Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

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Michael Theusner
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Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Michael Theusner » 27. Okt 2013, 17:51

Hallo,

wie versprochen nun ein ausführlicher Bericht zu meinen Spektrografenexperimenten.

Allgemeines
Spektrografen dienen ja allgemein dazu, Licht wellenlängenabhängig aufzunehmen. Dabei wird entweder durch ein Prisma oder ein Gitter das Licht in seine verschiedenen Wellenlängen aufgespalten, also in seine Farben zerlegt. Dieses Spektrum kann man dann mit einer Kamera aufnehmen und sehen, aus welchen Wellenlängen es sich zusammensetzt.

Das gute daran ist, dass Polarlicht meist aus genau zwei Farben besteht: grün (557,7 nm) und rot (630,0 nm). Das Licht der Stadtbeleuchtungen und damit die Lichtverschmutzung, dagegen besteht aus anderen Farben, die sich allgemein kaum mit Wellenlängen des Polarlichts überschneiden. Ein Spektrometer könnte somit selbst in einer völlig lichtverseuchten Gegen das Licht der Stadtbeleuchtung und das des Polarlichts trennen und getrennt sichtbar machen. Natürlich kann man damit keine normalen Aufnahmen machen, aber man könnte sehen, ob gerade Polarlicht ist oder nicht.

Meine Grundidee ist also, solche Spektrographen dazu zu nutzen, um überhaupt zu ermitteln, ob PL vorhanden ist, selbst wenn es auf fotografischem Wege unsichtbar ist. Am Ende wäre es natürlich toll, das ganze zu einem Warnsystem auszubauen: Spektrografen überwachen das aktuelle Himmelsspektrum und schlagen Alarm, wenn PL auftaucht.

Eine Seite, die den Aufbau eines Klassischen Spektrografen detailliert beschreibt, findet man hier:
http://www.astrosurf.com/buil/spectrographs.htm > http://www.astrosurf.com/buil/us/stage/ ... ign_us.htm

Aufbau
Entsprechend sieht meine Konstruktion so aus (16 mm MDF-Platte, 60 cm x 30 cm, als Grundlage, alle Sockel und Halterungen ebenfalls aus MDF und Holz gesägt):
Bild
Unten rechts ist das Objektiv des Spektrografen, in diesem Fall ein 100-400 mm Teleobjektiv, das ich auf 100 mm (f/4) eingestellt habe. Dahinter (links oberhalb) folgt der Spalt, der sich im Brennpunkt des Teleobjektivs befindet. Für den Spalt habe ich zwei Rasierklingen auf einen Diarahmen geklebt. Diese Diarahmen sind austauschbar (kann man nach oben herausziehen), so dass ich je nach Bedarf verschiedene Spaltgrößen benutzen kann. Für das Spektrum des Nachthimmels habe ich einen recht breiten Spalt mit ca. 1 mm Breite. Dann sind zwar die Spektrallinien nicht so scharf, aber hier geht es ja nur um den Nachweis ja/nein.

Dahinter folgt der Kollimator, der das Licht, das aus dem Spalt kommt, parallelisiert. Der Kollimator ist ein altes 135 mm M42 Teleobjektiv, ebenfalls mit f/4. Er ist so angebracht, dass auch für ihn der Spalt im Brennpunkt steht. Man kann natürlich auch andere Objektive dafür nehmen. Wichtig ist nur, dass das Öffnungsverhältnis des Kollimators kleiner oder gleich dem des Spektrografenobjektivs ist.

