RU2178899C1 - Method for measurement of magnetic field strength of self-luminous objects - Google Patents
Method for measurement of magnetic field strength of self-luminous objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2178899C1 RU2178899C1 RU2000115636A RU2000115636A RU2178899C1 RU 2178899 C1 RU2178899 C1 RU 2178899C1 RU 2000115636 A RU2000115636 A RU 2000115636A RU 2000115636 A RU2000115636 A RU 2000115636A RU 2178899 C1 RU2178899 C1 RU 2178899C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- field strength
- line
- spectral
- spectral line
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области технической физики и предназначено для измерения магнитного поля в солнечной плазме. The invention relates to the field of technical physics and is intended to measure the magnetic field in a solar plasma.
Известному методу [1] присущ ряд погрешностей вследствие принципиальных недостатков фотометра и схемы модуляции. The known method [1] has a number of errors due to fundamental shortcomings of the photometer and modulation scheme.
Наиболее близким техническим решением является способ измерения напряженности магнитного поля [2] , основанный на измерении Зеемановского расщепления спектральной линии путем трансформации вида поляризации с последующим раздвоением спектра вдоль направления дисперсии спектрографа. В этом способе модулируют пространственное положение спектральных компонент, при этом амплитуда сигнала на частоте модуляций пропорциональна напряженности магнитного поля в том участке солнечной поверхности, свет от которого проходит через входную щель спектрографа. The closest technical solution is a method of measuring the magnetic field strength [2], based on measuring the Zeeman splitting of the spectral line by transforming the type of polarization with subsequent bifurcation of the spectrum along the dispersion direction of the spectrograph. In this method, the spatial position of the spectral components is modulated, while the amplitude of the signal at the modulation frequency is proportional to the magnetic field strength in that part of the solar surface from which light passes through the entrance slit of the spectrograph.
К недостаткам прототипа следует отнести значительные световые потери на элементах электрооптического модулятора, что приводит к уменьшению чувствительности, и невозможность одновременных измерений лучевой скорости. Кроме того, известный метод трудно применять для работы с современными многоканальными фотоприемниками. Из-за малой скорости считывания (около 20-30 Гц) частота модуляции окажется слишком низкой. В результате внутренние шумы спектрографа и атмосферные нестабильности создадут ложные сигналы, совершенно искажающие результат измерений. The disadvantages of the prototype include significant light losses on the elements of the electro-optical modulator, which leads to a decrease in sensitivity, and the inability to simultaneously measure radial velocity. In addition, the known method is difficult to apply to work with modern multi-channel photodetectors. Due to the low reading speed (about 20-30 Hz), the modulation frequency will be too low. As a result, the internal noise of the spectrograph and atmospheric instabilities will create false signals that completely distort the measurement result.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение перечисленных недостатков прототипа при достижении новых качеств (сокращение времени наблюдения, одновременное измерение лучевой скорости). The proposed technical solution is aimed at eliminating the listed disadvantages of the prototype when achieving new qualities (reduction of observation time, simultaneous measurement of radial velocity).
Согласно предлагаемому способу круговую поляризацию Зеемановских компонент спектральной линии трансформируют в линейную, разнополяризованные спектральные компоненты разносят вдоль направления дисперсии спектрографа на величину, равную полуширине рабочей спектральной линии, измеряют интенсивность светового излучения на участке переналожения спектральных компонент, а также и фиолетовом и красном крыльях спектральной линии и в примыкающем к линии участке непрерывного спектра, а напряженность магнитного поля вычисляют по формуле
где Фl rb - интенсивность светового излучения на участке переналожения спектральных компонент;
Фl r, Фl b, Фc - интенсивности светового излучения в красном, синем крыльях спектральной линии и непрерывном спектре соответственно;
kH - калибровочный коэффициент.According to the proposed method, the circular polarization of the Zeeman spectral line components is transformed into a linear one, differently polarized spectral components are spread along the spectrograph dispersion direction by an amount equal to the half-width of the working spectral line, the light radiation intensity is measured at the reposition area of the spectral components, as well as the violet and red wings of the spectral line and in the adjacent to the line section of the continuous spectrum, and the magnetic field strength is calculated by the formula
where Ф l rb is the intensity of light radiation in the area of re-arrangement of spectral components;
Ф l r , Ф l b , Ф c - the intensities of light radiation in the red, blue wings of the spectral line and the continuous spectrum, respectively;
k H is the calibration factor.
