中国科学院国家天文台兴隆观测站.docx
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中国科学院国家天文台兴隆观测站
中国科学院国家天文台
兴隆基地2.16米望远镜OMR卡焦光谱仪
-----使用手册------
中国科学院国家天文台
北京市朝阳区大屯路甲20号
北京100012
=========目录========
1.OMR光谱仪概述
历史回顾
OMR光谱仪的基本性能
2．光路图
3.OMR光谱仪各部套的结构与性能
接口法兰盘
狭缝
滤光片
快门
准直镜
光栅及光栅驱动机构
照相机
定标系统
导星系统
CCD
计算机及计算机卡
主控台
电源及电机
电路，编码器和读出
光学系统
4.附录
流量定标标准星
波长定标比较光谱
1.OMR光谱仪概述
1历史回顾
在国家85攀登计划项目“天体剧烈活动的多波段观测和研究”于1993年2月召开的专家委员会上，与会的专家建议为我国最大的2.16米望远镜购置一台中低色散卡焦光谱仪，这一建议得到了国家科委和科学院基础局的批准和支持，经过广泛调研，最后确定向美国的OptomechanicsResearch,Inc（简称OMR）订货，于1993年底正式签署了合同。
1994年底，光谱仪制造完毕，为了保证质量，在KittPeak天文台的支持下，利用其2.10米望远镜对光谱仪进行了2个观测夜的实测，实测中发现了一些问题，如相机成像面积不能满足1Kx1KCCD的需要，CCD电缆线不符合要求等等，经与光谱仪和CCD的制造厂家协商，问题都逐一得到了解决。
1995年4月，OMR光谱仪运抵北京天文台兴隆站，厂方代表与兴隆站的工作人员一起进行了最后的测试，测试结果基本符合订货要求。
之后又经过一年多的试运行和不断的摸索和改进，使仪器达到了良好的工作状态，并于1996年9月通过了由国家科委高科技和基础司及中科院基础局组织的验收。
2OMR光谱仪的基本性能
工作波段：
3700—10000A
狭缝：
缝宽0.05—1.0mm，可以由主控台遥控调节，在主控台上显示缝宽对应的电压值，SPEC软件可显示缝宽在望远镜焦面上的投影值（狭缝机构与焦面的夹角为20度）和在探测器上的投影值；有效缝高28.8mm，反光面面积32.8mmx38.0mm。
滤光片：
6个滤光片位置，分别为Clear,Corning4-71,SchottBG-37,BG-39,GG-475,RG-695。
定标系统：
有三个波长定标灯，分别为He-Ar，Fe-Ar，Fe-Ne及一个平场灯，可以遥控开关。
准直镜：
D=110mm,f=674mm,离轴抛物面反射镜，可遥控调焦。
光栅：
目前共有6块，分别装于光栅壳中，人工更换，SPEC软件可自动识别，并可通过计算机控制运动到指定的观测波段。
光栅代号
单位刻线数（lp/mm）
刻线面积（mm）
色散（A/mm）
分辨率（A/pixel）
1级闪耀波长（A）
1
150
90x90
400
～9.6
5000
2
300
90x90
200
～4.8
8000
3
600
102x102
100
～2.4
6500
4
1200
102x102
50
～1.2
8000
5
300
102x102
200
～4.8
4224
6
1200
102x102
50
～1.2
4000
照相机：
D=100mm，f=150mm，Schmidt-Cassegrain式，有效视场25mm
主CCD：
TEK1024x1024背照明CCD芯片，ARCoated,液氮制冷
导星CCD：
PhotometricsSTARICCD，TH7883科研级芯片（385x576,23）,液体循环制冷，实际导星视场3.0′x4.5′。
制造商：
OPTOMECHANICSRESEARCH，Inc
P.O.Box87
Vail,AZ85641
USA
3.OMR光谱仪各部套的结构与功能
1.接口法兰盘
连接OMR光谱仪与2.16米望远镜公共接头的法兰盘由铸铝制成，通过8个匀布的M10螺钉与公共接头相连，法兰盘中心开有160x160mm的通光方孔。
图2OMR光谱仪的法兰盘接口图
2．狭缝
狭缝位于接口法兰盘之下大约200mm的主光轴之上，在光谱仪的外壳上标出了狭缝机构的位置，拆卸时只需旋下四周的固定螺丝，然后向外轻轻拉出即可。
狭缝机构包括两块上表面镀铝的刀口、调节缝宽调节机构、decker、定标反射镜及其驱动装置。