Ganz oben erkennt man das (drehbare) Reflektionsgitter. Das ist einfach ein Stück eines CD-Rohlings, das ich aus dem Rohling herausgesägt habe (50 mm hoch). Dazu sollte man die CD in eine CD-Hülle aus Papier stecken und zwischen zwei dünnen Sperrholzplatten einklemmen, bevor man sie zersägt. Sonst besteht die Gefahr, dass sich die einzelnen Schichten der CD voneinander lösen. Das CD-Stück habe ich dann auf eine entsprechende Halterung geklebt.
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Wie man sieht, guckt die Kamera mit ihrem Objektiv schräg auf das Reflektionsgitter. Optimal wäre ein Winkel von nicht mehr als 38° zur optischen Achse des Kollimators. Um allerdings das gesamte Spektrum aufnehmen zu können und wegen des Durchmessers der Objektive, musste ich 60° nehmen. Da es hier aber nicht um hochauflösende Spektrografie geht, ist das kein Problem (das Spektrum wird nun im Übergang zum UV ganz leicht unscharf, wenn der Rest fokussiert ist). Das das Spektrum aufnehmende Objektiv ist ein lichtstarkes 24 mm Walimex mit f/1.4.

Weitere Bilder:
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Die CD-Halterung, der Kollimator und Kamera mit Objektiv
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Der Spalt
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Für den Spektrografen habe ich einen Deckel gebaut, der das Einfallen von Streulicht verhindert. Dazu habe ich hinter dem Spalt noch ein Trennbrett in den Deckel gesetzt, der die Aufnahmekammer vom Frontobjektiv trennt. Durch ein Loch im Trennbrett fällt das Licht vom Spalt in den Kollimator. Der hintere Bereich ist dann vollständig mit schwarzen Velours ausgekleidet, um jegliches Streulicht auszuschalten (siehe Bilder unten). Die Öffnung für das Kameraobjektiv wird dann zusätzlich noch mit entsprechend zugeschnittenen Pappstücken weithehend lichtdicht verschlossen. Der Lichteinfall in das Frontobjektiv wird oben und unten begrenzt. Da das Gitter, das CD-Stück, gebogene Gitterlinien hat, sind die oberen und unteren Bereiche des Spektrums unscharf (falsche Weglängen). So werden sie von vornherein ausgeblendet.

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Ein Spektrum in 3 Minuten

Für die Aufnahmen des Polarlichtspektrums am 14./15.10.2013 hatte ich noch ein DVD-Stück als Reflektionsgitter eingesetzt. Das hat aber 1350 Linien/mm statt 625 Linien/mm wie bei einer CD und somit eine viel höhere Dispersion (das Licht wird stärker aufgespaltet). Damit ist das Spektrum aber erheblich schwächer, was eine für PL-Warnungen untaugliche Belichtungszeit von >15 Minuten für ein Spektrum zur Folge hatte. Mit dem CD-Stück sind es nun nur 3 Minuten für ein brauchbares Spektrum! Zum Einsatz kam dabei eine gekühlte und astromodifizierte Canon 40D, die maximal ISO 3200 als Empfindlichkeit hat.

Diesen Aufbau habe ich letzte Nacht getestet (zeitweise klar). Nachfolgend die Ergebnisse. Dazu guckte der Spektrograf aus dem geschlossenen Küchenfenster nach Norden, Bildfeldmitte auf etwa 15° Höhe gerichtet.

Ein 3-Minuten-Spektrum bei wolkenlosem Himmel von 4:49 MEZ (Dunkelbild abgezogen, Ausschnitt und auf 50% verkleinert):
Bild

Da scheint erst einmal nicht viel zu sehen zu sein. Die zweite grüne Linie von rechts ist aber schon die grüne PL-Linie. In diesem Fall aber sicher Airglow − denn der wird ebenfalls durch den atomaren Sauerstoff erzeugt und leuchtet somit bei denselben Wellenlängen wie das PL.

Nun hat man aber über 800 Bildzeilen, die man summieren kann, um das Rauschen ganz erheblich zu reduzieren. Man muss dabei aber natürlich die Zeilen aufgrund des gebogenen Spektrums entsprechend verschieben, bevor man sie aufaddiert. Das Ergebnis ist das folgende Diagramm (zusätzlich fortlaufend ±4 Pixel gemittelt):
Bild
Die Referenzierung des Spektrums erfolgt mit Hilfe eines Tageslichtspektrums und der darin enthaltenen Fraunhoferlinien. Ein Pixel entspricht dabei 0,3 nm. Eine gewisse Ungenauigkeit der Zuordnung ist also zu erwarten.
Die grüne Linie bei 557,8 nm entspricht der des Airglows (wahrer Wert 557,7 nm). Die anderen auffälligen Linien kommen durch Lichtverschmutzung zustande. In diesem Fall Quecksilber- und Natriumhochdruckdampflampen sowie Natriumniederdruckdampflampen. Rotes PL/roter Airglow wäre bei 630 nm zu erwarten. Vielleicht war da ja welcher.