Калибровочный коэффициент можно определить экспериментально, воспользовавшись одним из известных методов, (например, по авторскому свидетельству СССР 1245895 "Способ калибровки измерений напряженности магнитного поля и дифференциальной лучевой скорости", 1986, Бюлл. Изобр. 27). В этом методе калибровки [3] Зеемановское расщепление ΔλH спектральной линии вследствие действия магнитного поля известной величины Hk имитируется искусственно, при этом регистрируется соответствующий калибровочный сигнал Sk. Отношение Hk/sk в дальнейшем и используется как калибровочный коэффициент. Такая калибровка основана на известной формуле ΔλH = ±4,67×10-13λ2gH, где g - фактор Ланде, характеризующий магнитную чувствительность спектральной линии) и пригодна для любых методов измерения продольной компоненты напряженности магнитного поля. Цитированная формула общеизвестна и ее можно найти в следующих публикациях: 1) Физика космоса, под редакцией Р. А. Сюняева. М. , 1986, изд-во "Советская энциклопедия", с. 270, левый столбец. 2) В. М. Григорьев, Н. И. Кобанов "Солнечные магнитографы", сб. "Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца", 1980, вып. 52, 155, изд-во "Наука", на с. 157.The calibration coefficient can be determined experimentally using one of the known methods (for example, according to the USSR author's certificate 1245895 "Method for calibrating measurements of magnetic field strength and differential radial velocity", 1986, Bull. Inventory 27). In this calibration method [3], the Zeeman splitting of the spectral line Δλ H due to the action of a magnetic field of known magnitude H k is simulated artificially, while the corresponding calibration signal S k is recorded. The ratio H k / s k in the future and is used as a calibration factor. Such a calibration is based on the well-known formula Δλ H = ± 4.67 × 10 -13 λ 2 gH, where g is the Landé factor characterizing the magnetic sensitivity of the spectral line) and is suitable for any method of measuring the longitudinal component of the magnetic field strength. The cited formula is well known and can be found in the following publications: 1) Space Physics, edited by R. A. Syunyaev. M., 1986, publishing house "Soviet Encyclopedia", p. 270, left column. 2) V. M. Grigoriev, N. I. Kobanov "Solar magnetographs", collection of articles "Research on geomagnetism, aeronomy and physics of the Sun", 1980, no. 52, 155, publishing house "Science", on p. 157.
Идея предлагаемого метода измерений основана на том, что с изменением напряженности магнитного поля интенсивность Фl rb и сумма Фl b + Фl r меняются в противофазе. Увеличение Фl rb сопровождается уменьшением Фl b + Фl r и наоборот, увеличивая таким образом чувствительность к изменению напряженности магнитного поля.The idea of the proposed measurement method is based on the fact that with a change in the magnetic field intensity, the intensity Ф l rb and the sum Ф l b + Ф l r change in antiphase. An increase in Ф l rb is accompanied by a decrease in Ф l b + Ф l r and vice versa, thus increasing the sensitivity to a change in the magnetic field strength.
Необходимость в измерении Фс обусловлена тем, что половинная интенсивность непрерывного спектра в неявном виде присутствует при измерениях Фl b и Фl r. Если этот вклад не декомпенсировать, то возникнут проблемы с определением нуля измерительной шкалы.The need to measure Ф с is due to the fact that half the intensity of the continuous spectrum is implicit in the measurements of Ф l b and Ф l r . If this contribution is not decompensated, then there will be problems with determining the zero of the measuring scale.
На фиг. 1 представлена упрощенная оптическая схема, реализующая предлагаемый метод, где
1 - объектив телескопа;
2 - входная щель спектрографа;
3 - четвертьволновая фазосдвигающая пластина;
4 - поляризационная призма;
5 - спектрограф;
6 - многоканальный фотоприемник (CCD - линейка, CCD - матрица).In FIG. 1 presents a simplified optical scheme that implements the proposed method, where
1 - telescope lens;
2 - input slit of the spectrograph;
3 - quarter-wave phase-shifting plate;
4 - polarizing prism;
5 - spectrograph;
6 - multi-channel photodetector (CCD - line, CCD - matrix).
