Una valutazione è fatta del disturbo spettrale dentro Fourier

DIPARTIMENTO DI FISICA,
UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA E FISICA DELL’AMBIENTE,
UNIVERSITÀ DELLA BASILICATA
ISTITUTO DI FISICA APPLICATA “NELLO CARRARA”
DEL CNR
ISTITUTO DI METODOLOGIE DI ANALISI AMBIENTALE
DEL CNR
P
RO
PR
OG
GE
AS
ET
TT
SII--II/
TO
O:: A
/R
R/
/2
27
7/
/0
00
0
R&D bread-board for a Fuorier Transform Spectrometer to remotely
sense the rotational water vapour band (10-1000 cm-1)a
Rapporto tecnico
Giugno 2002
a
P.I. Prof. Carmine Serio, DIFA-Università della Basilicata, C.da Macchia Romana, 85100 Potenza,
[email protected]
INDICE
1. Introduzione
2. Definizione delle specifiche
3. Descrizione dello spettrometro a trasformata di Fourier (FTS)
3.1 Tipologia di interferometro
3.2 Numero di porte di ingresso/uscita
3.3 Configurazione ottica dei bracci dell’interferometro
4. Progetto del sistema ottico
4.1 Interferometro
4.2 Ottiche di ingresso/uscita
5. Progetto del sistema meccanico
6. Realizzazione dello spettrometro
6.1 Ottiche
6.1.1 Caratteristiche di realizzazione
6.1.2 Verifica della qualità ottica dei componenti
7. Progetto e realizzazione dei sottosistemi
7.1 Unità specchi a tetto (Roof-Top-Mirror Unit - RTMU)
7.2 Unità dei Beam Splitters (Beam_Splitter Unit – BSU)
7.2.1 Descrizione dei BS in poliestere e fotolitografici
7.3 Sistema laser di riferimento (Reference Laser System – RLS)
7.4 Unità di rivelazione piroelettrica (Pyroelectric detector Unit – PDU)
7.4.1 Rivelatori piroelettrici
7.4.2 Stabilizzazione termica
7.4.3 Ottiche di raccolta
7.4.4 Assemblaggio meccanico
7.5 Sistema di controllo e acquisizione (Acquisition and Control System – ACS)
7.6 Unità di controllo della scansione interferomentrica (Scan Motor Unit – SMU)
7.7 Sistema di calibrabrazione radiometrica (Radiometric Calibration System – RCS)
7.7.1 Geometria dei BB
8. Software ed elettronica di controllo movimento ed acquisizione.
8.1 Sistema ACS – Acquisition and control system
8.2 Sottosistema SA (Acquisizione interferometro)
8.3 Sottosistema HA – House Keeping
8.4 Sottosistema SC - Controllo Scansione
8.5 Sistema ACS – Sottosistema SCAC: Scanning, Control & Acquiring Code
8.5.1 Requisiti
8.5.2 Ambiente di programmazione: LabView
8.5.3 Programma: considerazioni generali
8.5.4 Sezione di input per la movimentazione
8.5.5 Sezione di input per l’acquisizione dei segnali interferometrici.
8.5.6 Sezione di output: aggiornamento salvataggio ed eventuali messaggi
di errore.
8.5.7 Sezione di output: controllo posizione piastra e visualizzazione dei
relativi messaggi di errore
8.5.8 Sezione di output: grafici dei segnali interferometrici
8.5.9 Programma di gestione REFIR: descrizione del funzionamento
9. Definizione delle specifiche utente per il breadboard (BB) e sviluppo di un
modello matematico di calibrazione per il BB.
2
10 Assemblaggio su banco ottico dell'interferometro e suo allineamento
10.1 Procedura di allineamento
11. Campana per misure sottovuoto
12. Caratterizzazione preliminare dello spettrometro
Bibliografia
3
1. Introduzione
Il lavoro descritto in questo report riguarda lo sviluppo del prototipo dello spettrometro a
trasformata di Fourier di seguito denominato REFIR (Radiation Explorer in the Far
InfraRed).
REFIR è un progetto che inizia con il supporto della Comunità Europea (CE), continua
con quello presente dell’ASI, ed è già proiettato nel futuro grazie a nuovi finanziamenti da
parte dell’Agenzia Spaziale Europea. Esiste una stretta continuità tra questi progetti e la
storia di REFIR, sia tecnica sia scientifica, si trasferisce con i suoi progressi ed esperienze
dall’uno all’altro di tali studi. Nel segno di questa continuità anche in questo rapporto si
continuerà ad utilizzare il termine REFIR per indicare lo spettrometro a trasformata di
Fourier (FTS) progettato e realizzato nell’ambito della presente attività.
Il progetto ha consentito la realizzazione su banco ottico dello spettrometro a
trasformata di Fourier e la sua calibrazione. La realizzazione su banco ottico ha permesso
di stabilire la funzionalità dei vari componenti e di verificare sperimentalmente il
funzionamento della configurazione ottica innovativa adottata per l'interferometro. In
particolare, sono state studiate le tolleranze dell'allineamento ottico e verificate le
specifiche di progetto allo scopo di ottimizzare i diversi parametri costruttivi necessari per
la realizzazione di un prototipo compatto per future missioni da aereo e satellitari.
Il breadboard di REFIR è stato sviluppato da un consorzio di quattro partners, riporati
nella tabella che sgue.
Partners Affiliation
Dip. di Fisica,
Università di Bologna
Focal Point
Prof. Rolando Rizzi
Dipartimento di Ingegneria e Fisica Dr Francesco Esposito
dell’Ambiente,
Università della Basilicata
Istituto di Fisica Applicata “Nello Dr Luca Palchetti
Carrara” del CNR
Firenze
Istituto di Metodologie per Analisi Prof. Carmine Serio (P.I.)
Ambientale del CNR,
Tito Scalo, Potenza
Il rapporto tecnico è organizzato come segue. Nel Par. 2 vengono brevemente riportate le
specifiche che l’FTS deve soddisfare per essere in grado di realizzare gli obiettivi
scientifici proposti. Nel Par. 3 si descriverà concettualmente il principio di funzionamento
dello spettrometro FTS nella configurazione scelta per realizzare questo strumento. I Par.
4 e 5 sono dedicati al progetto del sistema ottico e meccanico, rispettivamente. Nel Par. 6
è descritta la realizzazione sperimentale di tutto il sistema generale e nel Par.7 dei vari
sottosistemi più importanti dello strumento. Il Par. 8 è dedicato all’elettronica. Il paragrafo
9 presenta il modello di calibrazione dello strumento. L’assemblaggio e l’allineamento
4
interferometrico del sistema sono trattati nel paragrafo 10. Il Par.11 riguarda la messa a
punto della campana realizzata per eseguire misure sottovuoto. Infine nel Par. 12 sono
mostrati i risultati delle prime prove preliminari condotte sia in aria che sottovuoto.
5
2. Definizione delle specifiche
Gli obiettivi scientifici richiedono la misura della radianza spettrale emessa
dall'atmosfera verso lo spazio (emissione al TOA - top-of-atmosphere) con risoluzione di
0.5 cm-1 e un SNR = 100. La Figura 1 mostra il tipico spettro al TOA e la Figura 2 il
confronto tra il NESR (Noise equivalent spectral radiance) che fornisce un SNR=100
(linea tratteggiata) e il requisito (linea continua) scelto allo scopo di assicurare un SNR
≥100 nella maggior parte della regione spettrale. Il compromesso fatto ai bordi della banda
(100-200 cm-1 e 900-1000 cm-1) è considerato accettabile.
Figura 1. Spettro di emissione al TOA.
Le caratteristiche principali dell'FTS sono descritte nella Tabella 1.
6
Tabella 1: Caratteristiche principali dell'FTS REFIR
Tipo di interferometro
Risoluzione spettrale
SNR (Signal-to-Noise Ratio)
Precisione radiometrica
Altezza di volo
Campo di vista
Tempo di misura
Tipo di orbita
Campionamento
Geometria di osservazione
Durata missione
Interferometro a trasformata di Fourier a larga banda
100-1000 cm-1
0.5 cm-1
100
0.5 K @ 280K
500 km
Corrispondente alla vista sulla terra di una regione di 10
km di diametro
6.5 s
Quasi polare
Ogni 100 km lungo i meridiani
Nadir o a 45 °
3 anni
Figura 2. NESR equivalente a SNR=100.
Gli obiettivi scientifici del progetto richiedono un FTS basato su un interferometro a
polarizzazione di nuova concezione, che raggiunge un'elevata efficienza misurando
entrambi i piani di polarizzazione della sorgente 1. La rilevazione a banda larga è fornita
da un singolo rilevatore piroelettrico non raffreddato (rilevatore DLATGS – BAE Systems
Infra-Red Limited, UK). Questo rilevatore ha prestazioni radiometriche sufficienti ma
presenta un tempo di risposta molto breve, che condiziona la risposta dell'intero sistema di
acquisizione.
7
3. Descrizione dello spettrometro a trasformata di Fourier (FTS)
La scelta di una configurazione ottica per lo spettrometro FTS di REFIR è
principalmente basata sulla necessità di tenere l’accuratezza radiometrica delle misure più
elevata possibile. A questo scopo è stato necessario massimizzare il rapporto segnale
rumore e ottimizzare la procedura di calibrazione, mantenendo le dimensioni strumentali a
valori ragionevoli per applicazioni di tipo spaziale. E’ stato di vitale importanza quindi
sviluppare una configurazione ottica innovativa che ha consentito di raggiungere le
migliori prestazioni compatibilmente con la necessità di soddisfare tutti i requisiti
scientifici posti dal progetto.
La caratteristiche principali della configurazione ottica prescelta per l’interferometro
sono descritte di seguito.
3. 1 Tipologia di interferometro
Prima di tutto, la necessità di coprire tutta la banda di REFIR con un solo rivelatore, ha
richiesto l’utilizzo di un interferometro a polarizzazione che permette di ottenere in
principio un’efficienza dell’ordine del 100% con beam-splitters (BS) a polarizzazione ed
ottiche perfette. Questo tipo di interferometro consente inoltre di poter sfruttare i vantaggi
tipici delle configurazioni ottiche a polarizzazione, come la configurazione sviluppata da
Martin e Puplett e descritta in Ref. 2-3. Gli interferometri a polarizzazione presentano lo
svantaggio di dover ricorrere ad una configurazione ottica nei due bracci
dell’interferometro che non consente la compensazione completa dell’errore di lateral
shift. Comunque, come è stato mostrato nel corso dello studio di fattibilità CE 4, per
REFIR questo svantaggio ha un effetto molto limitato nel calcolo dell’efficienza
complessiva dello strumento.
3.2 Numero di porte di ingresso/uscita
La scelta del numero di porte di ingresso e di uscita è legata principalmente alla
procedura di calibrazione delle misure. La misura di una scena per mezzo di un FTS è
infatti rappresentata dallo spettro calibrato del flusso di radiazione entrante nello
strumento che contiene la radianza della sorgente di interesse e l’effetto dell’emissione
locale dello strumento stesso (self-emission Eloc, che di solito è conosciuta come
l’emissione della seconda porta). La procedura di calibrazione permette di ricavare la
radianza calibrata della sorgente di interesse misurando la risposta spettrale dello
strumento e il contributo di Eloc.
In generale qualsiasi strumento FTS ha due porte di ingresso e due di uscita che però
diventano accessibili solo con determinate configurazioni ottiche. L’accesso ad entrambe
le porte di ingresso e quindi anche ad entrambe le porte di uscita può essere reso possibile
in due modi: o tramite uno spostamento laterale dei fasci all’interno dell’interferometro o
tramite l’utilizzo di fasci in luce polarizzata, come nel nostro caso. Uno spostamento
laterale del fasci può essere introdotto nell’interferometro tramite la scelta di particolari
geometrie degli specchi di ripiegamento che riflettono il fronte d’onda o intorno ad un
punto (as esempio i Cat’s Eyes) o intorno ad una asse (ad esempio gli specchi a tetto:
Roof-Top Mirrors).
8
Con la configurazione a doppio, la procedura di calibrazione risulta molto più
semplice e sono sufficienti soltanto due misurazioni per ottenere il flusso calibrato della
sorgente analizzata. L’errore di calibrazione è molto più basso perché la procedura non
dipende dalla differenza tra due misurazioni, come per la configurazione a singolo
ingresso. Inoltre la radiazione calibrata è sempre calcolata al netto della self emission Eloc
dello strumento, dato che il secondo ingresso guarda in continuazione una sorgente di
riferimento. Nel caso della configurazione a singolo ingresso, infatti, si suppone che Eloc
sia costante tra una misura e l’altra. Questa condizione, non sempre soddisfatta nella
pratica, porta ad un errore aggiuntivo della procedura di calibrazione.
Infine per applicazioni spaziali, la configurazione a doppio ingresso è particolarmente
vantaggiosa perché il secondo ingresso può essere tenuto fisso verso lo spazio vuoto che
ha radianza nulla e riduce, quindi, il carico fotonico sul rivelatore diminuendo il rumore di
misura. Inoltre questa procedura prevede un minor numero di misure di calibrazione a
vantaggio di un risparmio di tempo che può essere impiegato per poter realizzare un
maggior numero di misure dell’atmosfera.
Come abbiamo visto l’uso della configurazione a doppio ingresso mette a disposizione
anche la doppia uscita aumentando così la flessibilità dello strumento e le prestazioni.
Infatti le due uscite possono essere utilizzate, come nel nostro caso, per coprire lo stesso
intervallo spettrale, aumentando attraverso la media di due segnali il SNR di un fattore √2.
Inoltre, l’impiego di due porte di uscita permette di eliminare le fluttuazioni, presenti
durante l’acquisizione dell’interferogramma, della self-emission dei diversi componenti
ottici dello strumento, tra i quali il più importante è il BS. Questo contributo è di solito
piccolo ma in grado di ridurre l’accuratezza radiometrica. Le due uscite producono due
interferogrammi complementari che sommati insieme permettono di eliminare il segnale
continuo e le modulazioni introdotte dalla self-emission.
In conclusione l’ampia banda spettrale e l’elevata accuratezza radiometrica richieste da
REFIR, spingono verso una scelta che utilizzi un interferometro a polarizzazione in
configurazione a doppio ingresso/uscita.
3.3 Configurazione ottica dei bracci dell’interferometro
La scelta della configurazione ottica dei bracci dell’interferometro è legata
principalmente ai requisiti posti sulla precisione con la quale è richiesto l’allineamento.
Per uno strumento spaziale come REFIR, la compensazione del disallineamento dovuto al
tilt dello specchio di ripiegamento mobile è un requisito fondamentale per ottenere spettri
di elevata qualità costante nel tempo. Tipicamente ci sono diverse soluzioni per
compensare errori di tilt e/o lateral shift in un interferometro a polarizzazione. L’unico
inconveniente che rimane però sempre presente con questo tipo di strumento, è l’utilizzo
di metà energia proveniente dalla sorgente di interesse a causa del polarizzatore di
ingresso che seleziona solo un piano di polarizzazione lineare.
Sulla base delle precedenti analisi, è stata progettata ed analizzata una configurazione
strumentale di nuova concezione che combina gli aspetti vantaggiosi presenti nelle
configurazioni classiche dell’interferometro a polarizzazione con la possibilità di utilizzare
tutto il segnale di ingresso sul singolo rivelatore 1. Questa configurazione è stata indicata
nello studio di fattibilità CE come la configurazione che meglio soddisfa i requisiti di
misura richiesti dal progetto REFIR. La configurazione ottica innovativa, mostrata in
prospettiva in Figura 3, introduce una separazione spaziale tra i fasci dell’interferometro
tramite i due specchi a tetto RTMA/RTMB.
9
Figura 3. Schema ottico dell’interferometro REFIR.
L’interferometro è così suddiviso su due piani ed entrambi gli ingressi e le uscite
diventano accessibili. Tutto il segnale della sorgente analizzata (ad esempio I1) e del
riferimento (I2) viene utilizzato, mentre la configurazione degli specchi a tetto è tale da
compensare l’errore di tilt. Inoltre l’utilizzo dei BS P3/4 con l’asse principale posto a 90°
rispetto al piano dell’interferometro permette di mantenere la polarizzazione dei fasci
sempre nel piano di incidenza o nel piano ortogonale a questo, evitando così la formazione
di componenti spurie a polarizzazione ellittica che si possono creare nelle varie riflessioni
quando il vettore di polarizzazione ha un angolo diverso. Una piccola asimmetria è
introdotta tra la lunghezza dei percorsi ottici che vanno dai polarizzatori di ingresso/uscita
e ai due BS allo scopo di rendere trascurabile l’interferenza dovuta alla coerenza residua
tra i due fasci. Si fa notare che a differenza di quanto indicato nello studio di fattibilità
della CE, il polarizzatore di ingresso/uscita è stato realizzato con due unità separate P1/2
come indicato in Figura 3. Questa scelta consente di ottenere una maggiore flessibiltà
nella realizzazione dell’allineamento ottico anche se lo strumento risulta di dimensioni
leggermente maggiori. Le maggiori dimensioni non rappresentano comunque un problema
importante nel caso di un prototipo di laboratorio.
4. Progetto del sistema ottico
L’ottica dello spettrometro è stata dimensionata sulla base delle specifiche del progetto
messo a punto nello studio di fattibilità della CE. Rispetto allo strumento spaziale, come
già detto, si è privilegiata una maggiore flessibilità nella realizzazione del sistema ottico a
scapito di una minore integrazione.
10
4. 1 Interferometro
Lo schema ottico dell’interferometro è stato dimensionato in modo da avere una
pupilla interna Pint = 30 mm di diametro, in corrispondenza del punto di simmetria dei
percorsi tra le due riflessioni nell’unità RTMA/RTMB, ed una apertura (FOV – FieldOf_View) di 60 mrad. In realtà le dimensioni dei beam-splitter limitano la pupilla a
20.95mm, quindi il throughput ottico in questo caso è di 0.0097 cm2sr che risulta
leggermente inferiore al valore stabilito per lo strumento spaziale studiato nel corso del
progetto CE. La massima differenze di percorso ottico (MPD – Maximum Path
Difference) è risultata da un lato di 1cm e dall’altro di 2.5 cm. Questi valori corrispondono
ad una risoluzione non apodizzata di 0.25 cm-1, per un interferogramma doppio lato (DSI
–Double Sided Interferogram) e di 0.1cm-1 per un singolo lato (SSI – Single Sided
Interferogram). La Tabella 2 riporta il confronto tra le specifiche ottiche dello strumento
spaziale e di REFIR/BB.
Tabella 2. Specifiche ottiche dell’interferometro.
Field-of-view interno
Diametro pupilla interna
Throughput ottico
REFIR – CE
REFIR-BB – ASI
±30 mrad
28.34 mm
0.0178 cm2sr
±30 mrad
20.95 mm
0.0097 cm2sr
0.25 cm-1 (DSI)
0.1 cm-1 (SSI)
0.5 cm-1
Massima risoluzione
Lo schema ottico realizzato segue il diagramma di Figura 4.
RTMA/RTMB
M5
M3
P3/4
M1
M4
M2
P1/2
Figura 4. Schema ottico dell’interferometro visto dall’alto (misure lineari in mm, angoli
in rad). M=specchi di ripiegamento, P = BS a polarizzazione, RTMA/RTMB = unità
specchi a tetto.
11
4.2 Ottiche di ingresso/uscita
Il sistema ottico di ingresso/uscita è basato su due specchi parabolici fuori asse, ed è
mostrato in Figura 5.
In ingresso, la parabola L1 ha lo scopo di raccogliere la radiazione proveniente dalla
pupilla Pin, e di massimizzare l’accoppiamento ottico con il FOV e la pupilla interna
dell’interferometro Pint. Per minimizzare l’ingombro si utilizza uno specchio di
ripiegamento piano M6, che svolge anche la funzione di diaframma di campo. Pin è posto
ad una distanza da L1 tale da formare la propria immagine in corrispondenza della pupilla
Pint. Allo stato attuale l’ottica di ingresso realizzata con una sola parabola consente di
sondare un cono di vista di circa 18 deg (0.31 rad). La richiesta di un differente tipo di
osservazione potrà essere soddisfatta con l’aggiunta in futuro di un secondo specchio
parabolico in modo da realizzare un telescopio di ingresso adatto allo scopo.
In uscita, lo specchio parabolico L2 ha lo scopo di focalizzare la radiazione proveniente
dall’interferometro verso l’ingresso dell’ottica di raccolta. La pupilla di uscita Pout è stata
fatta coincidere con il diaframma di apertura dell’ottica di raccolta. La geometria
dell’ottica di raccolta ha lo scopo di ridurre la dimensione del fascio, aumentare l’apertura
angolare, massimizzando in questo modo l’accoppiamento ottico tra il FOV
dell’interferometro e quello del rivelatore. Nel Paragrafo 0 verranno studiati due sistemi
realizzati: un sistema non-imaging con un concentratore conico (cono di Winston) che
funziona su tutta la banda di REFIR, e un sistema ad immagine con una lente sottile in
PE-HD a forma di menisco, che però non trasmette la radiazione al di sopra di circa 600
cm-1.
Il progetto ottico è stato studiato per mezzo di una simulazione ray-tracing in ambiente
ZEMAX, ottimizzando il disegno in modo da massimizzare l’efficienza di accoppiamento
tra la radiazione di ingresso e quella di uscita.
Ingresso
Interferometro
Uscita
L1
L2
Pint
M6
Pout
Pin
Figura 5. Schema del sistema ottico
12
5. Progetto del sistema meccanico
L’analisi accurata della geometria ottica dello spettrometro è stata utilizzata per
realizzare in AutoCAD il progetto della struttura meccanica complessiva, mostrata in
Figura 6. La struttura meccanica è stata progettata col duplice scopo di essere adatta per
assemblare lo strumento su un tavolo ottico di tipo commerciale, per misure di laboratorio
in aria, e su una speciale piastra di forma circolare, per misure sotto vuoto in una campana.
Inoltre tutti i componenti presentano una duplice foratura, sulla faccia inferiore e su quella
superiore, che consente di realizzare l’assemblaggio anche senza i supporti di fissaggio
alla piastra inferiore, mostrati in Figura 6. In questo modo i supporti possono essere fissati
tra due piastre in una struttura a “panino” che dà un maggiore flessibilità di installazione
su piattaforme per misure sul campo, tipo palloni e aerei stratosferici.
Figura 6. Schema optomeccanico dello spettrometro.
13
Nel progetto è stata posta particolare attenzione ai requisiti di precisione nella
regolazione del tilt dei componenti che individuano l’anello interferometrico (P3/4, M3/4/5 e
RTMA/RTMB di Figura 3). Mentre i requisiti di allineamento geometrico non sono
particolarmente stringenti, l’allineamento angolare nell’anello interferometrico richiede un
precisione molto spinta. Infatti se calcoliamo il fattore di efficienza di modulazione del
segnale ηα in funzione dell’errore angolare α commesso nell’allineamento dei fasci
interferenti abbiamo 5:
(1)
ηα =
2 J (uα )
uα
con ua=4πσαR
dove R = 15 mm è il raggio della pupilla interna e σ è il numero d’onda. Se poniamo un
requisito di ηa ≥ 0.90, cioè consideriamo accettabile una perdita massima di efficienza del
10%, allora dall’Eq. (1 troviamo che il requisito su α è determinato dalla massima
frequenza presente nello spettro osservato, cioè 1000 cm-1, e risulta di almeno 0.05 mrad.
Da questa analisi segue che i movimenti micrometrici che controllano l’allineamento
angolare, almeno dei BS dell’anello interferometrico, devono consentire di raggiungere
una precisione di almeno 0.025 mrad/div. Questo valore può essere ottenuto con viti
differenziali con sensibilità di 0.1 mm/giro e 50 div/giro, che applicate su un braccio di
almeno 80 mm danno una precisione angolare di 0.024 mrad/div.
6. Realizzazione dello spettrometro
Lo strumento è stato realizzato nella maggior parte dei suoi componenti utilizzando le
facilities presenti negli Istituti che hanno condotto il progetto.
6.1 Ottiche
La componentistica ottica è stata realizzata cercando di minimizzare principalmente gli
errori di rugosità e planarità superficiali che hanno effetti di riduzione dell’efficienza di
modulazione dell’interferogramma.
Dallo studio di fattibilità della CE abbiamo un requisito di rugosità totale dei fronti
d’onda interferenti di 1 µm (rms)4. Dallo studio ESA sui polarizzatori6 abbiamo un
requisito sull’errore di planarità totale di 11 µm/cm sui fronti d’onda che entrano
l’interferometro attraverso il BS, e di 0.2 µm/cm sui fasci interferenti. Tutte le superfici
concorrono a determinare il bilancio totale dell’errore.
Per quanto riguarda la planarità, il sistema ottico è limitato principalmente dalle
specifiche della parabola L1 e dalla specifiche delle superfici dei due BS P3,4. In ingresso
all’interferometro vogliamo quindi che l’errore tra la superficie teorica e quella prodotta di
L1 sia minore di 5.5 µm/cm. Conseguentemente l’errore di planarità sulle altre superfici
piane di M1,2,6 e dei BS di ingresso dovrà essere molto inferiore al precedente valore.
All’interno dell’anello interferometrico la planarità è limitata principalmente dall’errore
sulla superficie dei BS. Nello studio ESA è stato assunto un requisito di planarità di 0.25
14
µm totali (corrispondenti ad una planarità di λ/2). Con questo valore la planarità delle altre
ottiche M3-5, RTMA e RTMB deve risultare migliore di λ/4.