Bei bewölktem Himmel sieht das Spektrum natürlich anders aus. Ersteinmal ist es viel heller, da die beleuchteten Wolken erheblich heller sind als der wolkenlose Nachthimmel. Auffällig ist natürlich auch das Fehlen der grünen Airglowlinie. Ist ja auch klar: die Wolken verdeckten den Airglow. Dass er im summierten Spektrum nicht ganz weg ist, liegt daran, dass Wolkenlücken vorhanden waren.

Spektrum des bewölkten Himmels von 1:09 MEZ (Dunkelbild abgezogen, Ausschnitt und auf 50% verkleinert). Darunter das zugehörige Summendiagramm:
Bild

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Hier die Summe aller wolkenlosen Spektren (59 Stück). Jetzt ist auch die rote Sauerstofflinie bei 630 nm erkennbar. Neben grünem Airglow war wohl auch etwas roter dabei.
Bild

Insgesamt funktioniert das jetzt also schon einmal soweit, dass sich Spektren in annehmbarer Zeit aufnehmen lassen. Nun müsste ich sie noch irgendwie automatisch auf meine Homepage hochladen (vermutlich nicht so schwierig?). Und natürlich muss auch die Verarbeitung automatisch erfolgen (wohl schwieriger). Alternativ könnte natürlich ein Skript einfach das aktuelle Bild ohne Diagrammdarstellung hochladen. Das andere wäre ja aber besser.

Ich werde in den nächsten Tagen auch einen weiteren Spektrografen fertigstellen, der mit einem Prisma ein Spektrum erzeugt. Das sollte ein helleres Spektrum bringen (also vielleicht noch kürzere Belichtungszeiten), da sich hier das Licht nicht auf viele Beugungsbilder verteilt wie bei einem Gitter. Aber auch mit dem CD-Reflektionsgitter würde es ja so schon laufen.

Über Anregungen und Fragen würde ich mich freuen! Vielleicht habe ich ja auch noch das Eine oder Andere vergessen.

Viele Grüße,
Michael
Zuletzt geändert von Michael Theusner am 27. Okt 2013, 20:02, insgesamt 1-mal geändert.

MathiasFleischer
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von MathiasFleischer » 27. Okt 2013, 19:05

Hallo Michael,

erstmal ein herzliches Dank fuer die ausfuehrliche Arbeit hier, macht richtig Lust zum Nachbau :)

Ich wuerde gerne wissen:
- steht der Fokus bei allen drei Objektiven auf "unendlich"? (hab ich nciht herauslesen koennen)
- fuer den/die Brennpunkte der 2 langen Brennweiten, hast du ausprobiert oder mittels Auflagemaß* des jeweiligen Systems
ausgemessen und befestigt?
*-> http://www.lupics.info/auflagemass.gif
- hast du nen "frischen" Rohling benutzt oder nen gebrannten(die sehen augenscheinlich matter aus deswegen frag ich) CD-R/CD-RW?
wie wuerde eine gepresste CD(mehr Reflektionsvermoegen) abschneiden?
- wie machst du das ->"Hier die Summe aller wolkenlosen Spektren (59 Stück)" die Bilder stacken?

Das wars glaub ich erstmal :)

MfG
Mathias

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Michael Theusner
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Michael Theusner » 27. Okt 2013, 21:09

Hallo Mathias!

