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The VTT Helioseismology Concept
with HELLRIDE and CARMA
J.Staiger, KIS Freiburg
The VTT Helioseismology Concept
KIS Helioseismology Group:
Markus Roth
Gisela Baumann
Hanspeter Doerr
Kolja Glogowski
Wiebke Herzberg
Ariane Schad
Aneta Wisniewska
Wolfgang Zima
Joachim Staiger
The VTT Helioseismology Concept
KIS Helioseismology Research:
- Global / Local Helioseismology
- Seismology of Stars
- Waves in the Solar Atmosphere (new)
The VTT Helioseismology Concept
Vacuum Tower Telescope
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE
The VTT Helioseismology Concept
CARMA
The VTT Helioseismology Concept
Vacuum Tower Telescope
The VTT Helioseismology Concept
Vacuum Tower Telescope
Current Operation:
Primary KIS Observing Facility
Future Option:
Observing time available
VTT advantage:
Established technology
The VTT Helioseismology Concept
Primary VTT Scientific Target:
Observation of atmospheric waves
at fine-grained vertical resolution with large FOV
The VTT Helioseismology Concept
Instrument Requirements:
Multiline Operation
The VTT Helioseismology Concept
New Instrument:
Etalon-based 2D-Spectrometer HELLRIDE
HELioseimic Large Regions Interferometric DEvice
The VTT Helioseismology Concept
Development Focus:
Low Number of Optical Components
Easy Handling
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Dual Etalon Configuration
Manufacturer:
IC Optical
Spectral Range: 530 nm – 860 nm
Gaps:
1.4 , 0.25 mm
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Dual Etalon Configuration
Manufacturer:
IC Optical
Spectral Range: 530 nm – 860 nm
Gaps:
1.4 , 0.25 mm
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Collimated Beam Layout
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Cartesian Filter-“Wheel“
Dual Stepper Drive
Spatial resolution: 0.0004 mm
16 Filter Mounts
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Test 2009
16 Spectral Lines , 60 sec Cadence
Spectral Lines:
517.2 nm Mg I
538.0 nm C I
538.1 nm Fe I
538.2 nm Ti I
543.4 nm Fe I
557.6 nm Fe I
589.6 nm Na I
590.0 nm Na I
630.1 nm Fe I
630.15 nm Telluric
630.2 nm Fe I
654.5 nm H-Alpha
632.0 nm He-Ne
709.1 nm Fe I
777.1 nm Fe I
777.2 nm Fe I
20 Scansteps
15 Scansteps
15 Scansteps
15 Scansteps
10 Scansteps
20 Scansteps
30 Scansteps
30 Scansteps
20 Scansteps
15 Scansteps
15 Scansteps
25 Scansteps
15 Scansteps
20 Scansteps
20 Scansteps
10 Scansteps
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Test Setup 2009
Multilevel P-Mode evidence
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Camera Mount
4-Axis Mount
CCD: Dalsa 1M30
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Synthetic Aperture
Goal:
Enlarge CCD FOV (100“ square)
Procedure:
Tiling
Test:
300“ square
2 Bands
60 sec cadence
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Velocity Drift Compensation
Laser mounted to filter-matrix
Laser-line scanne like absorption line
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Velocity Drift Compensation
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
Embedded Device Simulation
-
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features (future): Fast Filter Displacement
-
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features (future): Realtime Velocity Maps
Goal:
Storage Reduction
Speed Improvement
Quality Monitoring
Remote Operation
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features (future): Remote Control
Motivation:
Easy Adjustments
Remote Maintenance
Device-VTT Coupling
Remote Operation
Properties:
TCP/IP
Berkley Unix Sockets
HTTP-type ASCII Protocol
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features (future): Online Support Docu
-
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features (future): Tablet Usage
-
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features (future): Tablet Usage
-
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
New Finesse Procedure
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features:
New Finesse Procedure
Adjust Plate Parallelity
No Scanning
Few Components
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE Instr. Features (future): ‘Abs. Heliographic Pointing‘
-
Problem:
Slow lateral FOV drifts with time
Origin:
Unbalanced thermal loads
Approach:
Project CARMA
The VTT Helioseismology Concept
HELLRIDE in service now at VTT
The VTT Helioseismology Concept
First campaign dedicated to doctoral thesis
The VTT Helioseismology Concept
Enhanced Telescope Pointing:
Project CARMA
Correlative Area MAtching
The VTT Helioseismology Concept
CARMA Motivation:
Image Drift Problem:
Slow Migration of FOV with time,
Not compensated by Telescope Guiding
The VTT Helioseismology Concept
CARMA Motivation:
Not a problem for pronounced features
But a problem for quiet sun observations
And a problem for synchronized
observations.