Per quanto riguarda la rugosità, tenendo conto delle riflessioni multiple e distribuendo
equamente l’errore tra i componenti abbiamo un requisito di 80 nm per ogni superficie
interna all’anello interferometrico (M3-5, RTMA/RTMB, e P3,4) e di 0.9 µm per ogni
superficie esterna (M1,2,6, L1 e P1,2). Per quanto riguarda il sistema ottico di uscita che
svolge la funzione più semplice di condensare la radiazione sul rivelatore, i requisiti di
rugosità e planarità sono di natura geometrica e risultano molto più rilassati rispetto ai
precedenti. Facendo in questo caso una stima conservativa e per semplificare i requisiti di
fabbricazione, poniamo su L2 gli stessi requisiti di L1. In Tabella 3 sono riassunti tutti i
requisiti di fabbricazione delle superfici ottiche.
Tabella 3. Requisiti di rugosità e planarità
L1, L2
M1 , M2 ,
M3 , M4 , M5 ,
M6, P1,2
RTMA, RTMB, P3,4
Rugosità rms (nm)
900
900
80
Errore max. di planarità
(con λ=0.5 µm)
88 λ
<<88 λ
<λ/4
6.1.1 Caratteristiche di realizzazione
La seguente tabella riporta le informazioni relative alla realizzazione dei diversi
componenti ottici dell’interferometro.
Tabella 4. Caratteristiche dei componenti ottici
Materiale
Paraboloidi off-axis
Specchi piani
Unità RTMU
BS
ALUMEC 89
Vetro semiottico
Borosilicato
Vetro ottico
BK7
Vedi Paragrafo
Trattamento
superficiale
Au + MgF2
Ag + SiO2
Vedi
Paragrafo
In particolare gli specchi off-axis L1 e L2 sono stati ricavati a partire da due
paraboloidi F300 e F150 di focale f = 300mm e 150mm, rispettivamente, sagomati al
tornio per ottenere il profilo desiderato e lappati per minimizzare la rugosità. Gli specchi
off-axis in fase di lavorazione sono inglobati nei paraboloidi F300 e F150 alla distanza
prestabilita dall’asse del paraboloide. Un esempio della geometria di montaggio per la
lavorazione degli specchi off-axis è mostrata in Figura 7 nel caso del paraboloide F300.
15
Il materiale utilizzato è una lega di alluminio (Al+Cu+Be, di produzione
Thyssen/Uddeholm) laminato a caldo ALUMEC; è stato scelto per le sue caratteristiche di
alta resistenza e struttura a grana fine ed omogenea. Il trattamento termico garantisce
l’eliminazione delle tensioni interne, alta stabilità dimensionale durante e dopo le
lavorazioni alle macchine utensili, facilità di lucidatura ottica e trattamenti superficiali (ad
es. nichelatura chimica).
Figura 7. Geometria del paraboloide F300 usato per la fabbricazione degli off-axis L1.
6.1.2 Verifica della qualità ottica dei componenti
I componenti ottici realizzati sono stati testati presso l’IFAC allo scopo di verificare la
qualità ottica raggiunta con il processo di fabbricazione.
Sono state eseguite le seguenti misure: 1) planarità e rugosità degli specchi piani, 2)
errore nel profilo radiale dei paraboloidi, 3) geometria e dimensioni del fuoco degli
specchi off-axis di ingresso e uscita, e 4) diffusione della superficie (rugosità)
1) Misura della planarità e rugosità degli specchi piani
La planarità è stata misurata con metodi ottici, con riferimento ad una lamina
campione. La rugosità è stata misurata con un profilometro meccanico a punta di diamante
(Tencor Instruments, mod. Alpha Step 200), che possiede la risoluzione verticale di
0.5nm.
I risultati delle misure sono i seguenti:
Planarità = λ/6
Rugosità < 5 nm rms
2) Misura dell’errore nel profilo radiale dei paraboloidi
La misura è stata eseguita presso il Servizio di Lavorazioni Ottiche dell’IFAC per
mezzo di un tastatore Sony Digital Gauge DG-505, con punta da 1 mm di diametro e
sensibilità verticale di 1 µm. Viene eseguita una scansione lungo un raggio a partire dal
vertice del paraboloide, come indicato in Figura 8. Nelle Figura 9 e Figura 10, parte (a),
sono riportati i profili dei due paraboloidi e nella parte (b) l’errore misurato rispetto al
16
paraboloide che fitta i dati. Dalla procedura di fitting ricaviamo anche il valore della
distanza focale:
Paraboloide di ingresso L1 = 314 mm, da confrontare do 300 mm di progetto;
Paraboloide di uscita L2 = 170 mm, da confrontare con 150 mm di progetto.
Freccia
Superficie
paraboloide
Tastatore
Raggio
Figura 8. Misura del profilo del paraboloide
(b
(a
Figura 9. Profilo radiale (a) ed errore rispetto al progetto misurato nella regione off-axis a
102 mm dal centro (b), nel paraboloide di ingresso L1, con focale di 300 mm.
(b
(a
Figura 10. Profilo radiale (a) ed errore rispetto al progetto (b), nel paraboloide di uscita
L2, con focale di 150 mm.
17
3) Misura della geometria e dimensioni del fuoco degli specchi off-axis di ingresso e
uscita
I paraboloidi utilizzati per la fabbricazione degli specchi off-axis sono stati testati
presso l’IFAC più volte a diversi stadi della lappatura ottica eseguita dalla ditta SILO. La
misura riportata in questa sezione mostra i risultati ottenuti nell’ultima prova eseguita
prima della separazione dei vari off-axis e trattamento superficiale.
La caratterizzazione della geometria del fuoco è stata fatta utilizzando il set-up di
Figura 11. Un fascio di un laser He-Ne è stato espanso e collimato; le caratteristiche del
fascio ottenute sono: diametro = 150 mm, divergenza < 1 mrad (corrispondente
all’allargamento per diffrazione). La radiazione è stata limitata con un schermo dove sono
stati praticati 8 fori di 6 mm di diametro, equispaziati lungo una circonferenza di 67 mm di
diametro. In questo modo si sono ottenuti una serie di fasci sonda paralleli adeguati ad
analizzare il paraboloide nella porzione di superficie dove si trovano gli specchi off-axis di
interesse. Il fuoco è stato acquisito con una telecamera WEB (Philips mod. PCA635VC)
utilizzata senza obbiettivo, direttamente sul CCD da ¼” con una risoluzione di 704X576
pixels.
WEB-CAM
Schermo
Beam Expander
Laser He-Ne
Figura 11. Set-up per la misura del fuoco dei paraboloidi usati per la fabbricazione degli
specchi off-axis di ingresso e uscita.
La telecamera è stata tarata utilizzando diverse immagini note di riferimento,
ottenendo il valore di 3.3x2.7 mm2 per l’immagine acquisita, corrispondente ad un pixel di
circa 4.7µm di lato. La Figura 12 mostra l’immagine degli 8 fasci acquisita nella regione
di focalizzazione per il paraboloide F300. La geometria dell’immagine segue molto
fedelmente la geometria dei fori sullo schermo, mostrando che il profilo della superficie è
fedele al progetto, almeno nella regione di 67 mm di diametro nella zona dove si trovano
gli specchi off-axis, dove è stata eseguita la misura.
La Figura 13 riporta le immagini del fuoco per i due paraboloidi corrispondenti ad un
singolo fascio di 6mm di diametro. Le dimensioni del fuoco sono per F300 circolari di
circa 80µm di diametro e per F150 ellittiche di circa 80µm x 160µm. Questi risultati sono
abbastanza in accordo con l’allargamento per diffrazione corrispondente al diametro del
disco di Airy che per λ=633nm è di circa 70µm. Il paraboloide F150 presenta comunque
un po’ di astigmatismo che non altera però il comportamento complessivo quando si
lavora a tutta apertura, come si vede nelle successive immagini di Figura 14. In questo
caso le immagini sono state ottenute lavorando con tutti gli 8 fasci provenienti dallo
18
schermo forato che si trovano su di una circonferenza di 67mm di diametro. Le dimensioni
dei fuochi sono simili: circolare di circa 240 µm di diametro per F300, e sempre ellittico di
circa 200µm x 270µm per F150.
Paraboloide F300
Figura 12. Immagine (3.3x2.7 mm2) acquisita nella regione di focalizzazione.
Paraboloide F300
Paraboloide F150
Figura 13. Immagine (0.7x0.7mm2) del fuoco per un singolo fascio di 6mm di diametro.
Paraboloide F300
Paraboloide F150
Figura 14. Immagine (0.7x0.7mm2) del fuoco per gli 8 fasci posti sulla circonferenza di
∅ = 67mm.
19
0
100 (µm)
Le immagini di Figura 14 sono state confrontate con la geometria degli spot calcolata
teoricamente col programma di ray-tracing e mostrata in Figura 15. Il calcolo è stato
eseguito tenendo conto delle varie aberrazioni presenti nel sistema dovute alla geometria
delle superfici; gli effetti di rugosità superficiale o di errore nella riproduzione del profilo
non sono stati presi in considerazione. Questo giustifica perché le immagini dei fuochi
sono circa doppie rispetto alle aspettative teoriche. In conclusione quindi i risultati
mostrano che le prestazioni sono ancora soddisfacenti.
(a)
-100
0
100 (µm)
-100
-100
(b)
0
100 (µm)
Figura 15. Diagramma dei fuochi per lo specchio off-axis di ingresso (a) e di uscita (b).
4) Misura della diffusione della superficie
La misura della diffusione dalla superficie può essere utilizzata per valutare l’ordine di
grandezza della rugosità superficiale.
Il set-up di misura è mostrato in Figura 16. Un fascio laser He-Ne viene fatto incidere
sui paraboloidi nella regione dove si trovano gli specchi off-axis di ingresso uscita, a circa
4.5cm dal bordo. La divergenza del fascio è di 1.3mrad che risulta trascurabile rispetto
all’angolo a cui viene diffusa la radiazione. La diffusione viene osservata su di uno
schermo a circa 0.5m di distanza per mezzo della stessa telecamera WEB della misura
precedente, questa volta montata con il proprio obbiettivo.
WEB-CAM
Schermo
Laser He-Ne
Figura 16. Set-up per la misura della diffusione dalla superficie dei paraboloidi usati per
la fabbricazione degli specchi off-axis di ingresso e uscita.
20
L’immagine della radiazione diffusa dai paraboloidi è mostrata in Figura 17 per F300 e
in Figura 18 per F150. L’immagine è stata ripresa senza lo spot centrale, mascherato con
della carta nera, in moda da diminuire il contrasto ed evidenziare la luce diffusa.
L’immagine è stata tarata misurando la distanza tra schermo e paraboloide e le dimensioni
lineari dello schermo. Una scala indicativa in gradi è riportata nelle figure.
4 deg
6 deg
Figura 17. Luce diffusa da F300.
8 deg
14 deg
Figura 18. Luce diffusa da F150.
Dalle precedenti figure si ricava che la diffusione si estende per circa 1deg nel caso di
F300 e per circa 6deg nel caso di F150.
6.2 Meccanica
I supporti meccanici sono stati realizzati su nostro progetto dalla officina AMV di Tito
Scalo, Potenza e dall’officina meccanica IM di Borgo San Lorenzo, Firenze, in lega di
alluminio di alta qualità ALCOA ALCA PLUS (Produzione Alcoa). Il materiale è
prodotto in lastre pre-lavorate, ricavate per fusione, stabilizzate in forno e fresate, a bassa
porosità; presentano elevata stabilità dimensionale, planarità controllata e bassa rugosità
superficiale. La Tabella 5 indica i nominativi delle Officine meccaniche che hanno
contribuito alla realizzazione dei supporti. Alcuni di questi oggetti sono veri e propri
sottosistemi e saranno descritti con maggiori dettagli nel seguente Paragrafo 0.
21
Tabella 5. Nominativi delle Officine che hanno fabbricato i componenti meccanici.
Realizzazione
Officina Verdelli, Fi
Piastra forata per mondaggio in
campana sottovuoto
Officina AMV, Tito Scalo, Pt
Supporti per specchi interferometro
Gruppo laser di riferimento
Officina IM, Borgo San Lorenzo, Fi
Gruppo rivelatori
Officina IM, Borgo San Lorenzo, Fi
Gruppo calibrazione
Officina IM, Borgo San Lorenzo, Fi
Una stima del peso dei componenti meccanici dà un valore totale di circa 42 Kg che
potrebbe essere alleggerito con poche modifiche fino ad un valore di 34 Kg. La Tabella 6
mostra la distribuzione analitica del peso tra i diversi componenti meccanici e il valore dei
possibili alleggerimenti.
Tabella 6. Pesi dei componenti meccanici.
Elemento
Supporto specchio
Supporto specchio
Supporto specchio
Supporto specchio
Supporto specchio
P1-2
P2-2
P3-2
P4-2
P5-2
Supporto parabole PP1
Supporto parabole PP2
Supp. specchio ripieg. SR1
Supp. specchio ripieg. SR2
Supporto Beam-splitter
Gruppo movimento fless.