Mir hat der Bau auch viel Spaß gemacht! Kann ich sehr empfehlen!
- steht der Fokus bei allen drei Objektiven auf "unendlich"? (hab ich nciht herauslesen koennen)
Das habe ich auch vergessen zu schreiben ;)

Das Kameraobjektiv, das das Spektrum aufnimmt, muss man manuell auf ein Spektrum fokussieren. Tagsüber kann man dafür die Fraunhoferlinien benutzen. Der Himmelshintergrund reicht schon aus. Auf die Sonne selbst richten würde ich das nicht, sonst wird der Spalt wohl ein bisschen heiß... Sonst gehen auch gut Leuchtstoffröhren. Davon hat wohl fast jeder eine zuhause.
Sonst ist eine Neon-Glimmlampe vielleicht auch eine Möglichkeit. Die sind sehr günstig. Das werde ich demnächst mal testen. Hohlkathodenlampen sind auch geeignet. Die sind aber allgemein sehr teuer.

Beim Spektrografenobjektiv und beim Kollimator habe ich jeweils die Unendlicheinstellung gewählt. Man kann sonst auch nachträglich, wenn man ein Spektrum fokussiert hat (siehe oben), mal an den Fokusringen drehen. Hat bei mir keine Verbesserung gebracht.
- fuer den/die Brennpunkte der 2 langen Brennweiten, hast du ausprobiert oder mittels Auflagemaß* des jeweiligen Systems
ausgemessen und befestigt?
*-> http://www.lupics.info/auflagemass.gif
Danke für den Link. Ich hatte es selbst ausgemessen. Kommt gut mit den Werten in der Liste hin.
- hast du nen "frischen" Rohling benutzt oder nen gebrannten(die sehen augenscheinlich matter aus deswegen frag ich) CD-R/CD-RW?
wie wuerde eine gepresste CD(mehr Reflektionsvermoegen) abschneiden?
Ich habe einen unbenutzten CD-Rohling verwendet. Die DVD+R war ebenfalls unbenutzt. Zum Rest kann ich nichts sagen. Habe ich nicht getestet.
- wie machst du das ->"Hier die Summe aller wolkenlosen Spektren (59 Stück)" die Bilder stacken?
Da gibt es jede Menge Astrosoftware für. Mir fällt da z.B. Giotto ein. Ich hatte mir aber selbst etwas programmiert. Es ist aber wirklich nur ganz einfaches Aufaddieren der Bilder.

Viele Grüße
Michael

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Michael Theusner
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Michael Theusner » 5. Nov 2013, 09:44

Hallo,

ein kurzer Fortschrittsbericht:
Am letzten Wochenende hatte ich den Spektrografen modifiziert und auf einer zweiten Platte mit einem Prisma statt des Reflektionsbeugungsgitters (CD-Stück) neu aufgebaut. Bei einem Prisma geht ja so gut wie alles Licht in ein Spektrum und verteilt sich nicht auf die verschiedenen Beugungsmaxima. Da aber die Dispersion des Prismas viel kleiner ist als die des Gitters, musste ich als Aufnahmeobjektiv ein nicht so lichtstarkes Tele verwenden. Trotz der größeren Lichtmenge, die nun prinzipiell in das Spektrum geht, erreichte durch die jetzt größere Blendenzahl nun doch weniger Licht den Chip. Dieses System war so für die Aufnahme des nächtlichen Himmelshintergrundspektrums unbrauchbar. Allerdings lassen sich damit ganz toll aufgelöste Sonnenspektren aufnehmen :)

Ich habe jetzt also alles wieder zurückgebaut (das Canon-Tele habe ich inzwischen durch ein 135-mm-M42-Objektiv ersetzt). Das System funktioniert ja auch schon zuverlässig.
Als nächstes möchte ich ein Transmissionsbeugungsgitter ausprobieren. Die gibt es sehr günstig in Folienform (einige Euro). Dann würde das CD-Stück mit seinen gebogenen Gitterlinien durch ein "professionelles" Gitter ersetzt werden. Vielleicht verbessert das das Spektrum ja noch etwas.

Hat jemand noch Ideen oder Vorschläge?

Viele Grüße,
Michael

Tobias W
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Tobias W » 7. Nov 2013, 20:35

Hallo Michael,

interessantes Projekt! Transmissionsbeugungsgitter bekommst du z.B. beim AstroMedia-Verlag: Link
Der wurde in einer Anleitung zum Eigenbau eines Spektrometers für Schüler empfohlen: Anleitung

Grüße!