Объектив телескопа 1 строит изображение Солнца в плоскости входной щели спектрографа 2, через которую в спектрограф проходит свет от исследуемого участка солнечной поверхности. Поляризационная призма 4 обеспечивает разведение световых лучей в направлении дисперсии на величину, эквивалентную полуширине рабочей спектральной линии. Разнесение спектральных компонент на полуширину линии обеспечивается использованием для измерений наиболее крутых и линейных участков профиля линии, что, с одной стороны, гарантирует максимальную чувствительность к изменениям измеряемой напряженности магнитного поля, а с другой - независимость сигнала от любых совместных смещений компонент в пределах линейного участка. В фокальной плоскости спектрографа при этом получают два изображения спектра, сдвинутых один относительно другого на величину, определяемую призмой 4 и линейной дисперсией спектрографа в данном спектральном порядке. Поскольку это небольшой сдвиг, то изображения спектральной линии окажутся переналоженными на фоточувствительной поверхности многоканального фотоприемника, например CCD-линейки или матрицы. Четыре группы пикселей линейки, приходящиеся на зону переналожения спектральных компонент, красное и синее крылья спектральной линии и участок непрерывного спектра образуют четыре "электронных щели". "Электронные щели" в крыльях удалены от центральной "щели" в зоне переналожения на расстояние, равное полуширине рабочей спектральной линии. При таком расположении автоматически достигается равенство нулю сигнала, рассчитываемого по формуле (1), при нулевой напряженности магнитного поля. Суммарные заряды в каждой из этих щелей пропорциональны интегральным световым потокам "вырезаемым" ими. Таким образом, осуществляют измерение Фl rb, Фl r, Фl b и Фc. В случае матрицы, в вертикальном направлении, т. е. вдоль столбца матрицы располагается протяженный участок солнечного изображения, вырезаемый входной щелью спектрографа.The lens of the telescope 1 builds an image of the Sun in the plane of the entrance slit of the spectrograph 2, through which light from the studied area of the solar surface passes into the spectrograph. Polarizing prism 4 provides the separation of light rays in the direction of dispersion by an amount equivalent to the half-width of the working spectral line. The separation of the spectral components into the half-width of the line is ensured by using the most steep and linear sections of the line profile for measurements, which, on the one hand, guarantees maximum sensitivity to changes in the measured magnetic field strength, and, on the other hand, the signal is independent of any joint component displacements within the linear section. In this case, in the focal plane of the spectrograph, two images of the spectrum are obtained, shifted one relative to the other by an amount determined by prism 4 and the linear dispersion of the spectrograph in this spectral order. Since this is a small shift, the spectral line images will be transferred onto the photosensitive surface of a multichannel photodetector, for example, a CCD line or a matrix. The four groups of pixels of the line, which fall on the area of the reassignment of the spectral components, the red and blue wings of the spectral line, and the continuous spectrum section form four "electronic gaps". The “electronic gaps” in the wings are removed from the central “gap” in the transfer zone by a distance equal to the half-width of the working spectral line. With this arrangement, the signal calculated by formula (1) is equal to zero at zero magnetic field strength. The total charges in each of these slots are proportional to the integral light fluxes "cut out" by them. Thus, the measurement of f l rb , f l r , f l b and f c . In the case of the matrix, in the vertical direction, i.e., along the matrix column is an extended section of the solar image, cut out by the entrance slit of the spectrograph.