The VTT Helioseismology Concept
VTT Drift Numerical Example:
The VTT Helioseismology Concept
Problem Source:
Guiding Beam not identical to Main
Beam
The VTT Helioseismology Concept
CARMA Hypothesis:
Continuum brightness fluctuations are unique position identificator
The VTT Helioseismology Concept
CARMA Test Results 2012 with SDO:
BEOBACHTUNGEN MIT DEM VTT
- Erneuerung der Steuerung
- Neue instrumentelle Nutzungsmöglichkeiten
Helioseismologie (HELLRIDE)
Präzisions-Pointing (CARMA)
VTT Nachführung
Aufgabenstellung der Nachführung
Anfahren einer heliographischen Position
Fixieren der Position
VTT Nachführung
Probleme
Initialisierung
Betriebs-Stabilität
Langzeit-Genauigkeit
VTT Nachführung
Komponenten:
Optomechanik:
Primärspiegel mit radialer Bahnführung
VTT Nachführung
Komponenten:
Optomechanik:
Primärspiegel mit radialer Bahnführung
VTT Nachführung
Komponenten:
Optomechanik:
Sekundärspiegel mit kardanischer Halterung
VTT Nachführung
Komponenten:
Optomechanik:
Auskoppelspiegel mit Halterung (Spinne)
VTT Nachführung
Komponenten:
Optomechanik:
Kreuztisch mit Segment- und Umlenkspiegeln
VTT Nachführung
Übersichtsdiagramm:
VTT Nachführung
Funktionsprinzip:
Bestimmung der Full-Disk Position durch Sonnenrandsensor
Rückführung der Ablage auf Sekundärspiegel
Closed-Loop Betrieb nur im Guiding-Strahlengang möglich
VTT Nachführung
VTT Langzeitdrift
VTT Nachführung
VTT Langzeitdrift
VTT Nachführung
Hinode Drift
VTT Nachführung
Bereich
Komponente
Resultierendes Problem
Optomechanik
Mechanische Belastung
Vibrationen
Thermische Belastung
Bildfeld-Drift
Streulicht
Verlängerte Ansprechzeit
Stationäre Ablage
Drehgeber
Fehlerhafte Initialisierung
Fehlerhafte Geschwindigkeiten
Reibung
Achs-Stillstand
Abnutzung
Mechanisches Spiel
Controller
Total-Ausfall
Motoren
Total-Ausfall
Sensorik
Total-Ausfall
Software
Resonanz
Hardware
Total-Ausfall
Antriebe
Regelkreis
Rechner
VTT Nachführung
Bereich
Komponente
Resultierendes Problem
Optomechanik
Mechanische Belastung
Vibrationen
Thermische Belastung
Bildfeld-Drift
Streulicht
Verlängerte Ansprechzeit
Stationäre Ablage
Drehgeber
Fehlerhafte Initialisierung
Fehlerhafte Geschwindigkeiten
Reibung
Achs-Stillstand
Abnutzung
Mechanisches Spiel
Controller
Total-Ausfall
Motoren
Total-Ausfall
Sensorik
Total-Ausfall
Software
Resonanz
Hardware
Total-Ausfall
Antriebe
Regelkreis
Rechner
VTT Nachführung
Bereich
Komponente
Resultierendes Problem
Optomechanik
Mechanische Belastung
Vibrationen
Thermische Belastung
Bildfeld-Drift
Streulicht
Verlängerte Ansprechzeit
Stationäre Ablage
Drehgeber
Fehlerhafte Initialisierung
Fehlerhafte Geschwindigkeiten
Reibung
Achs-Stillstand
Abnutzung
Mechanisches Spiel
Controller
Total-Ausfall
Motoren
Total-Ausfall
Sensorik
Total-Ausfall
Software
Resonanz
Hardware
Total-Ausfall
Antriebe