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Michael Theusner
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Michael Theusner » 8. Nov 2013, 08:55

Danke Tobias,

ein Bekannter von mir hat noch solche Transmissionsgitterfolie von AstroMedia übrig unbd schickt sie mir. Damit werde ich dann weiterexperimentieren.
Bei Edmund Optics gibt es übrigens die identische Folie für 1/4 des Preises. Ich vermute, dass AstroMedia die dort auch kauft und sie dann hier weiterveräußert - aber eben eine zum Preis von zwei...
http://www.edmundoptics.com/optics/grat ... -film/1490

Viele Grüße,
Michael

Jost Jahn
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Jost Jahn » 10. Nov 2013, 23:13

Tolles Projekt.
Wenn das volautomatisiert ablaufen würde bis zur Auswertung des Spektrums (Maxima etc.), könnte man noch ganz andere Dinge damit machen:
Bewölkungswarnung oder -grad oder/und Dunst
Entwicklung der Lichtverschmutzung über eine Nacht, über Wochen und Monate
Konfusisus sagt: "Gegen Astro helfen nur Wolken"

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Michael Theusner
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Michael Theusner » 14. Nov 2013, 19:51

Jost Jahn hat geschrieben:Tolles Projekt.
Wenn das volautomatisiert ablaufen würde bis zur Auswertung des Spektrums (Maxima etc.), könnte man noch ganz andere Dinge damit machen:
Bewölkungswarnung oder -grad oder/und Dunst
Entwicklung der Lichtverschmutzung über eine Nacht, über Wochen und Monate
Hallo,

ja, das funktioniert. Das folgende Diagramm zeigt die mittlere Helligkeit der RGB-Kanäle für jedes in der Nacht aufgenommene Bild (10./11.11.13 ab 20:37 MEZ alle 190 Sekunden ein 180 Sekunden lang belichtetes Bild/Spektrum). Da sieht man sehr schön wie die Wolken vor dem Bildfeld der Kamera vorbeiziehen und wann klarer Himmel ist. Allerdings gilt das eben nur für den kleinen Himmelsausschnitt, den die Kamera aufnimmt:

Bild

Man erkennt auch gut, dass es im Blaukanal kaum Lichtverschmutzung gibt. Dass die Kurve am Ende hoch geht, liegt an der einsetzenden Dämmerung.

Das nächsten beiden Diagramme zeigen im Vergleich die ausgewerteten Spektren bei bedecktem Himmel (die zehn hellsten Spektren gemittelt) und die bei klarem Himmel (die zehn dunkelsten Spektren gemittelt):

Bild

Bild

Bei bedecktem Himmel reflektieren die Wolken natürlich voll die Lichtverschmutzung Bremerhavens. Entsprechend sind dort die hellen Linien der Quecksilber- und Natriumdampflampen zu erkennen. Offenbar waren aber selbst hier noch kleine Wolkenlücken, da bei 557,7 und 630 nm noch das Signal des grünen und roten Sauerstoff-Airglows sichtbar ist.
Das zweite Diagramm zeigt im direkten Helligkeitsvergleich das Himmelsspektrum bei klarem Himmel. Die Lichtverschmutzung ist stark reduziert. Dafür treten jetzt die Airglowlinien sehr gut hervor.

Inzwischen habe ich in den Spektrographen statt des CD-Stücks als Reflektionsgitter, eine Transmissionsgitterfolie eingebaut (500 Linien/mm). Michael Hunnekuhl hatte mir da freundlicherweise etwas zugeschickt. Der Vorteil der Folie ist, dass die Linien dort gerade sind und nicht gebogen (CD). Das macht die Auswertung natürlich einfacher wenn man die Bildzeilen des Spektrums aufaddiert.

