The VTT Helioseismology Concept with HELLRIDE and CARMA J.Staiger , KIS Freiburg

The VTT Helioseismology Concept

with HELLRIDE and CARMA

J.Staiger, KIS Freiburg


KIS Helioseismology Group:

Markus RothGisela BaumannHanspeter DoerrKolja GlogowskiWiebke HerzbergAriane SchadAneta WisniewskaWolfgang ZimaJoachim Staiger


KIS Helioseismology Research:

- Global / Local Helioseismology- Seismology of Stars

- Waves in the Solar Atmosphere (new)

The VTT Helioseismology ConceptVacuum Tower Telescope

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE

The VTT Helioseismology ConceptCARMA



Current Operation: Primary KIS Observing Facility

Future Option: Observing time available

VTT advantage: Established technology


Primary VTT Scientific Target:

Observation of atmospheric waves at fine-grained vertical resolution with large FOV


Instrument Requirements:

Multiline Operation


New Instrument:

Etalon-based 2D-Spectrometer HELLRIDE

HELioseimic Large Regions Interferometric DEvice


Development Focus:

Low Number of Optical Components

Easy Handling

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Dual Etalon Configuration

Manufacturer: IC Optical

Spectral Range: 530 nm – 860 nm

Gaps: 1.4 , 0.25 mm

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Dual Etalon Configuration

Manufacturer: IC Optical

Spectral Range: 530 nm – 860 nm

Gaps: 1.4 , 0.25 mm

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Collimated Beam Layout

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Cartesian Filter-“Wheel“

Dual Stepper Drive

Spatial resolution: 0.0004 mm

16 Filter Mounts


HELLRIDE Test 2009

16 Spectral Lines , 60 sec Cadence

Spectral Lines: 517.2 nm Mg I 20 Scansteps538.0 nm C I 15 Scansteps538.1 nm Fe I 15 Scansteps538.2 nm Ti I 15 Scansteps543.4 nm Fe I 10 Scansteps557.6 nm Fe I 20 Scansteps589.6 nm Na I 30 Scansteps590.0 nm Na I 30 Scansteps630.1 nm Fe I 20 Scansteps630.15 nm Telluric 15 Scansteps630.2 nm Fe I 15 Scansteps654.5 nm H-Alpha 25 Scansteps632.0 nm He-Ne 15 Scansteps709.1 nm Fe I 20 Scansteps777.1 nm Fe I 20 Scansteps777.2 nm Fe I 10 Scansteps


HELLRIDE Test Setup 2009

Multilevel P-Mode evidence

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Camera Mount

4-Axis Mount

CCD: Dalsa 1M30

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Synthetic Aperture

Goal: Enlarge CCD FOV (100“ square)

Procedure: Tiling

Test: 300“ square2 Bands60 sec cadence

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Velocity Drift Compensation

Laser mounted to filter-matrix

Laser-line scanne like absorption line

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Velocity Drift Compensation

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: Embedded Device Simulation

-

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features (future): Fast Filter Displacement

-

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features (future): Realtime Velocity Maps

Goal: Storage ReductionSpeed ImprovementQuality MonitoringRemote Operation

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features (future): Remote Control

Motivation: Easy AdjustmentsRemote MaintenanceDevice-VTT CouplingRemote Operation

Properties: TCP/IPBerkley Unix SocketsHTTP-type ASCII Protocol

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features (future): Online Support Docu

-

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features (future): Tablet Usage

-

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features (future): Tablet Usage

-

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: New Finesse Procedure

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features: New Finesse Procedure

Adjust Plate Parallelity

No Scanning

Few Components

The VTT Helioseismology ConceptHELLRIDE Instr. Features (future): ‘Abs. Heliographic Pointing‘

-Problem: Slow lateral FOV drifts with time

Origin: Unbalanced thermal loads

Approach: Project CARMA


HELLRIDE in service now at VTT


First campaign dedicated to doctoral thesis


Enhanced Telescope Pointing:

Project CARMA

Correlative Area MAtching


CARMA Motivation:

Image Drift Problem:

Slow Migration of FOV with time,

Not compensated by Telescope Guiding


CARMA Motivation:

Not a problem for pronounced features

But a problem for quiet sun observations

And a problem for synchronized observations.