从主控台可以调节缝宽，主控台和SPEC软件的菜单上显示了经投影修正后的缝宽值（狭缝刀口与光轴成70度放置），在主控台上1V=1mm，SPEC菜单上除显示实际缝宽外，还显示了在探测器位置的投影缝宽（其数值等于实际缝宽除以准直镜与照相机焦距之比--4.493）。
狭缝的刀口由不锈钢制成，其上表面和刀口面都经过了精细的加工和抛光，面型精度达1/4波长，对狭缝的任何操作都必须十分小心。
缝宽：
0.05-1.00mm（0.5-10.6″）
缝高：
28.8mm（5.1′）
反光面积：
32.8x38.0mm
3.滤光片
滤光片机构位于狭缝的正下方，在光谱仪的外壳上标出了滤光片机构的位置，拆卸时只需旋下四周的固定螺丝，然后向外轻轻拉出即可。
滤光片转轮上有6个位置，使用边长为25mm的方形滤光片，除了一个空位置外，现有的五块吸收滤光片为Corning4-71,SchottBG-37,BG-39,GG-475和RG-695,他们的透光率曲线见附图。
滤光片转轮上可安装的滤光片最大厚度为9mm。
按照最初的设计，滤光片的更换应该可以在主控台或SPEC软件的菜单上控制，但由于在实际使用时发现滤光片自动控制的故障率太高，且观测中要求更换滤光片的频率很低，故将滤光片自动控制部分取消，使用时如果变换滤光片，只需将滤光片机构取下，将所需的滤光片转到转轮上的箭头指向的位置，再装回即可。
尽管取消了自动控制，但SPEC菜单中的滤光片及工作波段的显示仍然正确。
4快门
OMR光谱仪中有两个电子快门：
较小的一个为Uniblitz（VincentAssociates）快门，位于导星CCD（STARI）前面，根据厂家提供的数据，它的寿命约为一千万次开启。
另一个较大的快门为Ilex1.38英寸快门，原装于CH260CCD（主CCD）的前面，后被移植于滤光片机构的下面，但仍由CH260控制系统控制。
严禁触摸或让任何油脂接触快门叶片，保持叶面清洁。
5.准直镜
准直镜位于光谱仪的最底部，准直镜是由派勒克斯玻璃制成的离轴抛物面反射镜，焦距674mm，有效口径110mm，离轴角为8.1°，准直镜表面镀有铝膜和硬质保护膜。
准直镜靠上下移动调焦，调焦行程约27mm，这相当于1.4mm的照相机调焦行程。
准直镜调焦由主控台控制，在主控台上的调焦读数范围从0.60V-8.60V。
在变换观测波段或更换光栅时都要注意检查是否需要重新进行准直镜调焦，在准直镜调焦时应该尽量使用较窄的缝宽。
6．光栅及光栅驱动机构
光栅及光栅驱动机构在光谱仪中占有较大体积，光栅驱动机构位于滤光片法兰的正下方，光栅的拆卸在光谱仪本体的另一侧，并有文字标记。
目前共有6块光栅，分别装于光栅壳中，手动更换，SPEC软件可自动识别，并可自动运动到指定的观测波段。
光栅代号
单位刻线数（lp/mm）
刻线面积（mm）
色散（A/mm）
分辨率（A/pixel）
1级闪耀波长（A）
1
150
90x90
400
～9.6
5000
2
300
90x90
200
～4.8
8000
3
600
102x102
100
～2.4
6500
4
1200
102x102
50
～1.2
8000
5
300
110x110
200
～4.8
6
1200
110x110
50
～1.2
在使用中应绝对避免触摸光栅表面，光栅表面轻微的灰尘可用吹气球或干燥的压缩空气吹掉。
更彻底的清洁需要极度的细心和经验，最好送到光栅生产厂家去处理。
光栅驱动机构包含下列重要组件：
16线，2相步进电机（1.8°/步，SuperiorElectric，#23）
2Microsteppingelectronics（IntelligentMotionSysytems,Inc.,ModelIM483microsteppingdriver）,设置为50000步/rev。
3涡轮/涡杆，精度为50000/4.5°或11111步/度，蜗杆由弹簧拉住以消除隙
4位置读出，由一个绝对码盘（U.S.DigitalCorp.,ModelA2）和一个点位器组成。
绝对码盘的分辨率为0.00075度，用于SPEC软件提供位置信息；电位器的分辨率为0.01度，用于为主控台提供位置信息。
另外在光谱仪的外壳上还有一个刻度盘，供使用者粗略读出光栅位置
5光栅识别开关，这是3个微开关，与光栅壳上的凸起耦合，产生二进制码供光栅仪和SPEC软件识别不同的光栅。
6光栅转动控制电路，这是为光栅驱动装置提供脉冲的电路，快动时的角速度约为1°/秒，慢动约0.01°/秒。
