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astronomy

Spectrohéliographe avec un réfracteur 90/1300
(1ère partie)

 

Introduction

(Début de l'année 2002)
Voici mon nouveau projet: un spectrohéliographe que j'espère évidemment meilleur que le précédent. Le montage choisi sera réalisé à partir d'un réfracteur destiné à former l'image solaire, suivi d'un spectroscope de type "Arcetri", c'est à dire constitué d'une fente d'entrée, d'un réseau et de 2 objectifs achromatiques. Le passage du "tout réflecteur" au "tout réfracteur" est supposé diminuer l'astigmatisme provoqué par les 2 miroirs sphériques du monochromateur. La sélection de l'image monochromatique est faite de façon identique au montage précédent, avec un CCD linéaire.

La disposition des éléments est la suivante : L'ensemble du SHG devrait tenir dans un "tube" de section carrée de 1,25 m de long et de 23 cm de côté. Le poids total de l'instrument doit être inférieur à 10 kg. Le corps de l'instrument sera divisé en 4 tubes dont 3 constitueront le chemin optique. Le 4ème servira à loger la partie mécanique nécessaire à la rotation du réseau et quelques bricoles électroniques. Si tout se passe comme prévu, la résolution spectrale devrait être de l'ordre de 0,01 nm dans le premier ordre et la bande passante du SHG inférieure à 0,05 nm.


Les éléments optiques

L'objectif primaire est un doublet achromatique de 90 mm de diamètre et de 1300 mm de distance focale (F/D=14.4), (thanks to Fred who sold it to me). Il donne une image solaire de 12 mm de diamètre environ. Il est monté dans un barillet réglable par vis poussantes et tirantes, et est fixé sur la face avant du SHG. L'utilisation de cet objectif implique une modification des logiciels d'acquisition et de traitement car le format des images qui était jusqu'à présent 800x800 va être maintenant 1000x1000 pixels.


Les 2 objectifs du spectroscope sont également des doublets achromatiques fixés dans des montures en plastique. D'un diamètre de 60 mm pour 900 mm de distance focale, le ratio F/D de 15 est hélas un peu trop grand mais une optique plus appropriée pourra être recherchée par la suite si c'est nécessaire.

J'ai reçu ces objectifs mi-mars. Je peux dès lors m'atteler à la tâche.


La fente d'entrée du spectro est cette fois-ci réglable en largeur. 2 lames biseautées sont vissées sur un pantographe en aluminium, lui même fixé sur une grosse rondelle métallique. Une plaque d'aluminium reçoit l'ensemble et permet un réglage en rotation à l'aide de 3 cales. La largeur de la fente sera de quelques dizaines de microns pour l'observation mais pourra s'ouvrir à 1 mm (pour les réglages, le dépoussiérage, etc...)


Pièce maîtresse du spectro, le réseau plan que je compte utiliser me semble original ! Ses dimensions sont plus qu'intéressantes (62x72 mm), il est gravé à 1800 tr/mm, et présente 2 zones blazées différemment : 2/3 de la surface à 250 nm (UV) et 1/3 à 600 nm (pas loin de H-alpha). J'espère que le Blaze UV aura encore quelque effet renforçateur aux alentours de la raie K du Calcium ionisé !

Je l'ai monté sur le support d'un ancien réseau, après quelques modifications. Il est orientable selon 3 axes pour réaliser l'alignement optique et la sélection de la longueur d'onde. Le bras visible en bas sera probablement changé et actionnépar un mouvement micrométrique motorisé (moteur pas-à-pas). La partie inférieure (le gros cylindre et le bras seront dans le "tube non optique").

La vue arrière laisse entrevoir les 2 vis de réglage grossier de l'orientation du réseau par rapport au bras.


Les 2 miroirs plans (40x40 mm) qui servent à replier le faisceau sont montés sur des petits supports en forme d'équerre et sont orientables selon 2 axes. Chaque miroir à 3 points de contact dont un seul est réglable grâce à une vis.

