شبیه سازی ردیابی پرتوها در تلسکوپ

شبیه سازی ردیابی پرتوها در تلسکوپ

شبیه سازی ردیابی پرتوها در تلسکوپ ،به حداقل رساندن و کاهش اعوجاج نوری از نظر مفهومی، استفاده از عدسی ها (در تلسکوپ های انکساری یا دیوپتریک) یا آینه ها (برای دستگاه های بازتابی یا کاتوپتریک) برای دیدن اجسام دور به خوبی درک شده است. در عمل، دستگاه‌های واقعی که ما را قادر به جمع‌آوری و هدایت پرتوهای نور مرئی می‌کنند نیز تمایل به اعوجاج دارند. به حداقل رساندن و کاهش اعوجاج در محدودیت های فنی و هزینه، یک چالش همیشگی برای مهندسان نوری است. اعوجاج نوری را می توان از طریق اصلاحات در خود عناصر نوری به حداقل رساند و با انتخاب دقیق و چیدمان این عناصر در داخل تلسکوپ می توان آن را کاهش داد.

شبیه سازی  انتقال حرارت تشعشعی بیشتربخوانید

انحراف رنگی به این دلیل رخ می دهد که طول موج های مختلف نور هنگام عبور از یک عدسی در جهات مختلف شکسته می شوند. بیشتر مواد دنیای واقعی پراکندگی نوری را نشان می دهند: ضریب شکست آنها به طول موج یا فرکانس نوری که از آنها می گذرد بستگی دارد. انحراف کروی به این دلیل رخ می دهد که نوری که از لبه عدسی کروی (یا آینه) عبور می کند (یا منعکس می شود) از محور نوری در مکان کمی متفاوت عبور می کند، در مقایسه با نوری که از مرکز عبور می کند (یا منعکس می شود). آینه ها به طور ذاتی باعث انحراف رنگی نمی شوند، اما آینه های کروی و عدسی ها هر دو باعث انحراف کروی می شوند.

تلسکوپ

حتی یک تلسکوپ با طراحی خوب که با بهترین آینه ها و عدسی ها ساخته شده است به دلیل شرایط محیطی با اعوجاج مواجه می شود. دماهای متفاوت رفتار مواد مورد استفاده در ساخت عدسی ها و آینه ها را تغییر می دهد. تغییر شکل های فیزیکی در سیستم نوری، چه به دلیل تنش حرارتی یا سایر بارهای اعمال شده، می تواند به طور قابل توجهی بر کیفیت تصویر تأثیر بگذارد. علاوه بر این عوامل چندفیزیکی، اثرات انکساری جو زمین، همراه با اعوجاج عناصر نوری ناشی از خود گرانش، باید در نظر گرفته شود.

طرح تلسکوپ

تجزیه و تحلیل 3 طرح تلسکوپ

نرم افزار COMSOL Multiphysics و ماژول الحاقی Ray Optics از تجزیه و تحلیل و شبیه سازی ردیابی پرتوها در تلسکوپ ها پشتیبانی می کند. با استفاده از مدل‌های آموزشی طرح‌های محبوب اشمیت-کاسگرین و گرگوری-ماتسوکوف، همراه با تلسکوپ آینه‌ای نوآورانه Keck، می‌توانیم چالش‌های ذاتی طراحی و مهندسی تلسکوپ را نشان دهیم.

مهندسی تلسکوپ

از سه طرح مدل‌سازی‌شده، تلسکوپ‌های اشمیت-کاسگرین و گریگوری-ماتسوکوف ترکیب‌های کاتادیوپتری مبتکرانه‌ای از عناصر انکساری و بازتابی هستند که آنها را به گزینه‌های تولید انبوه نسبتاً مقرون به صرفه برای رصد نجوم و زمین تبدیل می‌کند. در مقابل، طراحان Keck محدودیت‌های مهندسی نوری را برای ایجاد آنچه در آن زمان، بزرگترین تلسکوپ نجومی جهان بود، پشت سر گذاشتند. از زمان تکمیل در اوایل دهه 1990، دو تلسکوپ کک نیز به طور پیوسته از طریق استفاده از اپتیک تطبیقی ​​(AO) برای مقابله با اعوجاج های محیطی بهبود یافته اند. AO در تلسکوپ های نجومی و همچنین کاربردهای نظامی، زیست پزشکی، روباتیک و دستگاه های مصرفی رایج تر می شود.