7.照相机
OMR光谱仪的照相机位于主CCD的前面，与CCD杜瓦瓶固定在同一个接口板上。
照相机为半固体施密特-卡塞格林系统，焦距为150mm，有效口径100mm，此照相机的原型是由I.S.Bowen设计的一种有着较大工作距离（即最后一片镜片的外表面到焦平面的距离）和大光力的相机，设计这种相机是为了在当时的“先进天文探测系统”中使用像增强器。
但是CCD的广泛应用要求照相机有更大的工作距离，RichardBuchroeder为适应这种新的需求对Bowen相机进行了重新设计，我们的照相机就是按照Buchroeder的设计制造的，它的工作距离为16.5mm。
但是在KittPeak2.1m望远镜的实测中我们发现由于场曲的存在限制了照相机的视场，不能满足TEK1024CCD的需要。
在NOAO工作的梁明帮助我们重新设计了场镜，在其中增加了一块平场透镜，从而显著的改善了边缘的像质，使有效工作视场达到了25mm，满足了TEK1024CCD的成像要求。
图4-图7为照相机的示意图，从图6还可看到在轴外有明显的渐晕，这一点是使用如此大光力和大视场的照相机所无法避免的。
照相机的机械部分及其接口都经过精密的加工和调整，因此除了在极少的场合需要对照相机进行调焦外，不要对其作任何调整。
对照相机进行调焦的方法是沿着照相机室轻轻的推动相机的底部，需要注意的是照相机对调焦非常敏感，与准直镜调焦相比，其灵敏度为缩焦比的平方倍，即4.521=20.44。
制造照相机所用的光学玻璃全部为石英玻璃，两个内反射表面镀了铝膜，由于考虑到照相机的宽工作波段及固体石英块在加热时的安全，在其它石英-空气的接触面没有镀增透膜。
8.定标系统
OMR光谱仪的定标系统包含4个光源，用于波长定标和平场。
它们分别为：
Fe/Ne空心阴极灯：
标准的1.5英寸灯泡（ISTCModel#WL-22810）,也可换用其它的牌号（如Hamamatsu,Starna及部分国产品牌）。
最大工作电流为20mA，正常工作电流为10-12mA，高压电源为300VDC，20mA，负载电阻为15K，此灯的实际电压降为150VDC。
在上述工作环境下此灯的寿命大于1000小时，较高的工作电流会增强铁线相对于氖线的强度，但会影响灯的寿命。
Fe/Ar空心阴极灯：
ISTCModel#WL-22611,其它与Fe/Ne灯相同。
He/Ar灯：
据我们所知这种灯已经停止生产了，现用的是NOAO赠送给我们的，应该注意爱护。
为了适于作为光谱定标灯使用，它一定要用DC供电。
平场灯（F/F）：
这是标准的12VDC，1.5A卤钨灯（Sylvania#808-301550或国家的同等型号），寿命约为1000-2000小时。
定标系统的位置在光谱仪外壳上作了标明。
定标系统还包括两个电机和一块反射镜，在选定了定标光源后，反射镜会自动移动到适当的位置。
定标系统由使用者通过主控台控制，在SPEC软件的菜单上也显示哪个光源正在工作。
当主控台上的定标灯电源打开时，严禁转动定标灯选择钮，否则会损坏电路和/或光源。
对定标灯灯泡应小心操作，注意不要让有机物（如手印）粘在灯泡上，否则使用时在紫外线的照射下，有机物会溶入灯泡外壳。
另外在主控台上还有一个可以在定标灯关闭时控制反光镜移入/移出狭缝的开关，平时这一开关应该放在“OFF”的位置。
9.导星系统
导星系统的作用是将狭缝机构反射面上的天区成像在导星CCD（STARI）上，其光学部分包括一块镀铝的反射镜和两块消色差透镜。
反射镜用于改变光路方向（见光路图），改变方向后的光束先经过一块直径50mm，焦距260mm的透镜变成平行光，然后由第二块直径36mm，焦距85mm的透镜将其成像于STARI上。
第二块透镜固定在马达驱动的支架上，由主控台可以控制马达进行导星光路的调焦，整个调焦行程约为25mm，有限位开关进行保护。
在观测中应该注意先对导星系统进行调焦，使得狭缝的像在STARI的监视器上清晰后，再对望远镜调焦才有意义。
10.CCD
OMR光谱仪上共有两个CCD，一个是用于光谱数据采集的主CCD，另一个是导星CCD（STARI）。
1.CCD
主CCD采用的是美国Photometrics公司生产的CH260数据系统，其芯片为Tektronix（SITE）TK1024AB2科研级（grade1）薄片CCD，1024x1024像元，像元尺寸为24x24，详细资料见附表：
OMR光谱仪数据CCD基本性能