Sur l'image ci-contre, la lame de maintient qui est en haut presse le miroir sur la fourche noire où sont ménagées 2 encoches et sur la vis de réglage d'inclinaison. La flèche indique l'axe de rotation de l'équerre.

Lorsque j'ai entrepris la construction de ce nouveau spectrohéliographe, j'ai mis en ligne l'avancement des travaux à la manière d'un feuilleton. J'ai souhaité laisser ces commentaires tels quels dans ce site refondu. Je vous propose donc d'assister à la réalisation de l'instrument au jour le jour, dans la mesure du possible, et dans l'ordre où se présentent les choses!


Construction... SHG Story

L'utilisation d'objectifs achromatiques n'est toujours pas la solution miracle en ce qui concerne la réalisation du SHG. Si l'aberration chromatique est très faible pour la partie centrale du spectre, ce n'est pas le cas pour la partie violette extrême où se trouve la raie K du Calcium ionisé. Avec une distance focale de 1 mètre, on peut avoir un écart de 4 mm entre le foyer violet et le foyer rouge (H-alpha) ! Le même problème se pose pour l'objectif de collimation du spectroscope. Ceci implique la nécessité de mécanismes de mise au point de l'image solaire sur la fente d'entrée et de placement de cette même fente au foyer de la collimatrice.

J'ai choisi une solution approchée, en autorisant la translation de l'ensemble constitué de la fente d'entrée et des 2 petits miroirs plans placés de part et d'autre (cf. schéma optique). La mise au point sur la fente peut ainsi être faite pour les différentes longueurs d'onde et la collimation reste acceptable compte tenu du fait que le capteur possède son propre système de focalisation pour compenser le décalage.

Il me faut donc construire un support conservant l'alignement optique des 2 miroirs plans et de la fente, et pouvant se déplacer en translation le long de l'axe optique.


Ouf, après maintes recherches, j'ai mis la main sur une glissière bien pratique, provenant d'une "boite à lumière" de microscope me semble-t-il. Elle permettait de placer une ampoule au foyer d'un condenseur optique. Environ 9 cm de côté... quasiment pas de jeu et une course de 20 à 25 mm... Hop... recyclage !


Vendredi 22 mars

J'ai découvert à l'occasion de la retouche des lames servant de ressort de maintient des miroirs plans (volet métallique de protection des disquettes 3"1/2) que la spectrohéliographie était une activité dangereuse pour les doigts !

Petit retard en attendant que ça cicatrise...


Samedi 30 mars.

Le doigt se recolle bien, merci. Je suis allé au Bricomachin du coin, me faire découper quelques panneaux de contre-plaqué pour commencer la structure du SHG. Que c'est lourd le bois !!! Moins de 10 kg ça ne sera pas facile .


Dimanche 31 mars. Joyeuses Pâques !

La colle à bois est passée à l'action et la "caisse" commence à prendre forme. Quel engin ! Où est-ce que j'ai encore fichu les pieds ?


Mardi 2 avril.

La structure contenant la fente et les 2 miroirs plans évolue aussi dans le bon sens. La voici en vue éclatée pour la séance photo. On aperçoit les 2 miroirs plans inclinés à 45° et la fente réglable. Le trait rouge schématise le trajet de la lumière solaire.

Il faut que ça tienne bien en place sur la glissière ! Le levier servant à manoeuvrer le déplacement de cet ensemble est en bas. L'aluminium est majoritaire. Hauteur totale : 19 cm.


Vendredi 5 avril.

Le montage décrit ci-dessus est quasiment terminé. Encore quelques fuites de lumière à colmater et ce sera bon. J'ai commencé aussi à découper des supports pour les 2 objectifs du monochromateur et pour le miroir plan. Je n'avance pas très vite car il fait beau et j'en profite pour faire des images du Soleil avec le spectrohélio encore actif. Ensuite, traitement et mise en ligne des images... Pourquoi les journées n'ont-elles que 24 heures ??


