Veloce-Echelle-Spektrograf nutzt Druckregelung mit geschlossenem Volumen

Der Veloce ist ein fasergespeister Echelle-Spektrograf, der hochpräzise Radialgeschwindigkeitsmessungen für die Entdeckung von Exoplaneten am Siding Spring Observatorium liefern soll. Wie bei anderen hochauflösenden Spektrographen, die Echelle-Gitter verwenden, hängt die Präzision des Instruments stark vom Brechungsindex der Atmosphäre ab, die den optischen Pfad umgibt. Die Aufrechterhaltung eines stabilen Drucks, einer stabilen Temperatur und einer stabilen Luftzusammensetzung ist daher während der mehrmonatigen Beobachtungszeiträume, die für die Charakterisierung der Umlaufbahn eines Exoplaneten erforderlich sind, unerlässlich.

Veloce ist einzigartig in seiner Konstruktion. Aufgrund räumlicher und mechanischer Zwänge haben die Forscher eine leichte Konstruktion entwickelt, die mit Überdruck arbeitet und nicht auf einem herkömmlichen Vakuumbehälter basiert. Die optische Bank befindet sich in der inneren Kammer eines Doppelgehäusesystems, das für eine aktive Umweltregulierung ausgelegt ist.

Dieser Artikel befasst sich mit dem Druckkontrollsystem im Inneren des Gehäuses und seiner Rolle bei der Aufrechterhaltung stabiler atmosphärischer Bedingungen über längere Beobachtungszeiträume.

Herausforderung

Die wichtigsten Herausforderungen, die sich stellten, waren:

• Leckempfindlichkeit
  Die Druckstabilität hing von der Minimierung von Luftleckagen durch Schaltschrankschnittstellen, Servicedurchführungen und Zugangspunkte ab, während unvermeidbare kleine Leckagen, die sich im Langzeitbetrieb entwickelten, kompensiert werden mussten.
• Aufrechterhaltung des Überdrucks
  Das Gehäuse wurde mit einem konstanten Überdruck gegenüber den Umgebungsbedingungen betrieben. Der Drucksollwert musste zu jeder Zeit über dem maximal zu erwartenden atmosphärischen Druck vor Ort liegen. Die Druckstabilität wurde auf ±5 mbar festgelegt, mit einem Auslegungsziel von ±1 mbar.
• Saisonale atmosphärische Schwankungen
  Langfristige Schwankungen des Umgebungsluftdrucks im Laufe des Jahres führten zu langsamen, aber anhaltenden Störungen, auf die das Druckkontrollsystem reagieren musste.
• Leichtes Gehäuse
  Das Innengehäuse war absichtlich leicht und verformte sich elastisch als Reaktion auf Druckunterschiede zwischen dem Innenraum und der Umgebung. Druckschwankungen führen daher zu kleinen mechanischen Bewegungen, die die optische Stabilität beeinträchtigen können, wenn sie nicht richtig kontrolliert werden.

Veloce wurde entwickelt, um die winzigen Radialgeschwindigkeitssignaturen von umlaufenden Exoplaneten durch die Messung extrem kleiner Dopplerverschiebungen in Sternspektren zu erkennen. Bei diesem Empfindlichkeitsniveau können selbst geringfügige Druckveränderungen die Messgenauigkeit beeinträchtigen, so dass eine zuverlässige langfristige Druckkontrolle eine grundlegende Anforderung an das System darstellt.

"Veloce wurde in erster Linie entwickelt, um Sterne aufzuspüren, die aufgrund der Gravitationskraft eines oder mehrerer sie umkreisender Planeten 'wackeln'. Veloce basiert auf einer Technik namens Präzisions-Radialgeschwindigkeits-Spektroskopie - wir messen den Spektralgehalt des Sternenlichts und suchen nach winzigen Farbverschiebungen (Doppler-Verschiebungen), die durch die periodische Bewegung des Sterns verursacht werden.

 

It is absolutely critical to control the measurement errors of the instrument, because the signal we are looking for is so small. We are looking for changes of 1/1500 pixels on our image detector, which is a physical distance of something like ten nanometers on the detector surface. This corresponds to a radial velocity measurement of around 1 m/s, meaning we can measure the speed of a star’s motion down to slow walking pace. This is sufficient to detect planets not too dissimilar to Earth, that may be in the so-called ‘habitable zone’ of the host star…”

 

- Dr. James Gilbert

Auswahl

Wenn auch nur geringfügige Abweichungen vom Drucksollwert festgestellt wurden, stellte der Regler sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile ein und ermöglichte so die Zufuhr von trockener Luft (Taupunkt -40°C) oder die Entlüftung in die Atmosphäre, wenn dies erforderlich war. Diese bidirektionale Steuerung unterdrückte Störungen innerhalb von ~30 ms und begrenzte die Gesamtdruckschwankungen in der Kammer auf weniger als 0,3 mbar.

Da das Umweltüberwachungssystem auch Temperaturanforderungen im Bereich von 10 mK überwachte, stellte jede variable Wärmebelastung innerhalb des Gehäuses ein Risiko dar. Daher wurde das Steuergerät außerhalb der Kammer montiert, wobei nur die Schläuche und ein Ferndrucksensor in das Gehäuse eindrangen, um die Möglichkeit zu verringern, dass thermische Störungen in das Gerät eindringen.

