ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ «ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗ» ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ 2007-2013 ΔΡΑΣΗ «ΑΡΙΣΤΕΙΑ» ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 1.1 ΠΛΗΡΕΣ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΜΕΝΟ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΑΕΘΩΝ ΤΙΤΛΟΣ / ΚΩΔΙΚΟΣ ΕΡΓΟΥ: Βελτιστοποίηση και επέκταση επίγειας υποδομής για την πιστοποίηση μετρήσεων ατμοσφαιρικών συστατικών από δορυφορικά όργανα AVANTI/608 ΚΥΡΙΟΣ ΕΡΕΥΝΗΤΗΣ ΜΕΛΗ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΠΟΥ ΣΥΜMΕΤΕΙΧΑΝ Αλκιβιάδης Μπάης Δημήτριος Μπαλής, Ναταλία Κουρεμέτη, Θεανώ Δρόσογλου
Συνοπτική αναφορά στο αναβαθμισμένο σύστημα Φαέθων #1 Το παραδοτέο 1.1 χαρακτηρίζεται στο Τεχνικό Δελτίο του έργου ως «Πειραματική Διάταξη». Στη σύντομη περιγραφή που ακολουθεί περιγράφονται και απεικονίζονται τα κύρια χαρακτηριστικά της διάταξης, δηλαδή του αναβαθμισμένου συστήματος Φαέθων #1. Ο τεχνικός χαρακτηρισμό του συστήματος αποτελεί αντικείμενο του Παραδοτέου 1.2. Το σύστημα αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του ΑΠΘ με σκοπό να χρησιμοποιηθεί στην επίγεια τηλεπισκόπιση των συγκεντρώσεων διαφόρων αερίων ρύπων στην ατμόσφαιρα. Το σύστημα έχει τη δυνατότητα να πραγματοποιεί μετρήσεις της φασματικής έντασης της ακτινοβολίας (sky radiance) σε διάφορες διευθύνσεις και τη φασματική πυκνότητα ροής της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας (direct irradiance). Ο προσδιορισμός της ολικής και τροποσφαιρικής στήλης των ατμοσφαιρικών αερίων γίνεται με τη φασματοσκοπία της διαφορικής οπτικής απορρόφησης (Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS). Με σκοπό την καλύτερη ανίχνευση των ήδη ανιχνεύσιμων από το σύστημα αερίων ρύπων, αλλά και την ανίχνευση επιπλέον αερίων, το σύστημα αναβαθμίστηκε σε ό,τι αφορά τον φασματογράφο, τα οπτικά εισόδου και το λογισμικό λειτουργίας και επεξεργασίας των φασματικών μετρήσεων. Παρακάτω παρουσιάζονται τα κύρια μέρη του αναβαθμισμένου συστήματος Φαέθων. Εικόνα 1: Το αναβαθμισμένο σύστημα Φαέθων. Αριστερά: η ρομποτική μονάδα προσανατολισμού (tracker) και το τηλεσκόπιο. Δεξιά: ο φασματογράφος AvaSpec-ULS2048LTEC με την οπτική ίνα και ο ηλεκτρονικός υπολογιστής με το λογισμικό λειτουργίας του συστήματος. Φασματογράφος: Ο φασματογράφος του συστήματος καθορίζει τη φασματική ανάλυση, το εύρος και το θόρυβο των μετρήσεων, τα οποία επηρεάζουν τελικά τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των ατμοσφαιρικών συστατικών. Το σύστημα περιλαμβάνει έναν φασματογράφο τύπου CCD για την ταχεία καταγραφή πολλών φασμάτων ακτινοβολίας. Οι φασματογράφοι που περιλαμβάνουν ανιχνευτές τύπου CCD έχουν προκαθορισμένα χαρακτηριστικά, η μεταβολή των οποίων επιτυγχάνεται 2