Gruppo allineamento Laser
Gruppo rivelazione
Corpi Neri
Gruppo ottica ingresso
Piastra di montaggio
Totale
Laboratorio
(Kg)
1.65
1.7
1.75
1.72
1.76
0
2.5
2.4
0
.45
.45
0
2.65
0
2.0
0
0.9
0
1.2
0
1.5
0
1
0
18
0
41.63
22
Allegg. 1
(Kg)
1.4
1.35
1.4
1.4
1.4
0
1.95
1.95
0
.3
.3
0
1.82
0
2.0
0
.9
0
1.2
0
1.5
0
1
0
16
0
35.87
Allegg. 2
(Kg)
1.25
1.2
1.2
1.2
1.2
0
1.5
1.5
0
.3
.3
0
1.82
0
2.0
0
.9
0
1.2
0
1.5
0
1
0
16
0
34.07
Note
senza motore
stimato
stimato
stimato
stimato
7. Progetto e realizzazione dei sottosistemi
La complessità presente in molte parti dello strumento ha richiesto uno studio ed un
progetto molto più accurato di alcuni sottosistemi. In questo paragrafo, sono riportati in
risultati relativi ai sottosistemi più complessi dai quali dipendono fortemente le prestazioni
dell’intero sistema.
7.1 Unità specchi a tetto (Roof-Top-Mirror Unit - RTMU)
Questa unità è di fondamentale importanza per il trasferimento dei fasci FIR dal piano
degli ingressi a quello delle uscite; il suo spostamento determina la scansione
interferometrica, minitorata dal fascio laser dell’interferometro di riferimento. Il
componente è stato realizzato a partire dallo schema mostrato in Figura 3. Per diminuire
l’ingombro longitudinale, i vertici contrapposti del doppio specchio a tetto sono stati fatti
compenetrare l’un l’altro, come indicato dalle linee tratteggiate in Figura 19(a), mentre la
riflessione del fascio FIR è stata ottenuta con due prismi. Il componente è stato realizzato
incollando sul supporto meccanico i vari componenti ottici, secondo il disegno di Figura
19(b), che mostra anche la posizione di uno dei due prismi piccoli utilizzati per
l’allineamento del fascio del laser di riferimento; l’altro prisma piccolo si trova montato,
con il vertice contrapposto, sul lato opposto del supporto. Entrambi i prismi piccoli sono
fissati ad uno speciale supporto a flessione che consente l’aggiustamento del tilt del
prisma intorno all’asse verticale dello strumento; i dettagli del supporto sono mostrati in
Figura 20.
.
Prisma FIR
RTMA
RTMB
Prisma FIR
(b)
(a)
Figura 19. Schema dell’unita RTMU.
23
prismi
Figura 20. Sistema di allineamento dei prismi fascio laser.
La geometria del componente soddisfa ai requisiti di compensazione per errori di tilt
(entrambi i gradi di libertà) e di lateral shift (un solo grado di libertà, nella direzione
parallela allo spigolo dei prismi). Per realizzare la compensazione occorre che l’angolo al
vertice dei due roof-top-mirror virtuali, che realizzano la riflessione FIR, sia di 90° e, per
ottenere un allineamento interferometrico, questo valore deve avere un’accuratezza di 10
arcsec). Dato che l’errore di allineamento interferometrico può essere sempre corretto con
le regolazioni fini presenti sui BS, il requisito che prendiamo per l’angolo di 90° è di
20arcsec sia per l’allineamento dei prismi FIR che per l’angolo al vertice dei due prismi
dell’interferometro di riferimento.
I prismi, in vetro di qualità ottica, sono stati realizzati, assemblati e caratterizzati
presso il Servizio di Lavorazioni Ottiche dell’IFAC; mentre la deposizione dello strato
riflettente in Ag+SiO2 è stata eseguita dalla ditta LAV di Firenze; le caratteristiche di
realizzazione dei componenti ottici sono riportate in Tabella 7. Per il fissaggio alla
struttura meccanica è stata utilizzata una colla epossidica a bassa tensione di vapore adatta
a applicazioni sottovuoto. L’allineamento è stato curato durante l’incollaggio e verificato a
posteriori, per mezzo di un autocollimatore, con accuratezza di 1 arcsec. Si è ottenuto una
precisione di 5 arcsec per l'allineamento dei prismi FIR tra di loro, 20arcsec per
l’allineamento dei prismi piccoli, e 10arcsec per l’allineamento relativo tra i prismi FIR e
quelli piccoli. I risultati sono ampiamente all’interno delle specifiche di allineamento
richieste per questo componente.
Due fotografie del sistema completo di prismi FIR e prismi piccoli per l’allineamento
del laser di riferimento sono mostrate in Figura 22.
24
Tabella 7. Caratteristiche ottiche dei componenti dell’unità RTMU.
Materiale
Precisione angolo di 90°
(arcsec)
Planarità
superficie
riflettente
Rugosità
superficie
riflettente
Prismi FIR
BK7
2
> λ/8
< 10 Å rms
Prismi laser
riferimento
BK7
2
> λ/10
< 10 Å rms
(n=1.51)
Figura 21. Fotografie del sottosistema RTMU
25
7.2 Unità dei Beam Splitters (Beam_Splitter Unit – BSU)
Il sottosistema dei BS è costituito dall’insieme dei 4 BS, che intervengono nella
suddivisione/ricombinazione dei fasci dell’interferometro FIR, e dal BS
dell’interferometro laser di riferimento. Il supporto meccanico di montaggio e di
allineamento dei BS è stato progettato in modo da consentire il controllo separato di tutti i
componenti, Figura 22. Il controllo avviene tramite viti micrometriche con la precisione
richiesta di 0.05mrad per quanto riguarda i BS del fascio FIR, e tramite viti metriche M3,
con molle a tazza di richiamo, per quanto riguarda il BS del fascio del laser di riferimento,
che ha dei requisiti di allineamento più rilassati.
FIR
P4
FIR
P2
Laser
FIR
P1
FIR
P3
Figura 22. Sistema BSU di montaggio dei BS (P1-4).
Allo stato attuale, il supporto meccanico consente di alloggiare BS con le dimensioni
caratteristiche riportate in Tabella 8. Allo scopo di poter utilizzare BS con dimensioni
diverse, si è quantificato l’entità delle modifiche possibili al supporto meccanico
compatibili con la geometria generale dell’interferometro. Questa analisi ha permesso di
identificare le dimensioni massime dei BS che il prototipo può accettare e che sono
riportati in Tabella 9.
26
Tabella 8. Requisiti meccanici attuali per i BS.
BS
(P3/4)
Tolleranza
(mm)
Useful surface diameter (mm)
Polarizzatori di
input/ouput
(P1/2)
65
55.8
-
External ring diameter (mm)
77
65.6
+0/-0.05
Ring thickness (mm)
7.0
6.0
+0/-0.05
Tabella 9. Dimensioni massime dei BS accettabili dal prototipo.
Input/output polarisers (P1/2)
External ring diameter
Ring thickness
BS (P3/4)
External ring diameter
Ring thickness
< 80 mm
≤ 10 mm
< 75 mm
≤ 10 mm
7.2.1 Descrizione dei BS in poliestere e fotolitografici
Sono stati sviluppati due serie di BS: 1) BS di ampiezza in poliestere e 2) BS a
polarizzazione.
BS di ampiezza in Mylar
Questi tipo di BS è stato sviluppato per eseguire l’allineamento preliminare con il laser
di guida He-Ne dell’interferometro FIR. In pratica possono essere anche utilizzati sia per
ottimizzare l’allineamento interferometrico che per una caratterizzazione preliminare nel
FIR, sfruttando il fatto che questi componenti hanno un’efficienza buona almeno in una
regione ristretta dello spettro di interesse, tra 600 e 900 cm-1.
Sono stati realizzati presso l’IFAC, utilizzando anelli di acciaio, prodotti dall’Officina
IM di Borgo San Lorenzo, di due diametri che corrispondono alle dimensioni riportate in
Tabella 8, e un film di poliestere, dello stesso tipo commercializzato col nome Mylar, di
2µm di spessore. In Figura 23 è mostrata una fotografia del componente realizzato.
La planarità del componente è stata verificata pressi il Servizio di Lavorazioni Ottiche
dell’IFAC con un pianometro ottico che utilizza una lampada al Na come sorgente. Le
frange di interferenza sono mostrate in Figura 24.
Le caratteristiche principali dei BS realizzati sono riassunte di seguito:
- materiale film = poliestere
- indice di rifrazione = 1.64÷1.67
- spessore = 2µm
- errore di planarità = circa 3.5µm picco-picco, dalla Figura 24.
27
Figura 23. Fotografia di un BS di ampiezza in poliestere realizzato presso l’IFAC.
Figura 24. BS di ampiezza: frange di interferenza dovute all’errore di planarità.
BS a polarizzazione
Il BS a polarizzazione è il tipo di componente necessario per realizzare lo spettrometro
FTS nella configurazione ottica a polarizzazione. Grazie all’utilizzo della polarizzazione,
questo componente consente di ottenere un’efficienza interferometrica elevata e
praticamente costante su tutta la banda di REFIR.
Il BS è ottenuto per mezzo di una griglia metallica realizzata su un film sottile di
Mylar che funziona come un polarizzatore lineare. Tipicamente si deposita sul film uno
strato d’oro e per via fotolitografica si incide la geometria della griglia. I fili metallici così
ottenuti hanno la caratteristica di far passare la radiazione con campo elettrico ortogonale
28
alla direzione dei fili e riflettere la radiazione con campo elettrico parallelo. L’efficienza di
polarizzazione è costante e buona per tutte le frequenze con lunghezza d’onda >> del
passo della griglia.
4 campioni di questo tipo di BS, dello standard adatto ad essere montati sul supporto
del prototipo, sono stati realizzati presso il QMW College, Cardiff University. Una
fotografia di un campione è mostrata in Figura 25; anche in questo caso è stata verificata
la planarità dei componenti ed è stato misurato al microscopio il passo della griglia, Figura
26. Le caratteristiche principali sono:
- materiale film = Mylar;
- materiale griglia = oro;
- passo griglia = 2.03µm, dalla Figura 26(b)
- errore di planarità = 1.6µm picco-picco, dalla Figura 26(a).
Figura 25. Fotografia di un BS a polarizzazione su Mylar realizzato presso il QMW.
600X
Figura 26. BS a polarizzazione: (a) frange di interferenza dovute all’errore di planarità,
(b) immagine al microscopio 600X della griglia metallica.
29
7.3 Sistema laser di riferimento (Reference Laser System – RLS)
Il sistema laser di riferimento è costituito da un interferometro laser che condivide lo
stesso cammino ottico dell’interferometro FIR, Figura 27, un diodo laser come sorgente
monocromatica e un fotodiodo al Si come rivelatore,. Il fascio laser collimato entra
nell’interferometro attraverso il BS-laser posizionato sull’unità RTMU, viene suddiviso
nei due bracci dell’interferometro e ripiegato verso l’unità mobile RTMU. I prismi piccoli,
montati su questa unità, sono orientati in modo da rinviare il fascio verso la direzione di
incidenza, traslato di pochi mm verso l’alto. A questo punto i fasci ripercorrono
l’interferometro parallelamente ai fasci di arrivo e si ricombinano sullo stesso BS-laser
verso il rivelatore che si trova, rispetto al laser, traslato di pochi mm verso l’alto. La
misura del segnale di interferenza fornisce un segnale di riferimento per la misura della
differenza di cammino ottico tra i due bracci dell’interferometro, durante il movimento di
RTMU, e viene utilizzato per la calibrazione della scala dell’interferogramma nel FIR.
Gli specchi di ripiegamento, i prismi di rinvio su RTMU e il BS sull’unità BSU sono
montati in maniera solidale sugli stessi supporti meccanici dei rispettivi componenti ottici
che lavorano sul fascio FIR. Questo garantisce che la misura del sistema di riferimento sia
una misura attendibile per l’interferometro FIR.
RTMU
Laser
Rivelatore
Figura 27. Interferometro laser di riferimento, fascio tratteggiato.
Il diodo laser e il rivelatore sono montati su di una basetta meccanica completa di
specchi di ripiegamento utilizzati per l’allineamento dell’interferometro laser di
riferimento, Figura 28 e Figura 29.
30
Figura 28. Schema del piano laser-rivelatore del sistema RLS.
Fotodiodo
Modulo
Laser
Figura 29. Fotografia del piano laser-rivelatore del sistema RLS.
Il diodo laser è stabilizzato in temperatura, tramite un elemento termoelettrico a
giunzione Peltier, con la precisione di 0.1mK ed è alimentato con corrente costante. Il
circuito elettronico di controllo garantisce una larghezza sufficiente per la misura. Il
modulo laser contiene anche un sistema ottico di collimazione che permette di ottenere un
fascio collimato di sezione ellittica di circa 2mm x 3mm. La Tabella 10 riporta le
31
caratteristiche principali dei componenti utilizzati nella implementazione sperimentale
dell’unità RLS.
Tabella 10. Caratteristiche dei componenti dell’unità RLS.