Измерения осуществляют следующим образом. На входную щель 2 наводят исследуемый участок изображения Солнца, предположительно без магнитного поля. Если магнитное поле отсутствует (нулевая напряженность) на этом участке, то проходящий в спектрограф свет будет неполяризован, Зеемановское расщепление спектральной линии отсутствет, а четвертьволновая пластина 3 в этом случае не окажет никакого влияния, и расстояние между спектральными компонентами будет определяться исключительно параметрами поляризационной призмы и дисперсией спектрографа и составит Δλo (левая позиция на фиг. 2). Электронные щели в крыльях спектральной линии располагают симметрично относительно щели в зоне переналожения спектральных компонент на расстоянии, близком к полуширине спектральной линии. Далее меняют это расстояние, добиваясь равенства нулю значения сигнала, вычисляемого по формуле (1). Поскольку заранее неизвестно, что это участок с нулевым полем, то во избежание ошибки выводят из светового пучка четвертьволновую пластину 3 и повторяют операцию настройки положения электронных щелей, добиваясь нулевого сигнала. После этого возвращают пластину 3 в исходное положение - готовность к измерениям достигнута. Если напряженность магнитного поля ненулевая, спектральная линия расщепляется на две Зеемановских компоненты, поляризация которых зависит от полярности магнитного поля. Пусть полярность такова, что после прохождения четвертьволновой пластины 3 поляризация левой Зеемановской компоненты совпадет с поляризацией луча, отклоняемого призмой 4 влево, а правой - вправо. В этом случае расстояние между спектральными компонентами увеличится на величину ΔλH и станет равным Δλo+ ΔλH Соответственно интенсивность Фl rb возрастет, а Фl r и Фl b уменьшатся и числитель в формуле (1) примет некоторое положительное значение. Если полярность магнитного поля противоположная, то призмой 4 Зеемановские компоненты смещаются навстречу друг другу, расстояние между спектральными компонентами уменьшится на величину ΔλH и станет равным Δλo- ΔλH. При этом интенсивность Фl rb уменьшится, а Фl r и Фl b возрастут и числитель в формуле (1) станет отрицательным, отражая факт смены знака поля. Лучевую скорость отыскивают по формуле
где Kv - калибровочный коэффициент, определяемый экспериментально по известной скорости вращения Солнца или рассчитываемый по справочным данным для рабочей спектральной линии. Из фиг. 2 видно, что при смещении спектральной линии в красную сторону (лучевая скорость направлена от наблюдателя), Фl b по величине превышает Фl r и знак измеряемой скорости будет положительным. При обратном смещении соответственно сменится и знак измеряемой скорости.The measurements are as follows. The investigated area of the image of the Sun is brought to the entrance slit 2, presumably without a magnetic field. If there is no magnetic field (zero intensity) in this section, then the light passing into the spectrograph will not be polarized, the Zeeman splitting of the spectral line will be absent, and the quarter-wave plate 3 will have no effect in this case, and the distance between the spectral components will be determined solely by the parameters of the polarization prism and the dispersion of the spectrograph will be Δλ o (left position in Fig. 2). The electronic gaps in the wings of the spectral line are located symmetrically with respect to the gap in the zone of the reposition of the spectral components at a distance close to the half-width of the spectral line. Further, this distance is changed, achieving equal to zero values of the signal calculated by the formula (1). Since it is not known in advance that this is a section with a zero field, in order to avoid errors, a quarter-wave plate 3 is removed from the light beam and the operation of adjusting the position of the electronic slots is repeated, achieving a zero signal. After that, the plate 3 is returned to its original position - readiness for measurements is achieved. If the magnetic field is nonzero, the spectral line splits into two Zeeman components, the polarization of which depends on the polarity of the magnetic field. Let the polarity be such that after passing through the quarter-wave plate 3, the polarization of the left Zeeman component coincides with the polarization of the beam deflected by the prism 4 to the left, and the right to the right. In this case, the distance between the spectral components will increase by Δλ H and become equal to Δλ o + Δλ H Accordingly, the intensity Ф l rb will increase, and Ф l r and Ф l b will decrease and the numerator in formula (1) will take some positive value. If the magnetic field polarity is opposite, then with a prism 4 the Zeeman components are shifted towards each other, the distance between the spectral components will decrease by Δλ H and become equal to Δλ o - Δλ H. In this case, the intensity Ф l rb will decrease, and Ф l r and Ф l b will increase and the numerator in formula (1) will become negative, reflecting the fact of a change in the sign of the field. Radial velocity is found by the formula
where K v is the calibration coefficient determined experimentally from the known rotation speed of the Sun or calculated from the reference data for the working spectral line. From FIG. 2 shows that when the spectral line is shifted to the red side (radial velocity is directed away from the observer), Ф l b exceeds Ф l r in magnitude and the sign of the measured velocity will be positive. With a reverse bias, the sign of the measured speed will change accordingly.
Таким образом, значения напряженности магнитного поля и лучевой скорости измеряют всего за одну экспозицию, не меняя состояния поляризации на обратное, что снимает принципиальное ограничение на применение современных многоэлементных фотоприемников для измерений напряженности магнитного поля. Это позволяет уменьшить влияние атмосферных искажений и по крайней мере вдвое сократить время наблюдений. Thus, the values of the magnetic field strength and radial velocity are measured in just one exposure, without changing the state of polarization to the opposite, which removes the fundamental limitation on the use of modern multi-element photodetectors for measuring magnetic field strength. This reduces the effect of atmospheric distortion and at least halves the time of observation.