Regelkreis
Rechner
VTT Nachführung
Bereich
Komponente
Resultierendes Problem
Optomechanik
Mechanische Belastung
Vibrationen
Thermische Belastung
Bildfeld-Drift
Streulicht
Verlängerte Ansprechzeit
Stationäre Ablage
Drehgeber
Fehlerhafte Initialisierung
Fehlerhafte Geschwindigkeiten
Reibung
Achs-Stillstand
Abnutzung
Mechanisches Spiel
Controller
Total-Ausfall
Motoren
Total-Ausfall
Sensorik
Total-Ausfall
Software
Resonanz
Hardware
Total-Ausfall
Antriebe
Regelkreis
Rechner
VTT Nachführung
Mögliche Problemquelle: Regelkreis-Software
Kein Absturz bisher zurückzuführen auf mangelnde
Dauerlauf-Eigenschaften
Regelungsqualität normalerweise nur beschränkt durch Seeing
Erreichbare Regelungsgüte: < 0.2“
VTT Nachführung
Mögliche Problemquelle: Streulicht
VTT Nachführung
Mögliche Problemquelle: Streulicht
VTT Nachführung
Problemübersicht:
kein Streulichtproblem
kein Regelkreisproblem
VTT Nachführung
Problemübersicht:
Handhabung
Antriebs-Alterungsproblem
Langzeit-Stabilitätsproblem
VTT Nachführung
Vorgesehene Verbesserungen:
Vereinfachung der Handhabung
Erneuerung der Antriebstechnik
Verbesserung Langzeit-Stabilität
VTT Nachführung
Erneuerung Antriebstechnik: Testfall Stundenantrieb
Problem:
Stundenantrieb zu schnell
Ursache:
fehlerhafte Drehgeber-Rückkopplung
Wirkung:
nach ca. 3-4 Stunden Nachführung am Limit
Lös.-Ansatz: Ausbau Stundenantrieb Dezember 2012
Anpassung an neue Motorsteuerung
Wiedereinbau und Test Januar 2013
VTT Nachführung
Erneuerung Antriebstechnik: Testfall Stundenantrieb
VTT Nachführung
Neue Motorsteuerung
Bezeichung:
Hydra
Interface:
RS232 / Netzwerk
Commands:
ASCII Set
Lieferant:
PI MICOS
Anwendungen:
Präzisionsoptik
Chip-Fertigung
KIS-Erfahrung:
HELLRIDE
VTT Nachführung
Erneuerung Antriebstechnik: Testfall Stundenantrieb
Ergebnis:
VTT Nachführung
Erneuerung Antriebstechnik: Testfall Stundenantrieb
noch zu klären:
Reset nach 45 Min. erforderlich
Dauer:
14 sec
Ursache:
Linear Count Overflow
Zwischenlösung:
Feinnachführung als temp. Hourdrive
Beseitigung:
in 2 – 3 Monaten
VTT Nachführung
Erneuerung Antriebstechnik: Testfall Stundenantrieb
Schrittweise Vorgehensweise:Austausch Controller
Austausch Motoren / Drehgeber
Austausch Mechanik
Vorteile:
kurze Ausfallzeiten
Rückbau in kurzer Zeit möglich
VTT Nachführung
Erneuerung Antriebstechnik: Testfall Stundenantrieb
weitere Kandidaten:
Feinnachführung
Kreuztisch
HELLRIDE
Grobantriebe Sekundärspiegel
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Neues Pointing-Modell
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Annahmen:
Neues Pointing-Modell
1. Solare Oberflächenstrukturen sind
Lage-invariant in Bezug auf die Auflösung
des beobachtenden Teleskopes
2. Solare Kontinuums-Fluktuationen können bei
geringer Auflösung durch Zufalls-Verteilungen
beschrieben werden.