Componente
Modello
Caratteristiche principali
Produttore
Specchi
BB05-E02
Dielettrico broadband: 490-690 nm,
Fused-silica, planarità = λ/10
THORLABS
Diodo laser
HL6320G
λ = 635nm, P=10mW
HITACHI
Ottica
collimazione
C230TM-B
Rivelatore
Elemento
termoelettrico
(Peltier)
Lente asferica, N.A. = 0.55, vetro BK7, THORLABS
trattamento 600-1050nm
IPL10530DAL
Fotodiodo al Si con lente di
focalizzazione e amplificatore
integrato, banda = 65kHz
Integrated
Photomatrix
Limited
33.4W
Quadrata 30mm x 30mm
MELCOR
7.4 Unità di rivelazione piroelettrica (Pyroelectric detector Unit – PDU)
L’unità di rivelazione piroelettrica è costituita da due rivelatori piroelettrici stabilizzati
in temperatura e dal sistema di raccolta della radiazione uscente dall’interferometro, che
ottimizza l’accoppiamenato con il rivelatore stesso.
7.4.1 Rivelatori piroelettrici
Come rivelatore piroelettrico è stato scelto un rivelatore in materiale organico
DLATGS (Deuterated L-Alanine Doped Triglycene Sulphate) con elevate prestazioni,
prodotto dalla BAE Systems, seguendo le indicazioni riportate nello studio di fattibilità
della CE. Il materiale con cui viene realizzato l’elemento sensibile risulta fortemente
igroscopico e si danneggia se sottoposto ad un’esposizione continua all’aria. Per evitare la
degradazione delle prestazioni, il rivelatore viene fornito con una finestra di protezione.
Per la banda di lavoro di REFIR, ci sono due possibilità offerte dal produttore dei
rivelatori: il polipropilene e il CsI, le cui trasmissione è mostrata in Figura 30. Per le
nostre applicazioni è stato scelto il CsI che garantisce una copertura migliore a grandi λ. I
rivelatori piroelettrici, tipicamente hanno una risposta in frequenza molto limitata, tipo un
passa banda molto stretto intorno ad 1Hz. Anche il rumore diminuisce con la frequenza
con il risultato che il SNR tende a rimanere costane ed il rivelatore può essere utilizzato
per bande di frequenza elevate: tipicamente da 10Hz a 3kHz. Come esempio, in Figura 31
sono riportati gli andamenti tipici della risposta e del NEP di un rivelatore DLATGS
prodotto dalla BAE Systems, serie 106.
32
Figura 30. Trasmissione tipica del polietilene e del CsI usati nei rivelatori della BAE.
Figura 31. Risposta relativa (a) e NEP (b) in funzione della frequenza dei rivelatori
DLATGS della BAE Systems, Serie 106.
Le caratteristiche principali dei rivelatori scelti per la realizzazione dell’unità PDU
sono riportati in Tabella 11.
33
Tabella 11. Caratteristiche principali dei piroelettrici BAE Systems con finestra in CsI.
Modello
Dimensioni
elemento
Risposta a
100Hz (V/W)
NEP a 100Hz
(W/Hz1/2)
D*
(cm Hz1/2 W-1)
Serie 106 -P5291
2mm x 0.5 mm
1032
1.8x10-10
1.0x109
Serie 105 – P5315
Circ.∅=2.0mm
1250
3.2x10-10
5.0x108
7.4.2 Stabilizzazione termica
La stabilizzazione in temperatura è necessaria per massimizzare le prestazioni del
piroelettrico. Tipicamente la temperatura di lavoro è quella ambiente, con gli estremi di –
20 °C e +55 °C; il massimo delle prestazioni si ha comunque intorno a 30 °C, come si può
ricavare dall’analisi di Figura 32.
Figura 32. Prestazioni di un piroelettrico DLATGS in funzione della temperatura.
La stabilizzazione della temperatura a 30°C è ottenuta per mezzo di un elemento
riscaldante, termicamente connesso con il supporto meccanico del rivelatore, e controllato
elettricamente da un circuito on/off che consente una precisione di 0.5°C. Questo sistema
è prodotto dalla MINCO (Heaterstat Sensorless Temperature Controller) e fa uso della
dipendenza dalla temperatura della resistenza dell’elemento riscaldante per ottenere la
stabilizzazione richiesta. Il sistema è molto semplice ed affidabile: richiede in ingresso
solo la tensione di alimentazine.
7.4.3 Ottiche di raccolta
Le ottiche di raccolta hanno lo scopo di concentrare la radiazione che esce
dall’interferometro attraverso l’ottica di uscita L2 verso il rivelatore. Tipicamente infatti le
ottiche di uscita di un interferometro non riescono a concentrare la radiazione su
dimensioni confrontabili con quelle dei rivelatori, che sono di solito molto piccole, per
ridurre il rumore intrinseco del rivelatore stesso. Nel nostro caso, ad esempio, le
dimensioni del fuoco del paraboloide off-axis di uscita sono di circa 9.6mm di diametro,
mentre le dimensioni dell’elemento sensibile del piroelettrico sono, nel caso migliore del
34
rivelatore più grande, di 2mm di diametro. L’efficienza di accoppiamento risulta quindi
nel caso migliore sempre molto bassa, circa il 4.9%. Inoltre il rivelatore ha un angolo di
accettazione della radiazione molto più elevato dell’apertura del fascio che proviene
dall’ottica di uscita. Tipicamente un rivelatore DLATGS della BAE Systems montato sul
package TO5 ha un campo di vista di ±43°. In conclusione è necessario un sistema di
concentrazione della radiazione che permetta di utilizzare tutto il throughput ottico del
rivelatore.
Nel nostro lavoro sono stati studiati e realizzati due sistemi: (a) una lente convergente
a menisco in polietilene ad alta densità (PE-HD) prodotto da Cattaneo S.p.A. e (b) un
concentratore a cono di Winston.
(a) Lente convergente in PE-HD.
La caratteristica principale che limita le prestazioni del sistema ottico è la trasparenza del
materiale nel range di frequenza di REFIR. Per ridurre le perdite di assorbimento, la lente
è stata progettata in modo da minimizzare lo spessore; la geometria più appropriata è
quella del menisco con le dimensioni mostrate in Figura 33. Lo spessore massimo al
centro è di 2.5mm che determina una trasparenza minima dell’ordine del 60%.
Figura 33. Progetto lente di concentrazione dell’uscita.
I parametri ottici nel FIR tipici del PE-HD, utilizzati per il progetto della lente sono
riportati nella
Figura 34 e Figura 35 7.
35
Figura 34. Trasparenza del PE-HD nel FIR per diversi spessori.
36
Figura 35. Coefficiente di assorbimento α, riflettività R e indice di rifrazione n del PEHD nel FIR
37
(b) Concentratore a cono di Winston.
I coni di raccolta sono ottiche che non formano immagini come le lenti, ma hanno il
vantaggio di massimizzare l’accoppiamento con il rivelatore 8. Infatti il cono può essere
progettato in modo tale che il fascio accettato in ingresso sia coincidente con il cono della
radiazione uscente dall’interferometro e il fascio di uscita sia coincidente con il cono di
accettazione del rivelatore. In pratica, un concentratore consente di adattare perfettamente
il throughput dello strumento a quello del rivelatore. La geometria che meglio si presta a
questo scopo è quella del cono di Winston, un particolare cono la cui sezione interna della
superficie riflettente è di forma parabolica, Figura 36. In principio se trascuriamo le
perdite per riflessioni all’interno della superficie del cono, l’efficienza di accoppiamento
può essere molto elevata vicino al 100%. In pratica, almeno nel nostro caso, la situazione
è complicata dalla presenza della finestra presente sul rivelatore, necessaria per la
protezione del materiale sensibile che si deteriora se rimane a contatto con l’umidità
presente nell’aria. La finestra impedisce di posizionare l’elemento sensibile direttamente a
contatto con l’apertura di uscita del cono, riducendo così l’efficienza di accoppiamento. E’
in corso lo studio di fattibilità di un sistema ottenuto rimuovendo la finestra in CsI,
presente sui rivelatori della BAE Systems, e montando il rivelatore quasi a contatto
dell’uscita del cono. La protezione è ottenuta con un’altra finestra montata all’ingresso del
cono, questa volta in MYLAR, che ha inoltre un range spettrale di trasparenza più esteso
del CsI.
Figura 36. Geometria del cono di Winston, f = apertura, d1 = diametro del fascio di
ingresso, e d2 = diametro del fascio di uscita.
Per lo sviluppo del prototipo è stato scelto un cono realizzato dalla Infrared
Laboratories, modello QOC-NI 002, ID=20, in nickel ricoperto d’oro con f=3.56,
d1=8.9mm, e d2=1.4mm, che si adatta abbastanza bene al fascio di uscita
dall’interferometro dallo specchio off-axis L2 corrispondente a f=2.53 e diametro in
pupilla =9.6mm.
Una valutazione indicativa dell’efficienza di accoppiamento tra le ottiche di raccolta scelte
per il prototipo e i rivelatori della BAE System è riportata per le varie combinazioni in
38
Tabella 12, trascurando le varie perdite dovute all’assorbimento dei mezzi e alla
riflessione.
Tabella 12. Stima dell’efficienza di accoppiamento tra il cono Infrared Laboratories, mod.
QOC-NI 002, ID=20 e i rivelatori BAE Systems.Le perdite per assorbimento dei materiali
e riflessioni delle diverse superfici sono state trascurate.
Serie 106
Serie 105
dimens. 0.5mm x 2mm
dimens. ∅=2mm
Lente in PE-HD
60%
60%
Cono Infrared Lab.
5%
64 %
Cono Infrared Lab.
67 %
100 %
a contatto col rivelatore
7.4.4 Assemblaggio meccanico
Il sistema PDU è assemblato sopra una basetta di alluminio secondo lo schema
mostrato in Figura 37(a), dove sono riportati i dettagli di montaggio relativi ai coni di
Winston. Sono consentiti due movimenti di traslazione xz per l’allineamento geometrico
dell’ingresso del sistema di raccolta con la pupilla di uscita dell’interferomentro. Il
supporto meccanico delle ottiche di raccolta è abbastanza generale da adattarsi anche
all’uso delle lenti in PE-HD, come mostrato in Figura 37(b) e Figura 38(a). La fotografia
Figura 38(b) mostra la basetta con il rivelatore allineato con il cono di Winston; nella foto
sono visibili anche le batterie di alimentazione e i connettori di alimentazioni e segnali.
Cono
Lente
Detector
(a)
(b)
Figura 37. Schema del piano dei rivelatori piroelettrici, (a) unità PDU, (b) supporto
rivelatore con cono e/o lente in PE-HD.
39
(a)
(b)
Figura 38. Fotografie della basetta con montata la lente in PE-HD (a) e del piano dei
rivelatori con il cono di raccolta e un rivelatore piroelettrico BAE (b). Nella foto (b) sono
visibili anche le batterie di alimentazione e i connettori di alimentazioni e segnali.
7.5 Sistema di controllo e acquisizione (Acquisition and Control System – ACS)
Il sottosistema ACS è responsabile del controllo elettronico dello strumento e
dell’acquisizione dei segnali interferometrici. Uno schema a blocchi dell’elettronica è
riportato in Figura 39.
Storage dei Dati
(DS)
Scheda PC
Acquisizione
Segnali
interferometrici
(SA)
Acquisizione
Housekeepings
(HA)
Controllo
Scansione
(SC)
Controllo unità RCS
(RC)
Figura 39. Schema a blocchi dell’elettronica delle sistema ACS.
40
Dalla Tabella 1 e dal Par. 2, si ricavano i requisiti che l’elettronica del sistema ACS deve
soddisfare per l’acquisizione dei segnali:
- Segnale interferometrico FIR: 2 canali a 31 ÷308 Hz, 18-bit;
- Segnale laser di riferimento: 2 canali a 4.86 kHz, 18-bit;
- Segnali di HSK: 24 canali a 1 Hz, 16-bit.
Facciamo notare che, essendo un’acquisizione sincrona per i canali del FIR e quelli
dell’interferometro di riferimento, il segnale deve essere sovracampionato per eseguire
correttamente la procedura di compensazione dell’errore di sampling 9; di almeno un
fattore 1.5 per il FIR e almeno un fattore 10 per le frange laser. Questa procedura richiede
quindi un frequenza di acquisizione dei canali interferometrici di circa 50kHz; i canali FIR
saranno poi decimati a circa 500Hz per l’analisi degli spettri.
Allo stato attuale, il sistema è stato realizzato con le seguenti schede:
PC = PC industriale AAEON, modello SBC587, con processore Tillamook-Pentium
Mobile MMX, 166/266 MHz;
SA = scheda di acquisizione ICS, modello 610, 4 canali 24-bit a 108kHz per canale;
SC = scheda di controllo della slitta P.I.;
DS = 2 HD 20GB in parallelo;
HA = non presente;
RC = non presente.
Figura 40. Schema del PC industriale AAEON SBC-597
Maggiori dettagli del sistema ACS sono riportati nelPar- 8.
41
Figura 41. Caratteristiche della schema di acquisizione ICS-610.
7.6 Unità di controllo della scansione interferomentrica (Scan Motor Unit – SMU)
Questa unità, incaricata del controllo del movimento dell’unità RTMU, è composta da
una slitta lineare azionata da un motore passo-passo prodotta dalla P.I. e dalla meccanica
che sostiene l’ottica stessa, Figura 42.