μόνο με την αντικατάσταση ολόκληρου του φασματογράφου. Για την αναβάθμιση του συστήματος επιλέχθηκε ο φασματογράφος της εταιρείας Avantes μοντέλο AvaSpec- ULS2048LTEC της σειράς SensLine (Εικόνα 1), τα χαρακτηριστικά του οποίου παρουσιάζονται τον Πίνακα 1. Ο φασματογράφος αυτός έχει ενσωματωμένο σύστημα ψύξης, το οποίο διατηρεί την εσωτερική θερμοκρασία του ανιχνευτή σταθερή, επιτρέποντας την αποτελεσματικότερη εφαρμογή της μεθόδου DOAS. Πίνακας 1. Χαρακτηριστικά του φασματογράφου AvaSpec-ULS2048LTEC, όπως παρέχονται από τον κατασκευαστή. Detector Spectrometer Type SONY2048L Entrance slit 50 μm width Architecture CCD linear array Grating (lines/mm) 1800 Thermoelectric cooling 470000 3-stage Peltier cooling internal Power supply, Max. ΔT = -35 C vs ambient Sensitivity in counts/μw per ms integration time Number of pixels 2048 A/D converter 16 bit, 2 MHz Wavelength range 297 460 nm Dynamic range 3300 FWHM ~0.34-0.42 nm Signal-to-noise 300:1 ratio Pixel width x height 14 x 200 µm Integration time 1.11 ms - 10 min Pixel well depth 90000 (electrons) Peak QE 40% Οπτική ίνα: Η οπτική ίνα ( Εικόνα 1) εξασφαλίζει τη μεταφορά της ακτινοβολίας από το τηλεσκόπιο στον φασματογράφο, επιτρέποντας τη λειτουργία του φασματογράφου σε απομακρυσμένο, κλειστό, και πιθανόν κλιματιζόμενο, χώρο. Τα βασικά χαρακτηριστικά της οπτικής ίνας του συστήματος φαίνονται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά της οπτικής ίνας του συστήματος Φαέθων. Fiber Optic Type Fiber reflection probe Number of fibers 7 Wavelength UV 200-800 nm Fiber core diameter 100 μm Overall length 8 m Jacketing Metal - silicone Τηλεσκόπιο: Με το τηλεσκόπιο (Εικόνα 2) περιορίζεται το οπτικό πεδίο του συστήματος και επιτυγχάνεται η ανίχνευση και καταγραφή της ακτινοβολίας που προέρχεται από μία συγκεκριμένη κατεύθυνση. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να θεωρηθεί γνωστή η διαδρομή που ακολούθησε η δέσμη της ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα πριν την 3
καταγραφή της, στοιχείο που είναι σημαντικό για την εφαρμογή της μεθόδου DOAS. Το τηλεσκόπιο του συστήματος Φαέθων περιλαμβάνει έναν επιπεδόκυρτο φακό για την εστίαση της δέσμης στο ένα άκρο της οπτικής ίνας. Η διάμετρος του φακού είναι 25 mm και η ενεργός εστιακή του απόσταση 250 mm. Επιπλέον, μεταξύ του φακού και της οπτικής ίνας είναι τοποθετημένος ένας περιστρεφόμενος δίσκος με 7 οπές-θέσεις για οπτικά φίλτρα, εξασθένησης ή περιορισμού του φασματικού εύρους. Για μετρήσεις της άμεσης ροής της ηλιακής ακτινοβολίας τοποθετείται μπροστά από την είσοδο της ίνας ένα πλακίδιο διάχυσης για την ομογενοποίηση και την εξασθένιση της ισχυρής έντασης άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Εικόνα 2: Το εσωτερικό του τηλεσκοπίου του αναβαθμισμένου συστήματος Φαέθων. Ρομποτική μονάδα προσανατολισμού: Με τη βοήθεια μίας ρομποτικής μονάδας προσανατολισμού (tracker) (Εικόνα 3), το σύστημα Φαέθων έχει τη δυνατότητα προσανατολισμού των οπτικών εισόδου σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη κατεύθυνση στον ουράνιο θόλο, συμπεριλαμβανομένης και της διεύθυνσης στην οποία βρίσκεται ο ηλιακός δίσκος. Εικόνα 3: Το εσωτερικό της ρομποτικής μονάδας προσανατολισμού (tracker) του αναβαθμισμένου συστήματος Φαέθων. 4
Φορητός ηλεκτρονικός υπολογιστής: Η καταγραφή και επεξεργασία των φασματικών μετρήσεων γίνεται μέσω ενός φορητού ηλεκτρονικού υπολογιστή (Εικόνα 1), στον οποίο είναι εγκατεστημένο κατάλληλα διαμορφωμένο λογισμικό για τον χειρισμό του συστήματος, καθώς και λογισμικό για την επεξεργασία των δεδομένων. 5