CCDl类型
TK1024AB2（grade1）
像元尺寸
24x24
CCD工作状态
MPP（only）
暗流（MPP状态下）
0.36e/hr
平均bias（1x增益）
1018
满阱电荷（MPP状态下）
233ke
1x增益
3.66e/ADU
4x增益
0.865e/ADU
读出速度
40KHz（16Bit）
读出噪声
5.518e（1xgain）/3.756e（4xgain）
以上资料来源为Photometrics于1994年9月29日提供的CCD系统最终测试报告和1995年2月3日提供的系统改进后的测试报告
图8为厂家1995年2月3日提供的最终测试报告中的CCD量子效率
该CCD采用液氮制冷，由于原厂的杜瓦瓶的低温维持时间太短（～8hrs），现用的杜瓦瓶是在北京天文台冉隆均主持下在国内制造的，维持时间约24小时。
CCD杜瓦瓶固定于照相机焦平面处，由一根短电缆与固定在光谱仪外壳上的CCD控制器CE200相连，CE200通过一根20米长的电缆与控制室内的计算机和接口板相连。
2.导星CCD（STARI）
导星CCD采用的是美国Photometrics公司的STARI系统，它使用液体循环式电制冷（LC200），CCD芯片为ThomsonTH7883科研级芯片，384x576像元，像元尺寸为23x23，控制器代有图像缓存、视频显示和鼠标控制功能。
附表列出了STARI的详细性能。
CCD芯片
TH3883科研级
像元数
384x576
像元尺寸
23x23
工作温度
-45°C
暗流
5e（gain1）
平均bias
50.4ADU
增益
40.10e/ADU（gain1）9.72e/ADU（gain4）
读出噪声
24.06e（gain1）17.21e/（gain4）
A/D限
164ke（gain1）
资料来源为Photometrics公司于1994年5月20日所做的系统最终测试报告
STARI的CCD头和LC200液体循环系统都位于光谱仪本体之上，其余部分（包括控制器、鼠标和监视器）都位于控制室内，通过一根13米长的电缆与CCD头相连。
使用时要注意在未开LC200液体循环系统时不要操作CCD，另外每隔一段时间（3-6个月）要检查一下LC200中冷却液的消耗情况，消耗超标要及时补充。
图8TEK1024CCD的量子效率
11计算机及计算机卡
OMR光谱仪自带一台计算机用于主CCD（TEK1024）的数据采集和光谱仪的自动控制。
计算机为GATEWAY2000PENTIUM60，8MRAM，750M硬盘。
目前使用的所有相关软件都在DOS环境下运行。
为了实现对光谱仪的自动控制和数据传递，计算机中安装了数个专用的插卡，它们的基本功能如下：
--ComputerBoards,Inc.CIO-DAS08,8通道模拟输入，3个计数器，31位I/O。
用于对光谱仪的控制。
--ParadiseAccelerator24显卡：
这是Photometrics公司CCD9000软件的指定显卡。
--Photometrics，Ltd.AT总线接口卡：
用于CH260与光谱仪的通信。
--USDIGITALAD2RS232接口：
用于光栅位置绝对码盘与计算机串口的通信。
12主控台
主控台位于控制室内，是使用者对光谱仪进行遥控操作的基本工具。
它通过一根20米长的屏蔽电缆与光谱仪直接相连，另有一根来自光谱仪本体的电源线为其提供12VDC的电源和良好的接地。
主控台与计算机相邻放置，由一根扁平电缆连接主控台上的DB37接口和计算机的CIO-DAS08卡。
无论计算机是否打开，利用主控台都可以实现对光谱仪的所有操作。
13电源与电机
为整个光谱仪供电的电源固定于光谱仪的外壳之上，电源的生产厂家是ACDCElectronics,Inc.,型号为ECV151。
它的工作电压为115-240VAC，47-440Hz，输出为5VDC，2A和12VDC，4A。
OMR光谱仪中使用了两种电机，一种是最大工作电压为12V的小直流电机（Maxon,Inc.,P/N41.016.026）,其无负载电流为100毫安，转速由电压控制，另一种电机是用于驱动光栅转动的步进电机，它工作于微步进，（microstepping）模式（50000步/rev.），工作电压也是12VDC。
14电路，编码器和读出
现将OMR光谱仪中的电路系统列出：
1.光谱仪的功能支持与控制
A.导星调焦
B.缝宽
C.定标灯选择
D.定标反光镜控制