La slitta P.I. consente, per mezzo di un sistema servo-loop, un controllo della
posizione con la precisione di 0.5µm e con un’accuratezza di velocità migliore dell’1%.
Queste caratteristiche consentiranno un controllo in tempo reale del meccanismo di
scansione ed una accurata diagnostica durante l’acquisizione dell’interferogramma.
Maggiori dettagli sulle specifiche tecniche di questa slitta sono riportate nel Par. 8.
42
Slitta P.I.
RTMU
RTMU
Figura 42. Schema di assemblaggio dell’unità SMU.
Figura 43. Unità SMU in primo piano.
7.7 Sistema di calibrabrazione radiometrica (Radiometric Calibration System – RCS)
Il sistema RCS ha lo scopo realizzare le misure necessarie per eseguire la calibrazione
radiometrica della scena incognita. E’ costituito da una serie di sorgenti note di
riferimento a diverse temperature (Black Body – BB) e dal sistema ottico che permette di
43
osservare alternativamente la scena incognita e le sorgenti note. Nello studio di fattibilità
della CE sono stati individuati i requisiti che la procedura di calibrazione deve soddisfare:
osservazione, attraverso il canale di ingresso che guarda la scena incognita, di una
sorgente fredda (Cold BB - CBB) e di una calda (Hot BB - HBB) e osservazione,
attraverso il secondo canale di ingresso, di una sorgente di riferimento (ad es. un BB a
temperatura ambiente). I requisiti di precisione radiometrica, Tabella 1, determinano i
requisiti che le sorgenti di riferimento devono soddisfare, riportati nella Tabella 13.
Tabella 13. Requisiti sulle sorgenti di riferimento.
100÷1000 cm-1
Spectral range
Emissività
0.975
Errore radiometrico
0.25 K
Errore termometri
0.1 K
Il sistema ottico di osservazione delle varie sorgenti è ottenuto con una riflessione a
45° tramite uno specchio rotante intorno ad un asse parallelo alla direzione di uscita del
fascio FIR dall’interferometro e controllato da un motore passo-passo.
7.7.1 Geometria dei BB
I requisiti che la geometria della cavità del corpo nero (BlackBody –BB) deve
soddisfare dipendono dalle caratteristiche di accoppiamento con lo strumento. In generale
possiamo individuare due posizioni in cui il BB può essere collocato e da cui dipende la
geometria stessa del BB: di tipo A in corrispondenza di fasci collimati più o meno in
pupilla e di tipo B in corrispondenza di fasci non collimati nei pressi del fuoco del sistema
ottico di ingresso. Tipicamente se lavoriamo con fasci collimati la geometria della cavità è
di tipo conico per assicurare un numero sufficiente di riflessioni interne alla cavità. Nel
caso di fasci non collimati, invece si utilizzano cavità cilindriche più profonde che
producono riflessioni nella zona più interna della cavità dove la stabilità termica è
migliore.
BB di tipo A
Si tratta di un BB con una cavità adattata per lavorare con fasci collimati.
Per il progetto si seguono le indicazioni date nello studio di Fase A del progetto ASIREFIR, Figura 44(a).
BB di tipo B
Si tratta di un BB con cavità cilindrica di circa 2.3cm di diametro di apertura e 6.5cm
di profondità e con il fondo a geometria conica per evitare riflessioni dirette dalla apertura
di ingresso, Figura 44(b).
44
E’ in corso lo studio dettagliato della geometria e dei materiali più appropriati per la
realizzazione di questa unità.
Supporto
meccanico
Cavità BB
Isolamento
termico
(a)
Schermo di
protezione
Fascio di ingresso
collimato
6.7cm
6.7cm
7.5cm
26°
(b)
Figura 44. Schema dei BB adottato come sorgenti di riferimento, (a) di tipo A per fasci
collimati, (b) di tipo B per fasci convergenti.
45
8. Software ed elettronica di controllo movimento ed acquisizione.
8.1 Sistema ACS – Acquisition and control system
L’interferometro viene gestito completamente via software mediante un PC industriale su
cui sono installate schede per l’acquisizione dei segnali dei sensori piroelettrici, dei
fotodiodi dell’interferometro LASER di riferimento e di vari segnali per il controllo del
buon funzionamento del’interferometro (temperature dei sensori, temperature di alcuni
componenti ottici quali specchi di ingresso e uscita, etc.). La figura schematizza i vari
processi di lettura/scrittura e le varie operazioni di controllo che il software esegue durante
le operazioni di misura.
Il sistema di acquisizione e controllo (ACS) è stato suddiviso, per una maggiore versatilità
e facilità per futuri aggiornamenti, in vari sottosistemi descritti in seguito in maggiore
dettaglio. Allo stato attuale il sottosistema per il controllo dei corpi neri di riferimento
manca della parte di controllo della temperatura via software, mentre sono già stati
SA
HS
Acquisizione
segnali
Acquisizione
House keeping
PC
SC
Controllo scansione
SCAC
DS
Scanning, Control &
Acquiring Code
Salvataggio dati
RC
Controllo corpi neri
realizzati alcuni prototipi di sorgente dei quali si può solo leggere la temperatura, senza
poterla programmare.Le frecce in figura rappresentano gli scambi di informazione tra i
vari sottosistemi e il programma di gestione/acquisizione e controllo.
46
8.2 Sottosistema SA (Acquisizione interferometro)
Come descritto nei capitoli precedenti, per una corretta procedura l’acquisizione deve
essere effettuata su 4 canali, due corrispondenti ai sensori piroelettrici dell’interferometro
nell’IR, altri due corrispondenti all’interferometro LASER di riferimento. Per una corretta
procedura di ricampionamento nello spazio, occorre evidentemente effettuare
un’acquisizione sincrona dei quattro segnali, per cui è necessario usare una scheda in
grado di acquisire contemporaneamente quattro canali in modo sincrono. L’altra
caratteristica importante richiesta alla scheda è la risoluzione a 24 bit, necessaria per l’alta
dinamica del segnale proveniente dai rivelatori piroelettrici. La scelta è caduta sulla
scheda di acquisizione ICS-610-4, che presenta le seguenti caratteristiche:
47
La scheda ICS-610-4 è dotata di filtri anti-aliasing a due poli programmabili, di guadagno
programmabile da software, bus PCI a 33 MHz. La conversione analogica-digitale viene
effettuata con ADC di tipo Sigma-Delta, a una frequenza massima pari a 108 kHz. Il
convertitore ADC utilizzato è del tipo AKM AK5393, e ottiene la conversione a 24 bit
sovracampionando il segnale con un fattore 64x o 128x, a seconda della frequenza di
acquisizione programmata. Il convertitore AK5393 è anche dotato di un filtro passa-alto
per l’eliminazione di eventuale rumore a bassa frequenza, con taglio posto a (FO/48) Hz,
dove FO è la frequenz di acquisizione programmata espressa in kHz. Questo corrisponde a
una frequenza di taglio pari a 2.25 Hz per il massimo rate di acquisizione, 108 kHz. Il
filtro passa-alto del convertitore ADC può in ogni caso essere disabilitato.
La scheda fornisce in uscita i dati in formato a 32-bit, ponendo uguale a zero i bit
non utilizzati. La scheda può inoltre fornire i dati a una risoluzione pari a 16-bit, in tal
caso i dati corrispondenti a due canali vengono raggruppati in un singolo pacchetto a 32bit.
La scheda utilizza per l’acquisizione sincrona dei canali un clock interno
programmabile con una risoluzione pari a 20 Hz, ma è in grado di utilizzare anche un
eventuale clock esterno. Utilizzando il clock interno la scheda può acquisire a una
frequenza minima di 2 kHz, mentre con l’utilizzo di un clock esterno può scendere fino a
1 kHz. L scheda inoltre h la possibilità di decimare il segnale in uscita, anche se in questo
modo si deve provvedere agli opportuni filtri anti-aliasing.
La scheda è dotata di ingressi differenziali, con impedenza pari a 1 MΩ, e con
fondo scala, dipendente dal guadagno programmato, pari a 1,2, 5 o 10 Vpp. Il rapporto
segnale/rumore offerto dalla scheda è di norma migliore di 90 dB, e la risposta in
frequenza è piatta su tutta la larghezza di banda.
L’acquisizione può essere avviata mediante un segnale su bus PCI, attraverso un
controllo software, o mediante un trigger esterno con un segnale TTL. Le operazioni di
acquisizione su tutti i canali sono sincronizzate in modo automatico.
La scheda è fornita di drivers software per la programmazione sotto il SO WinNT.
Non possiede drivers specifici per LabView, per cui sono state utilizzate routine scritte in
C/C++ per il controllo dei parametri della scheda di acquisizione. E’ inoltre fornita di
drivers per Linux, fatto utile in vista di una possibile riscrittura del programma di gestione
dell’interferometro sotto questo sistema operativo, che potrebbe offrire il vantaggio di una
48
maggiore stabilità ed affidabilità rispetto ai sistemi operativi di tipo windows. Di seguito
è visualizzato uno schema a blocchi dell’elettronica della scheda di acquisizione:
La scheda di acquisizione è stata testata con un generatore di forme d’onda
TEKTRONIX programmabile con il quale è possibile simulare le operazioni di
acquisizione dell’interferometro. Tra le altre prove effettuate, sono state confrontate le
forme d’onda acquisite con la scheda e quelle acquisite con un oscilloscopio
TEKTRONIX. La scheda, completamente programmabile, può acquisire 2 o 4 segnali, a
seconda che siano disponibili una sola o entrambe le uscite dell’interferometro. I segnali
acquisiti dall’interferometro di riferimento nel corso delle prove effettuate potranno essere
utilizzate per lo studio delle fluttuazioni delle velocità della piastra di spostamento.
49
8.3 Sottosistema HA – House Keeping
Per un corretto funzionamento dell’interferometro occorre tenere sotto controllo alcune
grandezze legate alla risposta dello strumento generalmente temperature di elementi ottici
e sensori. Le grandezze da tenere sotto controllo possono variare a seconda che si utilizzi
l’interferometro in laaboratorio o per un volo. Per ora gli HK previsti sono i seguenti:
Tipo di HK
Grandezza da misurare
Sensore utilizzato
Specchi di ingresso
Sensori piroelettrici
LASER diodo
Corpi neri riferimento
Ambientale
Ambientale
Altri elementi ottici
temperatura (2)
temperatura (2)
corrente (1)
Temperatura (2)
Pressione
Umidità
Temperatura (4)
PT100
PT100
Resistore alta precisione
PT100
Piezoresistivo
Ceramico
PT100
Tutti gli HK sono dotati di circuiti per poter rendere il segnale acquisibile mediante un
scheda di acquisizione in tensione. La scheda utilizzata è una NI, mod. PCI-6033E dotata
delle seguenti caratteristiche:
Scheda di Acquisizione National Instrument, mod. PCI-6033E
Massima frequenza di acquisizione: 100 kS/s
Risoluzione 16-bit
64 canali di ingresso analogici single-ended
differenziali
Due canali di output analogici a 16-bit
8 canali di I/0 digitali (5 V/TTL)
Due contatori a 24-bit
Trigger analogico o digitale (software)
Bus PCI
Drivers per LabView sotto WinNT e sotto Linux
o
32
Gli HK non presentano particolari problemi di acquisizione, in quanto vengono acquisiti
in modo molto lento (~secondi), e vengono quindi salvati in appositi files, come descritto
nel sottosistema DS.
Si prevede in futuro di acquisire altri segnali di controllo, riguardanti ad esempio la
posizione degli specchi di puntamento, di segnali provenienti da un’eventuale piattaforma
inerziale e dei dati provenienti da un’unità GPS.
50
8.4 Sottosistema SC - Controllo Scansione
Gli interferometri a trasformata di Fourier sono caratterizzate da avere parti in movimento,
di cui in genere si controlla la posizione con un interferometro LASER di riferimento. Nel
caso del REFIR la parte in movimento è costituita dagli specchi a tetto (sottosistema
RTMU),e la movimentazione è stata realizzata utilizzando un posizionatore lineare
costruito dalla Physik Instrumente, mod. M-126.DG.
Il posizionatore utilizza un motore DC in grado di fornire un incremento minimo della
posizione pari a 0.1 µm ed è dotato di encoder ottico. Il posizionatore è inoltre dotato di
una scheda interfaccia su bus ISA che permette il suo utilizzo da un software generico o
da programmi scritti ad hoc per l’applicaizione a cui lo si dedica. Nel caso del REFIR la
gestione della movimentazione degli specchi a tetto deve essere integrata nel programma
di acquisizione, per cui sono state utilizzate routine in C all’interno del programma, scritto
sotto LabView.
51
52
Il controller usato per pilotare la piastra di movimento è una scheda di interfaccia
PI, modello C-842, in grado di interfacciarsi con due motori contemporaneamente. La
scheda di interfaccia ha un meccanismo di controllo basata su un “closed-loop” digitale, e
usa per il controllo della velocità e della posizione i segnali provenienti da un encoder
ottico posto sulla piastra di movimentazione. Il movimento diventa così completamente
programmabile da software, permettendo la definizione di un profilo della velocità durante
le operazioni di scansione. La piastra è dotata inoltre di due switch di fine corsa.