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Neues Pointing-Modell
Test Juli 2012: Simultane Beobachtungen am VTT mit SDO
Detektor:
HELLRIDE CCD:
Objekte:
- Sonnenmitte
- Fleck
- Sonnenrand
Ergbnis:
Klares Korrelations-Signal über mehrere Stunden
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Limb Guider
Neues Pointing-Modell
Neues Verfahren
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Neues Pointing-Modell
Test Okt. 2012:Simultane Beobachtungen mit VTT / GONG
Udaipur / Izana / Cerro Tololo / SDO
- Sonnenmitte
- Sonnenrand
Ergbnis:
Korrelations-Signal bei allen drei GONG
Teleskopen
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Neues Pointing-Modell
Vergleich mit üblicher Sonnenmitte-Prozedur:
Start-Kalibration:
ca. 5 sec
Update-Kalibration: ca. 100 ms
Im Dauerbetrieb um Faktor ca. 500 schneller
Keine Teleskopbewegung erforderlich
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Neues Pointing-Modell
Erstmals Closed-Loop Betrieb im Hauptstrahlengang erreichbar
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Eigenschaften:
Neues Pointing-Modell
Sehr einfache Hardware
keine Kopplung mit Hauptteleskop
gemeinsame Nutzung durch mehrere
Teleskope
Triangulation
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Planung 2013:
Neues Pointing-Modell
Near-Realtime GONG Zugriff
Synchronisationstest mit ext.Obs.
Testmodul für Helioseismologie am VTT
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Neues Pointing-Modell
VTT Nachführung
Langzeit-Stabilität:
Planung 2013:
Neues Pointing-Modell
Test der Eignung für schnellen Flare-Zugriff
HELLRIDE
Filtermatrix:
Filterhalterungen:
16
X-Y Positionierung:
0.0005 mm
Kippung:
0.2 Deg.
HELLRIDE
Wissenschaftliche Nutzung:
Solarer Energietransfer:
MHD-Wellen
HELLRIDE
VTT Nutzung 2013
Aneta Wisniewska:
Vertikale Wellenausbreitung
Markus Roth:
Akustische Halos
Joachim Staiger:
Neue Nachführ-Techniken
HELLRIDE
Beobachtungen
Ziel:
Bestimmung von Plasma-Geschwindigkeiten
Verfahren:
Messung der Doppler-Verschiebung von Spektrallinien
HELLRIDE
Dokumentation:
1. User Manual
1.1 Bedienungsanleitung
1.2 GUI Beschreibungen
2. Software Manual
2.1 Beschreibung der Einzel-Routines
2.2 Aufbau der Software
HELLRIDE
Demo:
1. Vorbereitung einer Messung
2. Durchführung einer Messung
VTT MULTILINE SPECTROMETER
VTT Campaign July 2009
Findings:
Fine Grained Frequency Shift with Height
Ridges / Rings visible in all Layers
Project Presentation:
J.Staiger Jan. 14 2010
VTT MULTILINE SPECTROMETER
Online Gap Monitoring
Method:
Laser Line Scanning
Result:
Online Drift Compensation Possible
Project Presentation:
J.Staiger Jan. 14 2010
VTT MULTILINE SPECTROMETER
Plate Parallelism
VTT MULTILINE SPECTROMETER