Dimanche 7 avril.

La glissière surmontée du bloc optique est fixée en bout de tube. La cloison inférieure (contre-plaqué 5 mm) est allégée en évidant des disques à la scie cloche. La rigidité est ainsi conservée. L'idée première était de coller ensuite un carton fin pour rendre la cloison étanche à la lumière, et de le peindre ensuite en noir mat. Les 2 opérations seront réduites en fait à une seule, à savoir le collage de velours noir adhésif qui donnera un noir encore plus intense.


Lundi 8 avril.

Une révision du schéma optique s'impose . Je constate - et c'était hélas prévisible - que l'inclinaison du réseau et du miroir plan situé après l'objectif de collimation est désastreuse. Le coup est heureusement "rattrapable" sans trop de dégâts ! Je dois intercaler un autre miroir plan - en vert sur le schéma - entre ces 2 pièces optiques pour obtenir des angles de réflexion corrects (Une fois de plus, le proverbe "rien ne sert de courir.... si l'on ne sait pas exactement ou l'on va " est vérifié). Mais c'est ainsi, c'est les risques du direct comme on dit à la télé !


Mardi 9 avril.

Le support du miroir plan est fait et monté à l'extrémité de la "table" du SHG qui reçoit également le support du réseau dont on ne voit ici que la partie supérieure. Le miroir est placé dans son support pour les besoins de la photo et va réintégrer sa boite juste après.


Mercredi 10 avril.

Les nuages sont là ! pas moyen de pointer le soleil pour tester l'alignement et la mise au point de ce qui est déjà en place. Un petit coup de pointeur laser quand même pour s'assurer que tout est à peu près sur l'axe.
Il faut maintenant adjoindre un système permettant le mouvement fin du réseau. Pour cela, une vis de précision et son écrou sont un moyen très efficace pour déplacer le bras fixé sur l'axe de rotation du réseau. La vis sera actionnée par un moteur pas-à-pas et le contact entre le bras et l'écrou mobile se fera par l'intermédiaire d'un roulement à bille. Un pignon de 32 dents est placé sur la vis en vue de la motorisation.


Vendredi 12 avril.

Une équerre en aluminium est fixée sur le support de la vis. Elle supporte à son tour un petit moteur pas-à-pas de type bipolaire provenant d'une imprimante (merci Vincent). Le pignon de sortie du moteur à 12 dents ce qui fait une démultiplication de 8/3 au niveau de la vis. Le pignon blanc n'est là que pour transmettre le mouvement entre moteur et vis. Malgré la jolie étiquette visible sur le moteur, aucune indication n'est donnée à propos du nombre de pas par tour et je le déterminerai ultérieurement. Il est probablement égal ou supérieur à 100.

La course utile est de 70 mm et le pas de la vis est de 0.635 mm. Le nombre de tours de vis est : 70/0.635 = 110 tours environ
Pour un moteur à 100 pas par tour et la démultiplication de 8/3, il faut donc : 110x100x8/3 = 29330 pas
Un pas correspond à 350 nm (du violet au rouge) divisé par 29330 soit environ 0.012 nm. En mode demi-pas et pour un moteur à 200 pas par tour, on peut réduire d'un facteur 4 cette valeur.


Samedi 13 avril.

Mise en place de l'ensemble vis-moteur dans la grosse boite ! J'ai fixé une petite rallonge en aluminium sur le bras du support du réseau. L'extrémité est terminée pas un roulement à bille qui sera en contact avec l'écrou mobile. La longueur du bras est déterminée par l'angle que doit balayer le réseau (17° environ pour le spectre complet) et la course de la vis. On obtient dans ce cas une vingtaine de cm. Ce mécanisme est disposé sous la "table" du montage optique. La vis dépasse légèrement dans le tube optique inférieur (celui de l'objectif principal) mais ne coupe nullement le faisceau. Un ressort de rappel garde fermement le bras contre l'écrou.