La scheda è dotata di driver per Win9x e WinNT, il sistema operativo scelto per la
gestione del REFIR, e di librerie in C per l’interfacciamento con la piastra di movimento.
Tali librerie sono state utilizzate in ambiente LabView per le operazioni di
sincronizzazione tra il movimento e l’acquisizione. Tra le caratteristiche più utili del
sistema di movimentazione è sicuramente la possibilità di programmare la velocità di
scansione anche durante il moto della piastra, simulando in tal modo le eventuali
fluttuazioni che possono verificarsi con sistemi meno sofisticati. In tal modo sarà possibile
realizzare gli algoritmi più adatti ad una correzione dell’errore di velocità. Oltre la
velocità, la scheda permette di programmare anche i valori dell’accelerazione, in modo da
tenere sotto un completo controllo il movimento della piastra.
53
8.5 Sistema ACS – Sottosistema SCAC: Scanning, Control & Acquiring Code
8.5.1 Requisiti
Le operazioni di acquisizione dell’interferometro, come visto nei capitoli precedenti, sono
caratterizzate da operazioni di acquisizione e di movimentazione degli specchi a tetto
sincronizzate tra loro. Il software per il funzionamento in laboratorio deve provvedere
contemporaneamente a:
•
•
•
•
•
•
Muovere e controllare la posizione della piastra di movimentazione
Acquisire e salvare i segnali dell’interferometro IR e dell’interferometro LASER di
riferimento
Acquisire e salvare i segnali degli House-keeping
Controllare le temperature dei corpi neri di riferimento
Visualizzare in tempo reale la posizione della piastra, come misurata dall’encoder
ottico del motorino, visualizzare i segnali acquisiti dai sensori
Controllare malfunzionamenti delle varie schede di interfaccia, facendo visualizzare
eventuali messaggi di errore
Per operazioni di misura in volo, sono previste anche le seguenti operazioni di controllo:
• Acquisire posizione degli specchi ed eventuali segnali da piattaforme inerziali
• Acquisire segnali da sensori di posizione (tipo GPS)
La complessità e la varietà delle operazioni da eseguire hanno indirizzato la progettazione
dell’elettronica verso un sistema basato su un PC industriale, dotato sia di bus PCI che di
bus ISA. Attualmente il sistema è costituito da un PC industriale che ospita la scheda che
controlla il movimento, su bus ISA, la scheda di acquisizione ICS-610-4, utilizzata per i
segnali dei sensori piroelettrici e fotodiodi, su bus PCI, e la scheda NI XXX, utilizzata per
l’acquisizione dei segnali provenienti dagli HK. Le tre schede vengono fornite di drivers
la programmazione sotto il SO Windows-NT.
8.5.2 Ambiente di programmazione: LabView
Si è scelto di realizzare il programma di gestione ed acquisizione in ambiente LabView6i,
mediante il quale possono essere realizzati programmi di acquisizione ed
interfacciamento, coniugandoli a una grafica molto potente. LabView6i permette inoltre la
realizzazione di sotto-programmi in grado di funzionare in parallelo, rendendo più
semplici sia le operazioni di sincronizzazione che quelle di acquisizione dei segnali di HK.
Infine è possibile chiamare dall’interno di un programma scritto in LabView routine
scritte in C,C++ o FORTRAN da utilizzare per la pre-elaborazione del segnale, per il
calcolo dello spettro e per le operazioni di calibrazione. Non essendo disponibili drivers
specifici per la scheda di acquisizione ICS-610-4 e per la scheda di controllo del
movimento, è stato necessario utilizzare sottoprogrammi in C in gradi di dialogare con
queste due schede.
54
8.5.3 Programma: considerazioni generali
Come descritto in precedenza, il programma che gestisce le operazioni del REFIR
deve provvedere contemporaneamente al movimento della piastra e la controllo della sua
posizione, all’acquisizione dei segnali interferometrici, all’acquisizione dei segnali di HK,
al salvataggio dei dati acquisiti e delle informazioni relative (ora dell’acquisizione, durata,
etc.) e al controllo di eventuali malfunzionamenti, generando eventuali messaggi di errore.
Il programma è stato realizzato per un utilizzo in un ambiente di laboratorio, ed è
finalizzato soprattutto a una migliore comprensione delle operazioni di misura e di come
esse influenzino gli spettri finali, per una messa a punto dello strumento. In un secondo
momento verranno rimosse dal programma le operazioni di controllo superflue, al fine di
renderlo più snello e più sicuro.
La figura mostra la schermata del programma, che presenta nella parte superiore due
sezioni di input e una sezione di output in cui vengono visualizzati alcuni parametri per il
controllo delle operazioni di movimento/acquisizione, e le sezioni di output nella parte
inferiore, in cui vengono visualizzati in tempo reale la posizione della piastra come letta
dall’encoder ottico, e i grafici dei segnali interferometrici.
55
Attualmente l’acquisizione dei segnali di HK avviene all’inizio e alla fine di ogni singola
acquisizione, e le misure non vengono visualizzate. In seguito si aggiungerà al programma
un’opzione in modo che l’utente possa inserire i tempi di acquisizione degli HK ed
eventualmente visualizzarli.
56
8.5.4 Sezione di input per la movimentazione
In questa sezione è possibile inserire l’intervallo di scansione della piastra e la velocità
con cui viene effettuata la scansione. In futuro sarà possibile variare la velocità della
piastra durante la scansione, in modo da poter simulare fluttuazioni di velocità.
Le posizioni iniziale e finale vengono fornite in cm, mentre la velocità è misurata in cm/s.
Tutte queste grandezze vengono convertite nelle unità utilizzate dalla scheda di
interfaccia, e visualizzate per un controllo da parte dell’operatore.
57
8.5.5 Sezione di input per l’acquisizione dei segnali interferometrici.
1
9
2
3
10
4
11
5
12
6
7
8
13
La seconda sezione di input riguarda i parametri per l’acquisizione dei segnali
interferometrici, ottenuti con la scheda ICS-610-4. Sono presenti sia parametri di ingresso,
che parametri di uscita impostati dal programma e visualizzati per un controllo delle
operazioni di acquisizione da parte dell’operatore:
1 – Meas Number (input): è il numero di scansioni da effettuare durante le operazioni di
misura. Per ogni scansione vengono effettuate due acquisizioni interferometriche, una
corrispondente al movimento di andata, l’altra al movimento di ritorno della piastra.
2 – Number of channels (input): rappresenta il numero di canali su cui acquisisce la
scheda, e può essere uguale a 2 o a 4, a seconda che si utilizzi uno solo o entrambi i
rivelatori piroelettrici.
3 – Input Voltage (input): è il voltaggio corrispondente al fondo-scala dell’acquisizione,
e può variare a seconda del guadagno impostato sulla scheda di acquisizione
4 – Input signal bandwidth (input): è un parametro legato al filtro di ingresso della
scheda ICS.
58
5 – Channel Output Rate (input): rappresenta la frequenza con cui i segnali
interferometrici vengono campionati. Viene impostata dall’utente a seconda della velocità
di scansione, e dipende essenzialmente dalla bontà con cui si vuole ricostruire il segnale
quasi-sinusoidale dell’interferometro LASER di riferimento.
6 – Trigger (input): da utilizzare nel caso in cui si preferisca utilizzare un trigger esterno,
di tipo TTL, come segnale per l’inizio dell’acquisizione. Al momento viene utilizzato un
trigger interno software.
7 – Clock (input): da utilizzare nel caso in cui si preferisca utilizzare un clock esterno per
il campionamento del segnale da acquisire. In tal caso la frequenza minima di acquisizione
è pari a 1 kHz, anzichè 2 kHz, come nel caso di Clock interno.
8 – Acq. Length (output): è il numero di punti da acquisire per ogni singolo canale.
Dipende dalla frequenza di acquisizione e dalla durata della scansione. Viene calcolato dal
programma, ed è fornito come output per un eventuale controllo da parte dell’operatore.
9 – Data files (input): rappresenta un “interruttore” per disabilitare o abilitare il
salvataggio dei dati su files. In questo modo è possibile effettuare operazioni di
movimento ed acquisizione per controllare il buon funzionamento dello strumento
semplicemente visualizzando i dati, senza salvarli.
10 – Gain/BW Word (output): è uno dei parametri di controllo che il software utilizza
nella fase di inizializzazione della scheda; è legato al guadagno e all’eventuale filtraggio
scelti dall’utente.
11 – ADC (MHz) (output): è uno dei parametri di controllo che il software utilizza nella
fase di inizializzazione della scheda; rappresenta la velocità del clock utilizzato per
pilotare l’ADC Sigma-Delta.
12 – Oversampling Ratio (Output): ): è uno dei parametri di controllo che il software
utilizza nella fase di inizializzazione della scheda; rappresenta l’oversampling applicato
all’ADC.
13 – Buffer Length (Output): è uno dei parametri di controllo che il software utilizza
nella fase di inizializzazione della scheda, e rappresenta la lunghezza del buffer di
memoria utilizzato per memorizzare i dati prima del trasferimento al PC per mezzo del bus
PCI.
59
8.5.6 Sezione di output: aggiornamento salvataggio ed eventuali messaggi di errore.
5
1
2
6
3
4
In questa sezione sono riportati alcuni dei parametri utilizzati dal programma e i codici di
errore legati ad eventuali malfunzionamenti della scheda di acquisizione:
1 – Acq. to do: sono le scansioni che restano da effettuare prima della fine delle
operazioni di acquisizione.
2 – Reading File Error: codice di errore corrispondente a un malfunzionamento della
scheda ICS durante le operazioni di acquisizione o di trasferimento dei dati tra scheda e
PC.
3 – File Handle: numero del file utilizzato dal programma per le operazioni di lettura dei
dati dalla scheda.
4 – File Name: nome del file utilizzato per salvare i dati acquisiti.
5 – ICS Error: codice di errore corrispondente a un malfunzionamento della scheda ICS
durante le operazioni di inizializzazione.
6 – numRead: numero di byte scambiati nelle operazioni di trasferimento dalla scheda
ICS al PC e viceversa.
60
E’ prevista in futuro la gestione degli eventuali errori dovuti al malfunzionamento della
sched adi acquisizione per gli HK.
61
8.5.7 Sezione di output: controllo posizione piastra e visualizzazione dei relativi messaggi
di errore
4
1
2
5
3
In questa sezione vengono visualizzate in tempo reale informazioni relative al movimento
e alla posizione della piastra, ed eventuali messaggi di errore dovuti a un suo
malfunzionamento:
1 – Position plot: grafico della posizione della piastra; viene ottenuta leggendo in tempo
reale l’encoder ottico posizionato sulla stessa piastra.
2 – Position: visualizza il valore della posizione letta in tempo reale dall’encoder ottico.
3 – Loop done: visulaizza il numero di scansioni effettuate dall’inizio delle operazioni di
misura.
4 – Error out: visualizza il codice e il tipo di un eventuale errore relativo alla
movimentazione. Inoltre visualizza in forma grafica (status) il buon funzionamento della
relativa scheda di controllo.
5 – Moving/not moving: visualizzatore dello stato della piastra di movimento.
62
8.5.8 Sezione di output: grafici dei segnali interferometrici
In questa sezione vengono visualizzati i segnali interferometrici: due provenienti dai
rivelatori piroelettrici, due provenienti dai fotodiodi dell’interferometro LASER di
riferimento.
Sull’asse x viene riportato il numero dell’acquisizione, mentre sull’asse y viene riportato il
numero letto dall’ADC, non normalizzato al fondo scala in volt. Da sottolineare che le
acquisizioni sono sincrone.
63
8.5.9 Programma di gestione REFIR: descrizione del funzionamento
Il programma di gestione ed acquisizione è stato organizzato a livelli di complessità
diversa, in modo da realizzarlo nel modo più versatile possibile e più facilmente
adattabile, in futuro, a eventuali nuove esigenze. In particolare, mancano ancora le parti
relative alla gestione dei corpi neri di riferimento, al passaggio dall’interferogramma allo
spettro, alla calibrazione in ampiezza delle misure.
2
1
3
La figura rappresenta il “listato” del programma di gestione del REFIR. I programmi
realizzati in ambiente LabView sono caratterizzati da “flussi” di dati, rappresentati dalle
linee colorate, e da blocchi di istruzione. Che possono essere eseguiti in modo sincrono o
asincrono. In particolora, sono visibili il blocco di istruzioni che provvede
all’inizializzazione dei sottosistemi (2), il ciclo di istruzioni (1) che gestisce il movimento
della piastra, ne legge e visualizza la posizione e controlla il verificarsi di eventuali errori,
e il ciclo di istruzioni per l’acquisizione e il salvataggio dei segnali interferometrici e dehli
House-keeping (3).