Heute Abend (bedeckter Himmel) habe ich dann statt der alten Canon 40D die moderne 6D als Aufnahmegerät verwendet. Der Unterschied ist erstaunlich! Im direkten Vergleich (werde ich noch posten), ist das Spektrum erheblich heller! Da machen sich wohl die wesentlich größeren Pixel der 6D bemerkbar. Außerdem lassen sich bei der 6D problemlos ISO-Werte bis 12800 verwenden. Und tatsächlich: In nur 15 Sekunden lässt sich bei ISO 12800 ein gutes Spektrum aufnehmen! Das macht praktisch eine direkte PL-Überwachung möglich! Man kann dann also fast live sehen ob Polarlicht ist oder nicht.

Problem: die 6D brauche ich natürlich eigentlich für meine normalen Aufnahmen... Sie dauerhaft in den Spektrografen einzubauen ist also eigentlich nicht möglich.

Viele Grüße
Michael

ps.: Hier noch die gestreckte Version des wolkenlosen Himmelsspektrums mit dem gut sichtbaren grünen und roten Airglowsignal:
Bild

Georg V.
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Georg V. » 17. Nov 2013, 15:00

Ich finde die Idee absolut hervorragend.

Bei ausreichender Flächendeckung mit solchen Geräten wäre dann zukünftig hoffentlich sogar auf die Warnungen etwas Verlass.

Vielleicht könnte man, eventuell mit Abstrichen, auch andere/billigere/einfachere Geräte einsetzen, mit dem Ziel billig im Dauerbetrieb zu sein? Ich denke an einfache Sensoren mit Verstärker und vorangeschaltetem Filter, die selektiv jeweils eine einzelne Wellenlänge überwachen und an den Rechner angeschlossen werden können...

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Michael Theusner
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Re: Spektrograf für Polarlichtwarnung (Selbstbau)

Beitrag von Michael Theusner » 20. Nov 2013, 22:26

Georg V. hat geschrieben:Ich finde die Idee absolut hervorragend.

Bei ausreichender Flächendeckung mit solchen Geräten wäre dann zukünftig hoffentlich sogar auf die Warnungen etwas Verlass.
Danke! Ich hoffe, dass es einmal so weit kommen wird.
Vielleicht könnte man, eventuell mit Abstrichen, auch andere/billigere/einfachere Geräte einsetzen, mit dem Ziel billig im Dauerbetrieb zu sein?
Das hoffe ich zu erreichen. Im Moment heißt das Motto "back to the basics". Ich bin jetzt wieder da wo ich angefangen habe. Kollimator und Frontobjektiv habe ich entfernt. Hinter den Spalt kommt jetzt direkt das Transmissionsgitter. Das wird dann eine sehr kurze Bauweise und man kann den Spektrografen dann direkt vor das Kameraobjektiv schrauben. So hatte ich mal angefangen, allerdings mit CD- und DVD-Stücken. Fertig ist es noch nicht, aber in den nächsten Tagen.
Ich denke an einfache Sensoren mit Verstärker und vorangeschaltetem Filter, die selektiv jeweils eine einzelne Wellenlänge überwachen und an den Rechner angeschlossen werden können...
Ja, solche Systeme gab es schon. Vor über 10 Jahren habe ich mal im Netz gelesen, dass eine amerikanische Uni solch ein Warnsystem hatte. Da wurde mit Photomultipliern (PMT. Sehr teuer und empfindlich, habe ich gelesen) die grüne PL-Linie überwacht. Da gab es dann aber das Problem, dass das Gerät nicht einfach zwischen Mondlicht und PL unterscheiden konnte -- ist halt beides hell. Da wurde dann über ein kompliziertes Verfahren das Mondlichtsignal berücksichtigt. Diese Nachteile hat die Methode, die ich jetzt verwende nicht. Und wie es aussieht, muss es auch keine 6D für den Spektrografen sein. Dann ist die Belichtungszeit halt 1 Minute mit einer modernen DSLR statt 15 Sekunden mit der 6D. Und günstige DSLRs gibt es ja einige. Man muss ja eben nicht gleich die Neueste dafür nehmen.

Wenn du weiter Ideen hast, immer raus damit :)
Gibt es auch günstige PMTs?

Viele Grüße,
Michael

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