E.滤光片位置
F.快门
G.准直镜调焦
H.光栅转动
I.CIO-DAS08卡
J.电源
K.控制主控台
L.电缆
2.CCD系统的功能支持与控制
A．STARICCD
1控制器/STARI控制操作系统
2鼠标
3视频输出
4电缆
B.CH260CCD（主CCD）
1CE200控制器/温控装置
2AT总线计算机接口卡
3电缆
3.计算机
A.PENTIUM计算机系统
B.SPEC控制软件
C.CH260CCD数据采集与控制软件包（CCD9000）
以上各电路系统的详细资料请见电路图集成（可向国家天文台科技处借阅）
编码器（多为电位器）负责提供位置信息，其读数通过主控台上的数字电压表显示，或通过一个12比特接口卡传到计算机。
编码器的参考电压为10V。
--狭缝宽度：
10K欧，10转电位器，读出的单位为毫米（主控台上显示的1.00即为100微米）
--滤光片位置：
代表滤光片位置的二进制码在主控台或SPEC软件中被转换成十进制码，1代表空位置
--准直镜调焦位置：
由一个线性20K欧电位器编码，读数没有单位。
--光栅指示：
原理与滤光片位置指示相同，主控台上的4个LED分别对应最初订货时的4块光栅（对应关系见“光栅及光栅驱动机构”一节表格中的光栅代号），光栅指示机构能够识别的最多光栅数为7块。
--光栅转角：
主编码器为一绝对码盘（USDigitalCorp.,ModelA2）,其分辨率为每转60000，同时还有一个10-转电位器辅助绝对码盘并为主控台提供较粗略的读数。
SPEC软件利用A2码盘的读数将光栅转角转换为轴上波长。
15光学系统
1.缝前光学系统
A定标灯光学系统
1定标灯聚光镜：
4个，石英或派勒克斯玻璃，直径25mm，焦距38mm，未镀膜
2转像镜：
镀铝
3场镜：
石英玻璃，直径38mm，焦距64mm，未镀膜
4狭缝反光镜：
镀铝
B导星反光系统
1狭缝反光镜:
镀铝，面型精度为1/4波长
2传递透镜：
直径50mm，焦距260mm，双胶合消色差，镀膜
3聚焦透镜：
直径36mm，焦距85mm，双胶合消色差，镀膜
2.狭缝刀口：
1/4波长平面，不锈钢本体，表面镀铝，与望远镜的光轴成70°放置，有效面积32.8mmx38mm。
3.滤光片：
六个位置，25x25mm滤光片，除空位置外分别为Corning4-71,SchottBG-37,BG-39,GG-475,RG-695。
4.准直镜：
由派勒克斯玻璃磨制的离轴抛物面反光镜，焦距674mm，有效口径110mm，离轴角为8.1°，镀铝。
5.光栅：
镀铝的平面反射光栅，原料为派勒克斯玻璃。
光栅代号
单位刻线数（lp/mm）
刻线面积（mm）
色散（A/mm）
分辨率（A/pixel）
1级闪耀波长（A）
1
150
90x90
400
～9.6
5000
2
300
90x90
200
～4.8
8000
3
600
102x102
100
～2.4
6500
4
1200
102x102
50
～1.2
8000
5
300
102x102
200
～4.8
4224
6
1200
102x102
50
～1.2
4000
6.照相机：
焦距150mm,F/1.5,施密特-卡塞格林系统，由熔石英制成，工作距离约16毫米
光栅代号
单位刻线数（lp/mm）
刻线面积（mm）
色散（A/mm）
分辨率（A/pixel）
1级闪耀波长（A）
1
150
90x90
400
～9.6
5000
2
300
90x90
200
～4.8
8000
3
600
102x102
100
～2.4
6500
4
1200
102x102
50
～1.2
8000
5
300
102x102
200
～4.8
4224
6
1200
102x102
50
～1.2
4000
照相机：
D=100mm，f=150mm，Schmidt-Cassegrain式，有效视场25mm
主CCD：
TEK1024x1204背照明CCD芯片，ARCoated,液氮制冷
导星CCD：
PhotometricsSTARICCD,TH7883科研级芯片（385x576，23），液体循环制冷，实际导星视场3.0′x4.5′。
制造商：
OPTOMECHANICSRESEARCH,Inc
P.O.Box87
Vail,AZ85641
USA
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