Par ailleurs, les cloisons supérieure et inférieure en contreplaqué de 5 mm sont positionnées et maintenues en place par des petites cales collées. Ça commence à prendre tournure...


Mardi 16 avril.

J'ai un peu levé le pied. Alors comme il pleut, j'en profite pour vous montrer un truc qui est déjà prêt et qui fonctionne sur le SHG actuel. Il s'agit du capteur CCD linéaire et de sa monture. L'image de gauche montre le CCD proprement dit. Celle de droite montre la bague de mise au point (c'est en fait un vieil objectif photo reconverti) et, dans la partie inférieure, le moto-réducteur assurant la rotation fine du CCD. Le schéma de cet élément est visible en cliquant ici


Jeudi 18 avril.

Les supports des objectifs du spectroscope sont en cours. Ils seront très simples mais les découpes doivent être assez précises et ils devront être alignés correctement sur l'axe optique sans grandes possibilités de réglage, donc pas de précipitation. De toutes façon, j'ai besoin du Soleil pour ça et en ce moment il boude...
Un autre élément, qui a son importance, est en cours de réalisation. Il faut assurer l'étanchéité à la lumière au niveau de la sortie du bloc mobile (contenant miroirs plans + fente) et de l'entrée dans le premier tube du spectroscope. Un moyen simple et efficace consiste à utiliser un soufflet. On pourra en récupérer sur un vieux boîtier photo ou un agrandisseur. On peut aussi, comme c'est le cas ici, le fabriquer très simplement avec un papier Canson noir. Les extrémités seront collées à des petites platines en aluminium. A ce propos, 4 traits de scie dans un disque dur H.S. et le tour est joué. Finitions au noir mat de rigueur !


Vendredi 26 avril.

Le soleil a joué à cache-cache dans les nuages quasiment toute la semaine. Résultat: beaucoup de temps passé à acquérir des images puis à les placer sur ce site, au détriment de la construction du nouveau SHG.
J'ai quand même pu déterminer l'emplacement des 2 objectifs et je les ai fixés chacun dans son tube. Un essai avec une fente large d'au moins 1 mm m'a permis de visualiser le spectre sur une surface blanche, et j'ai pu repérer le triplet du magnésium par exemple... la dispersion semble en rapport avec ce qui est attendu.
Autre élément en bonne voie: le miroir escamotable qui réalise un renvoi à 90° vers un oculaire afin d'observer le spectre. Ce miroir sera placé à environ 10 cm avant le capteur CCD. Si tout se passe bien, ce miroir mobile sera fini ce week-end et les photos suivront.
Enfin, je commence à rigidifier au mieux l'ensemble de la structure sans pour autant entrer dans la phase quasi-irréversible du collage.


Lundi 29 avril.

Le flip-mirror est à peu-près terminé. Un petit porte-oculaire hélicoïdal est en place, le basculement est manuel et assisté par un ressort monté en bistable. Il faut juste que je place une butée réglable pour l'inclinaison à 45° et un joli bouton de commande.

Le crayon donne l'échelle, et accessoirement soutient l'ensemble).


Vendredi 3 mai.

Le flip-mirror est en place. J'ai mis un pignon sur l'axe du miroir et l'axe du bouton de commande en reçoit un également. Cela permet d'avoir un mouvement plus doux du fait de la démultiplication et le démontage du bloc "miroir+porte-oculaire" se fait très facilement, sans devoir enlever le bouton de commande et l'axe qui traverserait la caisse du SHG.


Samedi 4 mai.

Démontage et dépoussièrage de ce qui commence à ressembler à un spectrohélio pour une séance photo. Je mitraille et j'espère pouvoir ainsi illustrer un peu mieux l'avancement du chantier.


Dimanche 5 mai.

Le circuit de commande des 2 moteurs (orientation du CCD et rotation du réseau) doit être refait, principalement à cause du moteur pas-à-pas qui est de type bipolaire (l'ancien était unipolaire)


Vendredi 10 mai.