Die verschiedenen Kommunikationsmethoden der PCD, einschließlich 4 - 20 mA Analogsignale und gängige serielle Kommunikationsprotokolle wie Modbus RTU, boten Flexibilität bei der Bestimmung der Veloce-Regelstruktur. Zusätzliche Steuerungsfunktionen, darunter ein konfigurierbares Totband, ermöglichten es den Bedienern, einen engen Druckbereich um den Sollwert herum zu definieren, innerhalb dessen keine Ventileingriffe vorgenommen wurden. Dies reduzierte unnötige Ventilaktivität und trug dazu bei, regelungsbedingte Druckschwankungen zu verhindern, sobald der stationäre Zustand erreicht war.

Der PCD wurde aufgrund seiner präzisen Druckregelung in toten Enden ausgewählt, wodurch er sich gut für eine Anwendung eignete, bei der ein konstanter Absolutdruck über viele Monate hinweg gehalten werden musste.

“Wenn sich der Luftdruck im Instrument ändert, ändert sich der Brechungsindex an der Oberfläche der Optik, und unsere Signale werden völlig übertönt. Wir haben beschlossen, das Instrument gegen atmosphärische Druckschwankungen abzuschirmen, indem wir es immer bei einem festen Überdruck halten. Wir brauchten eine Stabilität von 5 mbar, mit einem Ziel von 1 mbar, in einem 1800-Liter-Volumen mit erheblichen Leckagen.

 

Wir haben uns an Alicat gewandt, weil wir sowohl Zuverlässigkeit in Industriequalität als auch wissenschaftliche Leistung benötigten. Alicat nahm die Herausforderung an und modifizierte eines ihrer Standardprodukte, um eine kostengünstige Lösung für unsere Anforderungen zu bieten. Das Gerät ist bereits seit mehreren Monaten in Betrieb, und der Innendruck hat sich nicht über 0,3 mbar von unserem Sollwert entfernt, was fabelhaft ist...”

 

- Dr. James Gilbert

Ergebnisse

Die für Veloce implementierte Umweltkontrollstrategie lieferte eine stabile Druck- und Temperaturleistung, die die ursprünglichen Konstruktionsanforderungen erfüllte und in einigen Fällen sogar übertraf. Das Druckkontrollsystem funktionierte über längere Zeiträume zuverlässig und hielt die internen Bedingungen trotz ständiger barometrischer und thermischer Schwankungen in der Umgebung des Observatoriums stabil.

Die Druckregelung innerhalb des Innenraums blieb während des Langzeitbetriebs stabil. Der Druckregler reagierte vorhersehbar sowohl auf langsame saisonale Veränderungen als auch auf kurzfristige Störungen und hielt den Innendruck innerhalb der vorgegebenen Stabilitätsgrenzen. Dieser Regelungsgrad erwies sich als ausreichend, um druckbedingte Schwankungen des Brechungsindex zu unterdrücken und eine messbare Beeinträchtigung der Spektrographenleistung zu verhindern.

Das Konzept des leichten Druckgehäuses brachte zwar einige technische Herausforderungen mit sich, aber keine davon führte zu nennenswerten betrieblichen Einschränkungen. Die wichtigste Abhängigkeit war die ständige Verfügbarkeit von Druckluft aus der Anlage. In der Praxis führte diese Abhängigkeit bei normalem Betrieb nicht zu Leistungsproblemen, und kurze Unterbrechungen wurden durch die Hinzufügung eines angemessenen Puffervolumens zum Ausgleich kleinerer Leckagen im Gehäuse als überschaubar angesehen.

Das für Veloce realisierte Überdruckgehäuse erwies sich als wirksame Alternative zu vakuumbasierten Konstruktionen, da es die erforderliche Umgebungsstabilität innerhalb der mechanischen, räumlichen und kostentechnischen Grenzen erreichte. Die präzise Druckregelung mit handelsüblichen Instrumenten von Alicat Scientific ermöglichte hochpräzise Radialgeschwindigkeitsspektroskopie ohne die Komplexität eines Vakuumsystems.

“Veloce ist nun vollständig in Betrieb und hat bereits seine ersten Planetensysteme beobachtet. Zunächst schauen wir uns bekannte Kandidaten an, die von NASAs Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Veloce ist derzeit das beste Instrument der Welt für einige dieser Ziele und könnte das erste sein, das die Existenz von Planeten bestätigt und deren Masse genau misst, von denen wir bisher nicht wussten, dass sie existieren.

 

- Dr. James Gilbert

• Gilbert, J., Bergmann, C., Bloxham, G., Boz, R., Brookfield, R., Carkic, T., Carter, B., Case, S., Churilov, V., Ellis, M., Gausachs, G., Gers, L., Gray, D., Herrald, N., Ireland, M., Jones, D., Kripak, Y., Lawrence, J., O'Brien, E., ... Zhelem, R. (2018). Veloce Rosso: Australiens neuer Präzisions-Radialgeschwindigkeits-Spektrograph. In C. J. Evans, L. Simard, & H. Takami (Eds.), Ground-based and Airborne Instrumentation for Astronomy VII (pp. 1-18). Artikel 107020Y (Proceedings of SPIE; Vol. 10702). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2312399