Источники информации, принятые во внимание
1) Кузнецов Д. А. , Куклин Г. В. , Степанов В. Е. Результаты наблюдений и исследований в период МГСС, 1966, вып. 1. М. : Наука, 80.Sources of information taken into account
1) Kuznetsov D.A., Kuklin G.V., Stepanov V.E. Results of observations and studies during the MGSS, 1966, no. 1.M .: Science, 80.
2) Лебедев Н. Н. , Клочек Н. В. , Григорьев В. М. , Кобанов Н. И. Авторское свидетельство СССР 335652, кл. G 01 J 3/06, 1972, БИ 13. 2) Lebedev N.N., Klochek N.V., Grigoryev V.M., Kobanov N.I. Copyright certificate of the USSR 335652, cl. G 01 J 3/06, 1972, BI 13.
3) Григорьев В. М. , Демидов М. Л. , Кобанов Н. И. Авторское свидетельство СССР 1245895, кл. G 01 J 3/04, 1986, БИ 27. 3) Grigoriev V.M., Demidov M.L., Kobanov N.I. Copyright certificate of the USSR 1245895, cl. G 01 J 3/04, 1986, BI 27.
Claims (1)
где kН - калибровочный коэффициент.A method of measuring the magnetic field strength of self-luminous objects, based on measuring the Zeeman splitting of the spectral line by converting circularly polarized spectral components into linearly polarized ones with their subsequent dilution along the spectrograph dispersion, characterized in that the light intensity is measured simultaneously at the reposition area of the spectral components Ф l rb, l b blue F and F l r red spectral line wings, as well as the line closest to the site of a continuous spectrum F s, and magnetic field strength calculated by the formula:
where k N is the calibration coefficient.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000115636A RU2178899C1 (en) | 2000-06-15 | 2000-06-15 | Method for measurement of magnetic field strength of self-luminous objects |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000115636A RU2178899C1 (en) | 2000-06-15 | 2000-06-15 | Method for measurement of magnetic field strength of self-luminous objects |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2178899C1 true RU2178899C1 (en) | 2002-01-27 |
Family
ID=20236323
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000115636A RU2178899C1 (en) | 2000-06-15 | 2000-06-15 | Method for measurement of magnetic field strength of self-luminous objects |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2178899C1 (en) |
-
2000
- 2000-06-15 RU RU2000115636A patent/RU2178899C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8368889B2 (en) | Compact snapshot polarimetry camera | |
DE69831405T2 (en) | DISTRIBUTED SENSOR SYSTEM | |
US6819428B2 (en) | Instruments of optical pulse characterization | |
US4525067A (en) | Twin-etalon scanning spectrometer | |
CN105333815B (en) | A kind of super online interferometer measuration system of lateral resolution surface three dimension based on the scanning of spectrum colour loose wire | |
Dopita et al. | Southern emission-line flux standards | |
Rasouli et al. | Investigation of the inhomogeneity of atmospheric turbulence at day and night times | |
CN203848938U (en) | Vacuum ultraviolet laser line width measuring device | |
RU2178899C1 (en) | Method for measurement of magnetic field strength of self-luminous objects | |
RU2313070C2 (en) | Interference spectrometer | |
JP2596998B2 (en) | Interferometer for wavelength independent optical signal processing | |
JPH0235246B2 (en) | KOGAKUSUKEERUSOCHI | |
Wiehr | On polarimetry in solar active regions: I: The new Locarno polarimeter; observing procedures | |
US6373569B1 (en) | Method and device for the spectral analysis of light | |
RU2171452C1 (en) | Process determining differential radial velocity in solar atmosphere | |
CN103868603A (en) | Device and method for measuring vacuum ultraviolet laser linewidth | |
Herrala et al. | An optoelectronic sensor system for industrial multipoint and imaging spectrometry | |
Kobanov | Measurement of the differential ray velocity and longitudinal magnetic field on the sun with CCD photodetectors: Part I. Modulationless method | |
US6646743B2 (en) | Method and device for the spectral analysis of light | |
Bernasconi et al. | Direct measurements of flux tube inclinations in solar plages. | |
Erskine et al. | Enabling 1000x More Sensitive Spectrographs for Exoplanet Search | |
RU2087878C1 (en) | Atmospheric coherence interferometer | |
Catunda et al. | Plane wave interference: A didactic experiment to measure the wavelength of light | |
RU2112936C1 (en) | Process calibrating measurements of intensity of magnetic field and device for its implementation | |
SU953892A1 (en) | Device for measuring transverse velocity of rotation of plasma cord |