Cette semaine n'est pas très spectaculaire au niveau de l'avancement des travaux mais elle a pourtant été constructive. Un peu d'électronique pratique et la mise en coffret du circuit de commande des moteurs.
Un autre moment - un peu fastidieux - a été le revêtement de toutes les surfaces internes avec de la feutrine noire: mesure, découpe, collage, décollage, recollage, grognements, redécollage, etc... Le résultat est quand même sympathique... C'est maintenant les ténébres absolues dans cet instrument... en attendant que je le pointe vers le Soleil.
Autre avancée importante: le programme d'acquisition a été modifié pour passer de 800x800 pixels à 1000x1000. Le test réalisé avec le spectro actuel est concluant.

Je n'ai pas encore terminé mon film. Etant donné que je travaille sur le spectro complet, je ne peux pas le mettre sur le scanner pour vous montrer l'évolution. Alors encore un petit peu de patience.... Si la météo le permet, j'espère faire les derniers réglages optiques demain.


Samedi 11 mai.

Le matin, quelques apparitions du soleil me permettent quelques retouches dans l'alignement des optiques.
L'après-midi, derniers assemblages... et je me lance. J'ai démonté le CCD de l'ancien SHG pour l'installer sur le nouveau. Idem pour le circuit électronique qui fourni les signaux d'horloge. Les seules modifications concernent le cablage de la raquette de contrôle des moteurs qui diffère de la première. La dernière pièce du puzzle passe également d'un instrument à l'autre: les 2 lames biseautées sont vissées sur le support et la largeur de la fente ajustées à quelques dizaines de microns. Tout est prêt pour un test grandeur nature... mais la pluie vient d'arriver !


Dimanche 12 mai.

Il fait moche !
En fin d'après-midi, une trouée dans les nuages laisse briller le soleil. viiiiiiiiiiiiitteeeeeeee !! AHHHHHHHH je vois un magnifique spectre; le doublet du sodium est ... comment dire ? achement cooooool. La dispersion a doublé et la résolution est également excellente. Je peux séparer facilement des raies distantes de 0,02 nm. Voila qu'un mauvais contact m'empêche d'actionner les moteurs !! démontage de la raquette..... qu'est-ce qui m... ? les nuages reviennent !! plus viiiiiiiiiiteeeeeeee. La tension est pire que quand Mc Gyver tente de désamorcer une bombe alors que les secondes défilent inexorablement sur l'afficheur avec un bip agaçant et d'ailleurs complètement stupide. Y'a du 12 volts partout, bizarre ! Je fais chauffer le fer à souder, je change le régulateur de tension au cas où... toujours du 12 !!! même sur la masse !!!!!!!!!!! La fiche est mal insérée, tu parles d'un bricoleur ! ça y'est ca remarche. Viiiiiiiiiiiiiiteeeee, il faut essayer une image. Le soleil est bas, l'amplitude du signal est faible
j'en ai une, ouf ! Elle est sombre et bruitée mais ça a l'air prometteur. Les réglages ont été fait à moitié (au pif quoi !) mais c'est plutôt correct. J'ai quand même repéré quelques défauts à éliminer. Le travail n'est pas tout à fait fini, mais je crois que la prise d'images est maintenant possible.


Mercredi 15 mai.

Il a fait un temps splendide aujourd'hui, jusqu'à ce que je retire le bouchon de l'objectif du spectro ! le vent est tombé et les nuages d'altitude sont venus tout boucher ! Je pense que je vais craquer... Bon j'ai quand même fait quelques essais en spectroscopie que je vous livre ici, histoire de patienter un peu.

Un petit triplet du magnésium :



Mardi 28 mai.

Le nouveau spectrohéliographe fonctionne à peu près bien. Mais vous souhaitez surement voir à quoi ressemble l'engin. Alors ça y est, les photos sont là. J'ai scanné et collé tout ça au plus vite.

Ouvrir la page des photos du SHG.


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