VTT Drift Numerical Example:


Problem Source:

Guiding Beam not identical to Main Beam


CARMA Hypothesis:

Continuum brightness fluctuations are unique position identificator


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 NachführungKomponenten:

Optomechanik: Primärspiegel mit radialer Bahnführung


Optomechanik: Primärspiegel mit radialer Bahnführung


Optomechanik: Sekundärspiegel mit kardanischer Halterung


Optomechanik: Auskoppelspiegel mit Halterung (Spinne)


Optomechanik: Kreuztisch mit Segment- und Umlenkspiegeln

VTT NachführungÜbersichtsdiagramm:

VTT NachführungFunktionsprinzip:

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 NachführungBereich Komponente Resultierendes ProblemOptomechanik Mechanische Belastung Vibrationen

Thermische Belastung Bildfeld-Drift

Streulicht Verlängerte AnsprechzeitStationäre Ablage

Antriebe Drehgeber Fehlerhafte InitialisierungFehlerhafte Geschwindigkeiten

Reibung Achs-Stillstand

Abnutzung Mechanisches Spiel

Controller Total-Ausfall

Motoren Total-Ausfall

Regelkreis Sensorik Total-Ausfall

Software Resonanz

Rechner Hardware Total-Ausfall










Software Resonanz











Software Resonanz











Software Resonanz


VTT NachführungMögliche Problemquelle: Regelkreis-Software

Kein Absturz bisher zurückzuführen auf mangelnde

Dauerlauf-Eigenschaften

Regelungsqualität normalerweise nur beschränkt durch Seeing

Erreichbare Regelungsgüte: < 0.2“

VTT NachführungMögliche Problemquelle: Streulicht

VTT NachführungMögliche Problemquelle: Streulicht

VTT NachführungProblemübersicht:

kein Streulichtproblem

kein Regelkreisproblem

VTT NachführungProblemübersicht:

Handhabung

Antriebs-Alterungsproblem

Langzeit-Stabilitätsproblem

VTT NachführungVorgesehene 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


VTT Nachführung

Neue Motorsteuerung

Bezeichung: Hydra

Interface: RS232 / Netzwerk

Commands: ASCII Set

Lieferant: PI MICOS

Anwendungen: Präzisionsoptik

Chip-Fertigung

KIS-Erfahrung: HELLRIDE

VTT Nachführung


Ergebnis:

VTT Nachführung


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


Schrittweise Vorgehensweise:Austausch Controller

Austausch Motoren / Drehgeber

Austausch Mechanik

Vorteile: kurze Ausfallzeiten

Rückbau in kurzer Zeit möglich

VTT Nachführung


weitere Kandidaten: Feinnachführung

Kreuztisch

HELLRIDE

Grobantriebe Sekundärspiegel

VTT Nachführung

Langzeit-Stabilität: Neues Pointing-Modell

VTT Nachführung


Annahmen: 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


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: Neues Pointing-Modell

Limb Guider Neues Verfahren

VTT Nachführung


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


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


Erstmals Closed-Loop Betrieb im Hauptstrahlengang erreichbar

VTT Nachführung


Eigenschaften: Sehr einfache Hardware

keine Kopplung mit Hauptteleskop

gemeinsame Nutzung durch mehrere Teleskope

Triangulation

VTT Nachführung


Planung 2013: Near-Realtime GONG Zugriff

Synchronisationstest mit ext.Obs.

Testmodul für Helioseismologie am VTT

VTT Nachführung


VTT Nachführung


Planung 2013: 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

HELLRIDEDokumentation:

1. User Manual

1.1 Bedienungsanleitung

1.2 GUI Beschreibungen

2. Software Manual

2.1 Beschreibung der Einzel-Routines

2.2 Aufbau der Software

HELLRIDEDemo:

1. Vorbereitung einer Messung

2. Durchführung einer Messung

VTT MULTILINE SPECTROMETER

Project Presentation: J.Staiger Jan. 14 2010

VTT Campaign July 2009

Findings: Fine Grained Frequency Shift with Height

Ridges / Rings visible in all Layers


Project Presentation: J.Staiger Jan. 14 2010

Online Gap Monitoring

Method: Laser Line Scanning

Result: Online Drift Compensation Possible

VTT MULTILINE SPECTROMETERPlate Parallelism


Documents

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