64
La figura è un esempio di istruzioni utilizzate per la programmazione. Essa rappresenta il
blocco di istruzioni che provvede a leggere la posizione della piastra dall’encoder ottico e
a visualizzarla su schermo sia sotto forma di numero che come grafico. Le istruzioni
indicate dalle frecce rosse sono chiamate a sottoprogrammi scritti in C, che provvedono a
dialogare con l’interfaccia tra PC e piastra di movimento. In modo analogo possono essere
utilizzate all’interno del programma routine scritte in C o in FORTRAN che provvedano
ad eseguire le operazioni matematiche più complesse legate al filtraggio digitale dei dati,
alla loro decimazione o compressione, al calcolo degli spettri e alla loro calibrazione.
65
Schema del programma di acquisizione
S
Parametri
ingresso
Inizializza i
sotto-sistemi
S
H
D
SA:
Acquisisce
segnali
interferometro
SA:
SC:
Muove, legge e
visualizza
posizione
SC:
Controlla/visualiz
za eventuali
errori
Controlla/visualiz
za eventuali
errori
HK:
Acquisisce
segnali
HouseKeeping
HK:
Controlla/
visualizza
eventuali errori
DS:
Visualizza e
salva su file le
acquisizioni
Ciclo
Controlla
fine
acquisizione
66
Fine
Dopo aver letto i parametri di ingresso, il programma provvede ad inizializzare i vari
sottosistemi utilizzati nel processo di acquisizione:
SC – Inizializza la scheda di controllo del movimento,controllandone il buon
funzionamento. In secondo momento provvede a portare la piastra a fondo corsa, in modo
da ottenere un riferimento di partenza, e quindi posiziona la piastra al limite inferiore della
scansione.
SA - Inizializza la scheda di acquisizione dei segnali interferometrici, effettuando un
check e impostando le operazioni di acquisizione utilizzando i dati inseriti dall’utente
(frequenza di acquisizione, etc.).
HK – Inizializza la scheda di acquisizione dei segnali di House-keeping.
DS – Controlla il funzionamento del disco, e crea eventuali directory in cui salvare i files
contenenti i dati relativi alle misure.
Dopo le operazioni di inizializzazione viene avviata l’acquisizione, provvedendo a
muovere la piastra (SC) e a lanciare la digitalizzazione dei segnali interferometrici (SA).
L’attuale versione del programma prevede l’acquisizione dei segnali di House-keeping
(HK) all’inizio e alla fine di ogni scansione. Nella prossima versione si potrà
programmare l’intervallo di tempo intercorrente tra una acquisizione e la successiva.
Durante la scansione il sottoprogramma che si occupa del movimento della piastra legge la
sua posizione mediante un encoder ottico, e la visualizza su grafico, in modo da poter
seguire l’andamento del movimento del sistema di specchi a tetto. Alla fine della
scansione il sottoprogramma che si occupa dell’acquisizione dei segnali interferometrici
provvede a visualizzarli su grafico.
Alla fine di ogni scansione il programma provvede a controllare eventuali
malfunzionamenti e, in caso positivo, a visualizzare il relativo messaggio di errore.
Infine il programma provvede al salvataggio su files dei dati raccolti (DS) secondo il
seguente formato:
\dd.mm.yyyy\int\XXXXint.dat
dati interferometrici, in formato binaria
\dd.mm.yyyy\log\XXXXlog.dat
dati identificativi dell’acquisizione, in ASCII
\dd.mm.yyyy\slow\XXXXslow.dat
binario
dati HK “lenti”(2/acquisizione), in formato
\dd.mm.yyyy\fast\XXXXfast.dat
formato binario
dati
HK
“veloci”(~50/acquisizione),
in
I dati vengono così salvati in una directory che identifica il giorno in cui viene effettuata la
misura.
67
Per ogni scansione vengono salvati 4 files, identificati da nomi aventi i primi quattro
caratteri in comune, che rappresentano un numero progressivo identificante la misura, e
gli altri caratteri identificativi del contenuto del file.
Un file contiene i dati relativi ai quattro segnali provenienti dai fotodiodi e dai sensori
piroelettrici, in forma binaria, in modo da occupare minore spazio su disco.
I dati relativi agli HK sono salvati su due file, a seconda del tipo. Attualmente sono
previsti solo HK “lenti”.
Infine è previsto il file di “log”, contenente le informazioni sull’acquisizione necessarie a
una sua corretta elaborazione: data e ora, eventualmente lette da un orologio di riferimento
esterno, del tipo fornito da un GPS, direzione di movimento della piastra, durata della
scansione, etc.).
68
9. Definizione delle specifiche utente per il breadboard (BB) e sviluppo di un modello
matematico di calibrazione per il BB.
Una calibrazione accurata del prototipo richiede lo sviluppo di un modello matematico
dello strumento. Tale attività si è articolata nei seguenti punti:
• Sviluppo di un modello matematico per la calibrazione radiometrica
• Determinazione delle caratteristiche strumentali “driver” per la calibrazione
• Analisi di sensibilità per variazione dei parametri d’ingresso del modello
• Determinazione dei requisiti di tolleranza dei parametri d’ingresso
• Determinazione dei requisiti del sistema di calibrazione radiometrica in laboratorio
• Indicazioni per la calibrazione a terra e in volo per lo strumento da pallone
Il modello matematico richiede come dati di ingresso:
- Configurazione strumentale
- Caratteristiche delle superfici riflettenti (tipo di coating, misure di riflettività ed
emissività)
- Temperatura di esercizio dell’interferometro e sua prevista variabilità temporale
- Caratteristiche del beam splitter
- Distribuzione angolare (prevista e/o misurata) della risposta dello strumento alla
radiazione incidente.
Nelle figure seguenti sono indicati alcuni risultati ottenibili con il modello. Nella Tabella
14 sono indicati i requisiti radiometrici definiti dall’utente. Nelle quattro figure che
seguono, si riportano rispettivamente gli error budget spettrali ed ed il dettaglio dei
contributi parziali agli error budgets.
Tabella 14 - Requisiti radiometrici definiti dall’utente
Scene
ref
280
cm-1
uW/cm2
W/m2
NEdT
SNR
100
0,025
0,00025
3,086
70,93658
200
0,028
0,00028
0,923
189,6348
300
0,032
0,00032
0,522
273,6874
400
0,04
0,0004
0,424
279,8057
500
0,045
0,00045
0,367
274,3654
600
0,055
0,00055
0,386
224,5302
700
0,065
0,00065
0,428
177,0327
800
0,075
0,00075
0,495
135,4498
900
0,087
0,00087
0,607
98,77907
1000
0,099
0,00099
0,763
70,93844
1100
0,112
0,00112
0,991
49,8004
69
overall budgets
1,2E-03
radiance [W/m2/sr/cm-1]
1,0E-03
8,0E-04
NEdL
BIAS
6,0E-04
DRIFT
NOISE
4,0E-04
2,0E-04
0,0E+00
0
200
400
600
800
1000
1200
wavenumber [cm-1]
Fig.- Error budget spettrale
BIAS @ 400 cm-1
47%
48%
Hot BB - bias T
Hot BB - environment
Cold BB - bias T
Cold BB - environment
Response non-linearity
1%2% 2%
Fig - contributi parziali agli error budgets (bias)
70
DRIFT @ 400 cm-1
Reference BB - drift
Reference BB - environment
30%
Hot BB - drift T
Hot BB - environment
44%
Cold BB - drift T
Cold BB - environment
Optics T drift unbalance
1%Responsivity drift
23%
0%
0%
1%
1%
Fig - contributi parziali agli error budgets (drift)
NOISE @ 400 cm-1
23%
11%
0%
0%
Hot BB - T meas noise
Cold BB - T meas noise
Environment T meas noise
Instrument noise on hot calib
Instrument noise on cold calib
66%
Fig - contributi parziali agli error budgets (noise)
71
10 Assemblaggio su banco ottico dell'interferometro e suo allineamento
Il prototipo è stato assemblato su una piastra in alluminio ALCOA con foratura
standard M6, asse 50mm che si adatta alle dimensioni interne della campana per le prove
sottovuoto. La Figura 45 mostra una fotografia dello strumento dove sono evidenziati i
sottosistemi BSU, PDU, SMU, RLS ed il laser utilizzato per l’allineamento.
BSU
PDU
SMU
RLS
Laser
Figura 45. Prototipo REFIR/BB assemblato su banco ottico.
10.1 Procedura di allineamento
L’allineamento dello strumento deve essere eseguito con particolare cura, con riguardo
in special modo all’anello interferometrico nel FIR e all’interferometro laser. La procedura
viene eseguita durante l’assemblaggio dei vari componenti. In pratica lo strumento viene
montato seguendo la geometria prevista aiutandosi con un fascio laser di guida
(tipicamente un laser He-Ne) ed alcuni riferimenti meccanici che individuano
univocamente una posizione geometrica, Figura 46. L’accuratezza interferometrica si
ottiene osservando con un fotodiodo il segnale di interferenza (frange) prodotto dalle
vibrazioni dello strumento e massimizzando la sua ampiezza. La precisione
dell’allineamento è risultata stabile nel tempo, almeno nell’ordine di qualche giorno di
misure.
72
Figura 46. Strumento visto dall’alto durante l’allineamento con il laser He-Ne.
73
11. Campana per misure sottovuoto
15cm
∅ = 65cm
35cm
15cm
Allo scopo di eseguire misure in assenza di aria ed in particolare di vapor d’acqua e
CO2 che riducono fortemente le prestazioni dello strumento a causa dell’elevato
assorbimento presente nel range di frequenza 100÷1000 cm-1, è stato sviluppato un
sistema di misura sottovuoto. Questo sistema consente di alloggiare all’interno della
campana, le cui dimensioni sono riportate in Figura 47, lo strumento con parte
dell’elettronica di controllo. L’accesso elettrico con l’esterno è garantito da 3 passanti per
un totale di 26 poli; mentre quello ottico attraverso un passante circolare di 64mm di
diametro, orientato verso il centro della campana, e che alloggia una finestra di PE-HD di
1.9mm di spessore. La campana è svuotata per mezzo di una pompa meccanica rotativa
che consente un vuoto massimo di circa 10-3torr, sufficiente per le nostre applicazioni. La
misura del vuoto è eseguita con un vacuometro prodotto dalle Officine Galileo di Firenze
che consente la misura del vuoto fino a 5⋅10-6torr.
Finestra ottica
Figura 47. Dimensioni della campana sottovuoto.
Di seguito sono riassunte le caratteristiche principali del sistema a vuoto realizzato:
- campana in ferro, Figura 47;
- pompa da vuoto rotativa ALCATEL 2036;
- misuratore di vuoto a due sensori (Pirani, Penning) OFFICINE GALILEO V7ax;
- 3 passanti elettrici: 26 poli;
- 1 passante ottico: ∅=64mm, PE-HD spessore=1.9mm;
- vuoto massimo di circa 10-3torr.
Lo strumento alloggiato nella campana per le misure sottovuoto è mostrato in Fig. 48.
74
Figura 48. REFIR/BB assemblato nella campana per le prove sottovuoto.
12. Caratterizzazione preliminare dello spettrometro
Sono state eseguite diverse misure per la caratterizzazione sperimentale del prototipo,
utilizzando come BS i film di Mylar realizzati per eseguire l’allineamento ottico del
sistema. BS a film di Mylar infatti possono essere anche utilizzati per caratterizzare,
almeno in modo preliminare, il comportamento dell’interferometro FIR. L’efficienza del
sistema è buona, in questo caso, solo nelle regioni spettrali, più ristrette della regione di
interesse, dove è buona l’efficienza dei BS, Figura 49.
75
Figura 49. Efficienza interferometrica per un BS di Mylar di 2µm di spessore a 25° di
incidenza
In particolare sono stati eseguiti le seguenti prove:
- test del programma di acquisizione e controllo della scansione interferometrica,
sviluppato presso l’unità operativa di Potenza;
- acquisizione del segnale del laser di riferimento;
- acquisizione del segnale dovuto alla frange del laser He-Ne di allineamento del
FIR, per testare la qualità dell’allineamento interferometrico;
- acquisizione del segnale FIR con in ingresso una sorgente calda
76
Figura 50. REFIR/BB durante le prove sperimentali in campana da vuoto.
(d)
(e)
(b)
(c)
(a)
Figura 51. Sistema di vuoto: (a) pompa rotativa ALCATEL, (b) trappola a LiN, (c)
vacuometro Officine Galileo, (d) passanti elettrici, (e) campana da vuoto.
77
Bibliografia
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spectrum, Infrared Physics, 10, 105, 1969.
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1978, pp. 1595-1602.
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A.Barbis, L.Palchetti, J.E.Harries, D.Lastrucci, “Performance Evaluation” in “REFIR – Radiation
Explorer in the Far Infra-Red”, EC Project No. ENV4-CT96-0344, Final Report, chap. 5.8, June 2000, pp.
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splitter requirements, REFIR Beam Splitter Pre-development ESA Project, Doc. No.
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B.Carli, “ “, Tesi .
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Applied Optics Vol 40, No. 19, pp. 3235-3243, 2001.
78