اشمیت – کاسگرین و گریگوری – ماتسوکوف: اجتناب از سفتی

تکامل تلسکوپ ها به دلیل پیشرفت در تولید و همچنین درک رو به رشد ما از نور و رفتار آن بوده است. به عنوان مثال، مزایای بالقوه تلسکوپ‌های مبتنی بر آینه توسط آیزاک نیوتن، جیمز گرگوری و لوران کاسگرین در قرن هفدهم نشان داده شد، اما سازندگان ابزار ساخت آینه‌هایی با کیفیت کافی با مواد موجود در آن زمان را دشوار می‌دانستند.

اکثر طرح های کاتوپتریک دو آینه کروی را با هم ترکیب می کنند:

کاتوپتریک

اولیه سهموی

ثانویه هایپربولیک

این طرح برای اولین بار توسط لوران کاسگرین در سال 1672 ارائه شد، اگرچه دشواری تولید آینه های با کیفیت بالا، پذیرش آن را کند کرد. در قرن بیستم، طرح‌هایی مانند اشمیت-کاسگرین و گریگوری-ماتسوکوف عدسی را برای استفاده از آینه‌های کروی اضافه کردند که تولید آنها ارزان‌تر است.

پیشرفت‌های تکنولوژیکی در اواخر قرن نوزدهم تولید محدودی از کاتوتریک‌های کاسگرن را امکان‌پذیر کرد. آن دوران پیشرفت علمی سریع ابزارهای ریاضی جدیدی را برای بهینه سازی تلسکوپ ها نیز معرفی کرد. همانطور که توسط متخصص تولید دستگاه های نوری توضیح داده شده است R.F. رویس:

در سال 1906 مارتین شوارتزچیلد، فیزیکدان و دانشمند نوری آلمانی، مجموعه ای از معادلات را منتشر کرد که ویژگی های دو تلسکوپ آینه ای را تعریف می کرد. با اعمال این فرمول‌های نسبتاً ساده در طراحی کاسگرین این واقعیت را آشکار می‌کند که با استفاده از حرکات کروی بین دو آینه، می‌توان انحرافات خارج از محور را کنترل کرد… این اولین بار در تاریخ بود که مفهوم بهینه‌سازی در تلسکوپ بازتابی درک شد. یک حس واقعا علمی

حتی در قرن بیستم، تولید “کاسه‌گرن کلاسیک” کاتوپتریک به دلیل تکیه بر آینه‌های کروی نسبتاً گران بود. برای رفع این مشکل، برنهارد اشمیت یک عدسی کروی، که در این برنامه به عنوان “صفحه اصلاح کننده اشمیت” شناخته می شود، به جلوی تلسکوپ اضافه کرد. این انطباق کاتادیوپتری استفاده از آینه های اولیه و ثانویه کروی را امکان پذیر کرد، زیرا عدسی کروی می تواند به طور موثر اعوجاج احتمالی آینه ها را اصلاح کند. این رویکرد بسیاری از مزایای کاسگرین را با هزینه کم فراهم می کند.

همانطور که در زیر نشان داده شده است، آرایش اپتیکی تلسکوپ گریگوری-ماکسوتوف مشابه تلسکوپ اشمیت-کاسگرین است. مهم ترین تمایز بین این دو این است که گرگوری-ماکسوتوف یک عدسی اصلاح کننده کروی مقعر را جایگزین صفحه اصلاح کننده اشمیت کروی می کند. دیمیتری ماکسوتوف استفاده از عدسی اصلاح کننده مقعر را برای مقرون به صرفه تر کردن تلسکوپ های نوع کاسگرین در دهه 1940 پیشنهاد کرد.

برای جلوگیری از این هزینه‌های گزاف، اخترفیزیکدان جری نلسون از دانشگاه برکلی پیشنهاد داد که مشکل عظیم آینه‌سازی تیم را به قطعات کوچک‌تر تقسیم کنیم. سطح انعکاسی سهموی Keck از 36 آینه به هم پیوسته مجزا ساخته شده است که همگی از طریق تنظیم مکانیکی تقریباً ثابت به طور هماهنگ عمل می کنند.

برای درک اینکه چقدر این سیستم قدرتمند و در عین حال دقیق است، در نظر بگیرید که هر بخش با عرض 1.8 متر حدود نیم تن وزن دارد و هر بخش دو بار در ثانیه با دقت 4 نانومتر – حدود 1/25000م قطر موی انسان تراز می شود. . در حالی که مجموعه به دست آمده مطمئناً عظیم است، مجموعه آینه تقسیم‌بندی شده تقریباً به وزن آینه 5 متری Hale است، حتی اگر چهار برابر مساحت سطح را بپوشاند.

برای مشاهده ویدو ها و  آموزش کامسول کلیک کنید

۱
۲
۳
۴
۵
میانگین امتیازات ۵ از ۵
از مجموع ۱ رای

انجام پروژه comsol

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *