[논문]보현산천문대 중분산분광기의 성능 분석

김강민; 김여정; 윤태석

문제 정의

본 연구의 목적은 실험실 시험과 시험 관측을 통해 얻어진 중분산분광기의 현재 성능과 한계를 정리하여, 보현산천문대의 중분산분광기로 관측을 수행하고자 하는 연구자들이 과제 선정에 참고하도록 하는데 있다. 여기에서 제시된 시험 항목으로는 직진성 등을 포함한 CCD 성능, 중력 방향에 따른 스펙트럼 파장 이동 정도, 슬릿조명 함수 (slit illumination function)와 분광기의 효율 등이며, 등급별로 노출시간에 따른 S/N비도 계산해 보았다.

가설 설정

4) 대기를 고려한 분광기의 최대 효율은 격자에 따라 3.4~7.6%이며 실제 관측시에는 관측 조건에 따라 이보다 낮게 나타날 것이다.

제안 방법

예를 들어 300V, 1200V, 1200Re 격자홈이 mm당 300, 1200, 1200개이며, 격자 최적 파장이 5000 A, 5000 A, 6000 A 임을 나타낸다. 관측할 때 1200V와 1200R에서는 최적 효율 파장을 중심파장으로 설정하였으며 슬릿에서의 빛 손실을 최대한 없애기 위해 슬릿을 6" 만큼 열었다.
CCD의 직진성을 시험하기 위해서 먼저 분광기의 플랫용 텅스텐 할로겐 램프를 광원으로 하고, 0.4초부터 3초까지 노출시간을 증가시키 면서 한 노출시 간당 5 프레임씩의 영상을 얻었다. 그후 우주선을 제거한 평균에서 빛이 강한 부분만 선택(60×300 소자)하여 얻은 결과를 표 1에 나타냈다.
관측한 날들은 비록 쾌청한 기상은 아니었으나 보현산의 전형적 인 맑은 날에 해당하므로 노출시간에 따른 S/N 비를 구하는데는 이러한 대기효과까지 고려하여야 실제에 가까운 값이 될 것으로 판단하고 계산하였다.
그동안 개선한 주요 작업은 CCD와 듀어의 교체, 분광기 초점을 쉽게 찾을 수 있도록 하트만 마스크와 핀흘 슬릿의 제작 등이다. 그리고 기존 슬릿을 재연마하고 폭 고정형 슬릿을 만들었으며 각 인코더에서 새어 나오는 빛도 차단하였다. 또한 셔터도 교체하고 조준경(collimator) 일부도 개선하고 전체적으로 광축을 다시 맞추었다.
그리고 기존 슬릿을 재연마하고 폭 고정형 슬릿을 만들었으며 각 인코더에서 새어 나오는 빛도 차단하였다. 또한 셔터도 교체하고 조준경(collimator) 일부도 개선하고 전체적으로 광축을 다시 맞추었다. 격자도 다양하게 구입하였는데 현재 사용 가능한 격자의 종류와 특성, 분해능을 포함한 분광기의 주요 제원 및 특성은 김강민(1999)에 제시되어 있다.
본 연구에서 보현산천문대 중분산분광기의 CCD 특성, 망원경 방향에 따른 스펙트럼 파장 이동, 슬릿 조명 함수, 분광기의 총효율을 측정하고 노출시간에 따른 S/N비를 제시하였다. 이를 정리하면 다음과 같다.
분광기의 효율은 분광표준성(Hammuy et al. 1992)을 관측하고 이를 등급으로 환산하여, 제시된 표준성의 파장별 등급과의 차로부터 계산하였다.
여 기 에서 는 관측자가 자신의 관측 프로그 램에 적절한 노출시간을 가늠할 수 있도록, 앞에서 구한 분광기의 효율을 적용하여 노출시간에 따른 S/N비를 계산하여 보았다. 식 (6)에서 S를 20등급(이때는 식 (5)에서 0.
여기에서 제시된 시험 항목으로는 직진성 등을 포함한 CCD 성능, 중력 방향에 따른 스펙트럼 파장 이동 정도, 슬릿조명 함수 (slit illumination function)와 분광기의 효율 등이며, 등급별로 노출시간에 따른 S/N비도 계산해 보았다.
위치가 조금씩 변하는 것이 일반적이다. 이 변화량 측정을 위해 망원경 고도를 60도로 유지하면서 망원경영상 되돌리개(derotator)로 분광기를 돌려가며, 135부터 995번째 소자 사이에 나타나는 32개 방출선의 위치 이동 정도를 조사하였다. 표 2에서는 망원경 영상 되돌리개의 각도에 따른 파장 위치의 이동량을 되돌리개 각 407° 일때를 기준으로 계산한 것으로 최대 16소자(~0.

대상 데이터

중분산분광기에 사용하는 CCD는 24 μm 크기의 1024×1024개 소자에 가시광 무반사 코팅이 되어있는 TK1024이다. 뜨거운 소자나 죽은 소자는 없는 걸로 판단된다.

이론/모형

표 1에서 첫째 줄은 노출시간, 둘째 줄은 바이 어스 보정 후의 평균 ADU와 그 표준편차이며 셋째 줄은 각 영상을 1초 노출 영상으로 나누고 다시 노출시간으로 나눠 정규화한 영상의 평균 값과 그 표준편차이 다. 정 규화값의 표준편차는 Bevington & Robinson (1992)에 따라 계산하였다. 바이어스 보정 후의 평균 ADU가 37, 400 ADU를 넘어가면서부터 직진성에서 벗어나는 것이 보인다.

성능/효과

7 ADU.(0.071 e7초/소자)로 나타나 예전에 나타났던 분광기 인코더에서의 광유출은 거의 차단되었음을 확인하였다.
2) 망원경 방향에 따른 스펙트럼 파장의 최대 이동은 16 소자나 되어 장시간 노출시에는 파장 결정에 문제가 생길 수 있다.
3) 슬릿 조명함수가 뾰쪽한 산모양을 하고 있어 이 지점에 별이 오도록 하여야 높은 효율이 기대되며 최대 관측 시야각은 2' 이다.
전체 영역을 사용하는 것이 바람직하다. CCD의 바이어스 준위 (bias level)는 보현산천문대의 영상관측용 1 k, 2 k CCD 등 다른 CCD에 비해 높게 나타나는데 평균은 12,840~12,880 ADU 사이의 값이며 하루동안 바이어스준위 평균의 표준편차는 1.2 ADU 정도로 나타났다.
슬릿 조명 함수를 그림 1에 나타내었다. 긴 슬릿 분광기에서는 좋은 효율을 보이는 부분이 넓게 나타날수록 좋으나 중분산분광기에서는 하나의 정점을 가진 산 모양으로 나타났다. 따라서 점광원을 관측할 때에는 별이 슬릿 상에서 이 정점 위치에 오도록 맞추어야 효율이 상대적으로 높게 나타나게 된다.
997이 유의한 차이인지 확인이 어려우나 39, 300 ADU까지는 선형성이 보이고 있다. 따라서 관측시 평균 바이어스 값인 12,860 ADU를 포함하여 최고값이 52,000 ADU 이상 되지 않도록 주의하여야 하며 가급적 50,000 ADU 이 하에서 사용하는 것이 바람직 하다. 이때 관측 가능한 CCD의 용량은 바이어스 값을 빼고 95, 000 e^- 정도가 된다.
분광기의 효율은 청색 영역에서 4300 A 중심으로 1200V로 측정을 시도하였는데 과도하게 저효율(최대 0.3%)로 나타났다. 그러나 이 영역은 대기 소광계수도 크고, 관측일의 기상도 그다지 좋지 않아, 자료의 산란도가 크게 나타난 걸로 판단하여 그 결과를 본 연구에 포함시키지 않았다.

후속연구

선형에서 벗어나기 시작하는 ADU값을 18, 000개 소자의 통계로부터 구할 경우, 그 중 제일 큰 ADU값을 갖는 소자는 이미 선형성에서 벗어나있는 경우도 있을 수 있다. 따라서 보다 자세한 값을 얻기 위해서는 최고 ADU 값을 보이는 소자를 대상으로 조사를 할 수도 있다. 넷째 줄은 영상 내의 최고 ADU 값과, 이를 1초 노출값인 24, 549 ADU와 노출시간으로 나눠 얻은 정규화 값이다.

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