CN106097864A - 一种模拟恒星Doppler视向速度的实验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟测量恒星Doppler视向速度的实验装置与方法。该装置包含模拟光源、分束器、转盘、回射胶带、电机及其控制系统、光开关和光纤及耦合系统。用卤钨灯和碘蒸气吸收池模拟类似恒星谱线；转盘在电机及其控制系统的驱动下高速旋转，转盘倾斜放置用于产生需要的视向方向速度，转盘上的回射胶带沿视向方向使光束反转并耦合进入光纤，在出射端进入待测测量系统。光开关用于控制光束通过或不通过转盘从而实现发生或未发生Doppler频移两种状态。该实验装置实现了在实验室环境下模拟恒星Doppler视向速度，具有体积小、重量轻、速度连续可调等优点，适合作为在实验室条件下模拟恒星发生Doppler红移或蓝移情况的速度变化。
Description
技术领域
本发明属于一种模拟实验方法，具体涉及一种通过物体发生相对运动引起光谱发生频移来模拟恒星运动产生视向速度的实验方法。
背景技术
通过测量恒星视向速度的微小的周期性变化是天文学领域用来寻找系外行星、测量宇宙膨胀速度和基本物理常数细微变化的一种重要方法。这种测量方法的基本原理是多普勒效应，它表示由于波源与观察者之间存在相对运动，使观察者感到频移发生变化的现象。通过测量视向方向上的光源光谱发生的频移量即可反演出恒星沿视向方向的瞬时速度。光谱频移量的测量通常使用超高分辨率光谱仪来实现。
目前尚未在专利或文献资料上查阅到在实验室环境下模拟恒星视向速度的方法。高精度光谱仪在经过超高精度的光谱定标后通常在地基天文台与大型望远镜结合直接观测标准星来检验光谱仪的各项性能并进行同步定标，这将占用大型望远镜的一部分观测时间，并且准备时间长，运行成本高。这种需要借用大型望远镜开展测试工作的情形不适合光谱仪研制单位在普通实验室来检验光谱仪的测量性能。虽然可以在实验室条件下通过改变光源光谱波长或频率的方式来产生频移，但由于速度变化通常只产生极其微小的频率变化，使得光源的光谱变化无法精确测量，从而对光谱仪器的测量精度产生很大误差或者无法判定。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题而提出了一种在实验室条件下模拟恒星Doppler视向速度的装置与方法。该方法能较为真实的模拟恒星在视向方向上的运动而引起光谱发生波长或频率移动的情形。
本发明采用的技术方案是：一种模拟恒星Doppler视向速度的实验装置，包括白光卤钨灯光源、准直物镜、碘蒸气吸收池、分束器、光开关、回射胶带、转盘、电机、控制器、转速表和光纤及耦合系统。发出连续白光的卤钨灯经过准直物镜的准直后通过碘蒸气吸收池后产生类似恒星的大气吸收光谱，光束穿过分束器后入射至转盘上，电机驱动转盘高速旋转产生速度，电机控制器控制电机速度产生连续变化。转盘沿光束传输方向以一定角度倾斜放置，转盘上的回射胶带使入射光束按原路返回，分束器将带有Doppler速度信息的光束耦合入光纤并在出射端传出进入待测测量系统。光开关用来控制光束产生或不产生Doppler速度信息；转盘以与光束入射成某一角度倾斜放置，转盘由电机驱动高速旋转，电机控制器控制转动速度连续变化。转盘上粘贴有回射胶带，回射胶带将入射的光束按原路反射回分束器来模拟视向方向速度；入射至转盘的光束落在转盘或回射胶带的边缘，以模拟获得最大量程的视向速度；在分束器和转盘的光路之间放置有可以90度角切入或退出光路的光开关，光开关上粘贴有同样类型的回射胶带；电机可连续调速并且可以顺时针或逆时针旋转，用以模拟恒星光谱的红移或蓝移运动。
本发明还提供一种模拟恒星Doppler视向速度的实验方法，发出连续白光的卤钨灯通过碘蒸气吸收池后产生类似恒星的大气吸收光谱，光束穿过分束器后入射至转盘上，电机驱动转盘高速旋转产生速度，电机控制器控制速度产生连续变化，转盘沿光束传输方向以一定角度倾斜放置，转盘上的回射胶带使入射光束按原路返回，分束器将带有Doppler速度信息的光束耦合入光纤并在出射端进入待测测量系统，光开关控制光束产生或不产生Doppler速度信息。
其中，所述转盘以与光束入射成某一角度倾斜放置，转盘由电机驱动高速旋转，电机控制器控制转动速度连续变化，转盘上粘贴有回射胶带，回射胶带将入射的光束按原路反射回分束器来模拟视向方向速度。
其中，入射至转盘的光束落在转盘或回射胶带的边缘，以模拟获得最大量程的视向速度。
其中，在分束器和转盘的光路之间放置有以90度角切入或退出光路的光开关，光开关上粘贴有同样类型的回射胶带。
其中，电机可连续调速并且可以顺时针或逆时针旋转，用以模拟恒星光谱的红移或蓝移运动。
本发明有以下优点：本套实验装置使用方便、成本低；能在实验室条件下模拟恒星发生Doppler运动产生的视向速度变化而无需借助天文台大型望远镜实际观测标准星；产生的速度量实时可控并且可以模拟恒星蓝移或红移两个方向，不受时间、空间条件限制；产生的速度精度高并可以实时监控。
附图说明
图1为本发明模拟测量恒星Doppler视向速度实验装置的结构图。
图2为光束与转盘几何关系图。
图中附图标记含义为：1为白光光源卤钨灯，2为准直物镜，3为碘吸收池，4为分束器，5为光开关，6为回射胶带，7为转盘，8为电机，9为控制器，10为转速显示器，11为光纤及耦合系统。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
参照图1，一种模拟测量恒星Doppler视向速度实验装置，包括白光光源卤钨灯1，准直物镜2，碘吸收池3，分束器4、光开关5、回射胶带6、转盘7、电机8、控制器9、转速显示器10、光纤及耦合系统11。其中：
卤钨灯1，作为白光光源，用于产生连续背景白光；
准直物镜2，用于将卤钨灯1出射的光束准直。
碘蒸气吸收池3，作为吸收源，用于产生吸收光谱，放置在所述卤钨灯1之后与其组成恒星光谱模拟系统，形成背景白光中分离的多条与吸收源相关的本征暗光谱。
分束器4，分光界面为透过率和反射率为1:1的分光膜，在入射端将光束准直后传输至后续系统，并将后续系统反射回的光束传输至光纤11的入射端。
光开关5，放置在分束器4与Doppler转盘7之间，可以90度角切入或退出光路，其上粘贴有回射胶带6。
回射胶带6，为一种由微棱镜晶体组成反射面的胶带，用于将入射的光束按原方向反射。
转盘7，放置在所述光开关5之后，在电机8的驱动下转动。其边缘上粘贴有环形回射胶带6。
电机8，载有所述的Doppler转盘7，并与电机控制器9相连，由电机控制器9控制产生所需的转动速度和方向。
控制器9，与电机8和转数显示器9相连，用于控制电机8的转动状态并将速度脉冲信号传输至转数显示器。
转数表10，与电机8控制器9相连，用于实时显示电机8的转动速度，单位为每分钟内转动的圈数。
光纤及耦合系统11，用于将从Doppler转盘7或光开关5回射的光束传输至测试端口。
卤钨灯1与碘吸收池2组成恒星光谱模拟系统，回射胶带6、电机8、电机控制器9和转数表10组成Doppler速度信号发生装置，环形胶带粘贴在Doppler转盘7边缘。电机控制器9控制电机8的转动速度和方向，转速脉冲信号传输至读数显示器并读出。
参照图2，设入射到转盘7上的光束中心点为I，转盘7圆心为O，O点与I点之间的距离为L，单位为米，I点所在的半径为OB。光束与转盘7的夹角为：α，与其在转盘7平面上的投影直线之间的夹角；光束投影与OB的夹角为β。转盘7的转速为Ω，单位为转数/分钟，则转盘7对光束产生的Doppler速度为：单位为米/秒。
本发明模拟试验方法：
使卤钨灯1通电并保持30分钟，用灯罩选取一部分通光口径的光束通过准直物镜2准直后进入碘吸收池3的玻璃窗口，碘吸收池3使用加热片均匀加热至50℃。调整光路使光束穿过碘吸收池3和分束器4，调整电机8和转盘7的位置使光斑落在回射胶带6的外边缘部分，并使转盘7与光束成某一角度。连接电机8与控制器9和转速表10，利用控制器9可控制电机8的转动方向和速度。在分束器4与转盘7之间放置光开关5，光开关5上粘贴有回射胶带6，光开关5可远程控制以90度插入或退出光路。从转盘7或光开关5返回的光束重新返回到分束器4内，然后被反射并耦合进入光纤11，光纤11的出射端即可连接各种测量仪器。当光开关5为退出光路状态时，光束入射到转盘7上，经过转盘7的调制，带有Doppler速度信息的光束被传输至光纤11的出射端。当光开关5为切入光路状态时，光束入射到光开关5上，被直接反射回分束器4，在光纤11的出射端为不携带Doppler速度信息。光开关5两种状态传出的光束信息测量的差值即为实时Doppler速度。
Claims (6)
1.一种模拟恒星Doppler视向速度的实验装置，其特征在于：包括白光卤钨灯光源(1)、准直物镜(2)、碘蒸气吸收池(3)、分束器(4)、光开关(5)、回射胶带(6)、转盘(7)、电机(8)、控制器(9)、转速表(10)和光纤及耦合系统(11)，发出连续白光的卤钨灯(1)经过准直物镜(2)的准直后通过碘蒸气吸收池(3)后产生类似恒星的大气吸收光谱，光束穿过分束器(4)后入射至转盘(7)上，电机(8)驱动转盘(7)高速旋转产生速度，电机控制器(9)控制电机(8)速度产生连续变化，转盘(7)沿光束传输方向以一定角度倾斜放置，转盘(7)上的回射胶带(6)使入射光束按原路返回，分束器(4)将带有Doppler速度信息的光束耦合入光纤(11)并在出射端传出进入待测测量系统，光开关(5)用来控制光束产生或不产生Doppler速度信息；转盘(7)以与光束入射成某一角度倾斜放置，转盘(7)由电机(8)驱动高速旋转，电机控制器(9)控制转动速度连续变化，转盘(7)上粘贴有回射胶带(6)，回射胶带(6)将入射的光束按原路反射回分束器(4)来模拟视向方向速度；入射至转盘(7)的光束落在转盘(7)或回射胶带(6)的边缘，以模拟获得最大量程的视向速度；在分束器(4)和转盘(7)的光路之间放置有可以90度角切入或退出光路的光开关(5)，光开关(5)上粘贴有同样类型的回射胶带(6)；电机(8)可连续调速并且可以顺时针或逆时针旋转，用以模拟恒星光谱的红移或蓝移运动。
2.一种模拟恒星Doppler视向速度的实验方法，其特征在于，发出连续白光的卤钨灯(1)通过碘蒸气吸收池(2)后产生类似恒星的大气吸收光谱，光束穿过分束器(4)后入射至转盘(7)上，电机(8)驱动转盘(7)高速旋转产生速度，电机控制器(9)控制速度产生连续变化，转盘(7)沿光束传输方向以一定角度倾斜放置，转盘(7)上的回射胶带(6)使入射光束按原路返回，分束器(4)将带有Doppler速度信息的光束耦合入光纤(11)并在出射端进入待测测量系统，光开关(5)控制光束产生或不产生Doppler速度信息。
3.根据权利要求2所述的模拟恒星Doppler视向速度的实验方法，其特征在于：所述转盘(7)以与光束入射成某一角度倾斜放置，转盘(7)由电机驱动高速旋转，电机控制器(9)控制转动速度连续变化，转盘(7)上粘贴有回射胶带(6)，回射胶带(6)将入射的光束按原路反射回分束器(4)来模拟视向方向速度。
4.根据权利要求3所述的模拟恒星Doppler视向速度实验方法，其特征在于：入射至转盘(7)的光束落在转盘(7)或回射胶带(6)的边缘，以模拟获得最大量程的视向速度。
5.根据权利要求2所述的模拟恒星Doppler视向速度实验方法，其特征在于：在分束器(4)和转盘(7)的光路之间放置有以90度角切入或退出光路的光开关(5)，光开关(5)上粘贴有同样类型的回射胶带(6)。
6.根据权利要求2所述的模拟恒星Doppler视向速度的实验方法，其特征在于：电机(8)可连续调速并且可以顺时针或逆时针旋转，用以模拟恒星光谱的红移或蓝移运动。
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