFIA(同温层红外天文台)的一个团队与我们接触，该团队由美国宇航局和德国中心für Luft- und Raumfahrt联合运营，参与了10月5日晚上海王星的卫星Triton对UCAC4 410-143659恒星的掩星测量活动。2017.SOFIA团队使用早期的iXon Ultra模型已经有一段时间了。

因此，iXon Ultra第一次被安装在望远镜的主要焦点上。由于不可能将控制计算机保持在望远镜内的相机附近，我们面临着长达50米的非常长的连接电缆的问题，而USB3是不可能的。为了跨越这段距离，我们使用了光纤光导，使USB3电缆两侧保持0.5米的距离。光纤耦合器谱3022 REX和谱3022 LEX在这种设置下工作非常可靠。

由于这次多地点测量活动的主要科学目标是确定海卫一大气的结构变化，因此对每个参与的观测者来说，获得高速光度成像的每一帧的准确时间标记是至关重要的。与SOFIA团队一样，这次信号由Spectrum Instruments(加拿大)的TM-4 GPS接收机为我们提供。我们使用了iXon Ultra的触发选项来触发TM-4的时间戳。这些时间戳被写入日志文件，然后在数据缩减中与iXon Ultra帧匹配。事实证明，这个过程完美无缺，在大约5万个帧中没有一个帧或触发器丢失。

下面的面板显示了掩星事件不同阶段的图像。图2显示了海王星作为明亮的源在左边，它的卫星海卫一在中间，而被隐藏的恒星在右边。在第二幅图中，由于海王星和海卫一围绕太阳的轨道运动，它们已经非常接近这颗恒星，而且掩星是内在的。图3显示了掩星事件的中间:更暗的海卫一正在使更亮的恒星变暗。有关这一观察结果的科学出版物正在准备中。

图2:海王星的卫星海卫一对一颗恒星的掩星观测活动的两张图像。从左至右分别是海王星、海iton和UCAC4 410-143659恒星。

图3:事件的中间。海卫一正在掩盖恒星。

观测一颗恒星的月掩星

到目前为止，在2米阿尔弗雷德·詹奇望远镜的主焦上有一个高速光度相机的独特机会也被用于记录我们的月球对恒星的掩星。月球的边缘在这里被用作一个锋利的边缘，创造了一个菲涅耳衍射图案。由于肢体在移动，衍射图案也在观察者的周围移动，观察者可以用高速光度计对其进行采样，并从中得出被隐藏物体的大小。这种观测技术产生了在毫弧秒范围内的一维角分辨率，这使我们能够分离接近的双星并得出恒星的直径。

为了达到所需的非常高的帧速率，我们使用了探测器的窗口。一个小窗口就足够了，因为只需要观察将要被隐藏的恒星。通过这种方式，我们可以达到大约每秒230帧的帧率。如此快速的读数显然对iXon Ultra的Peltier冷却器要求很高。

图4为SAO164434恒星掩星的光度光曲线。浅灰色显示了整个数据集，而黑色曲线是在掩星时刻将浅灰色光曲线放大10倍，以使可测量的菲涅耳模式更好地可见。虽然这只是用我们的iXon Ultra和仪器设置来证明这种测量的可行性的测试，但它非常成功地表明，科学质量的月球掩星测量是可能的。

图4:SAO164434恒星的月掩光曲线。