Obserwatorium Cherenkov Telescope Array (CTA) – mały teleskop (SST-1M)
2008-2019
Zakres prac wykonanych pod kierunkiem pracowników DAI
Instytut Fizyki Jądrowej PAN jest członkiem międzynarodowego konsorcjum Cherenkov Telescope Array (CTA), w ramach którego jest budowane obserwatorium przeznaczone do badań wszechświata w zakresie promieniowania gamma najwyższych energii. CTA będzie się składało z dwóch obserwatoriów: jednego na półkuli północnej, na hiszpańskiej wyspie La Palma, w skład którego wejdzie od 20 do 30 teleskopów rozstawionych na powierzchni 1 km2, oraz drugiego na półkuli południowej, na pustyni Atacama w Chile, zawierające od 70 do 100 teleskopów obejmujących obszar 10 km2. Dzięki swoim rozmiarom i zaawansowaniu technologicznemu CTA będzie 10-krotnie czulsze niż obecnie działające obserwatoria gamma. Swoimi pomiarami obejmie szeroki zakres energii, od około 20 GeV do 300 TeV, a ponadto dostarczy danych o znacznie większej rozdzielczości kątowej. Projektowany czas użytkowania obserwatorium to przynajmniej 30 lat. Obserwatoria zbudowane będą z trzech typów teleskopów: dużych o średnicy czaszy odbijającej 24 m (LST), średnich o średnicy 12 m (MST) i małych o średnicy 4 m (SST-1M i SST-2M). Są to tzw. teleskopy Czerenkowa, rejestrujące niebieskawe światło poświat pęków atmosferycznych, inicjowanych w atmosferze ziemi przez pochodzące z kosmosu wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego oraz promieniowania gamma.
W DAI została zaprojektowana struktura małego teleskopu typu Davies-Cottona z pojedynczym reflektorem (SST-1M), której wykonanie zlecono firmie PONAR w Żywcu. Struktura została tak opracowana, aby uzyskać możliwie największą efektywność, przy stosunkowo niewielkich kosztach produkcji i użytkowania. Dużą wydajność optyczną osiągnięto dzięki niewielkiemu przesłonięciu zwierciadeł przez maszt podtrzymujący kamerę powodującego pole martwe. Koszty eksploatacji starano się optymalizować poprzez wykorzystanie układów napędowych i sterujących obecnych w innych teleskopach przeznaczonych dla CTA i odpowiednie wyważenie struktury, i jej aerodynamiczny kształt niwelujący wpływ silnych wiatrów wiejących z różnych kierunków.
W 2014 r. wyprodukowany i zmontowany na terenie IFJ PAN teleskop został przetestowany pod kątem wymagań stawianych przez współpracę CTA. Testy obejmowały między innymi wyznaczenie parametrów modelu modalnego konstrukcji, pomiary geodezyjne (odchylenie wieży od osi pionowej, ugięcie masztu, pomiar drgań masztu), pomiary zapotrzebowania na energię elektryczną w różnych trybach pracy i warunkach atmosferycznych.
W 2015 r. prototyp teleskopu wyposażany został w zwierciadła (Joint Laboratory, Olomouc, Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences) wraz z systemami ich mocowania i justowania (Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie).
W jesieni 2017 roku zainstalowana została na teleskopie w pełni cyfrowa kamera (University of Geneva-UJ-AGH). Zastosowano w niej, zamiast klasycznych próżniowych fotopowielaczy, półprzewodnikowe sensory światła, które stanowią nową jakość w tej dziedzinie oraz redukują kilkukrotnie ciężar kamery, oraz nowatorski w pełni cyfrowy system wyzwalania i akwizycji danych. Do końca 2018 r. prowadzone były zarówno testy funkcjonalne teleskopu jak i obserwacje nieba.
W latach 2017-2019:
zaprojektowano zmodyfikowaną strukturę mechaniczną teleskopu, którą wykonała firma PONAR Żywiec i zainstalowała na terenie IFJ PAN, zaprojektowano i wykonano nową szafę sterowniczą oraz zdemontowano i spakowano do kontenerów pierwszą prototypową strukturę teleskopu.
Koordynatorzy projektu w DAI
J. Michałowski, M.Stodulski (2008 – 2015), J. Świerblewski (2016 – 2019)
Kalendarium projektu
2011 – 2012
Projekt struktury mechanicznej teleskopu SST – 1M
2012 – 2013
Projekt i wykonanie szafy sterowniczej teleskopu
Opracowanie i uruchomienie oprogramowania teleskopu
Firma PONAR ŻYWIEC instaluje teleskop SST – 1M na terenie IFJ PAN
2014 – 2016
Oprzyrządowanie teleskopu i testy ruchowe mechaniki
Wyposażenie czaszy teleskopu w 18 szklanych zwierciadeł sferycznych
2015 – 2018
Testy i kalibracja układu optycznego teleskopu
Instalacja półprzewodnikowej kamery teleskopu wykonanej na Uniwersytecie Genewskim
Testy kompletnego teleskopu, pierwsze rejestracje pęków promieniowania gamma
2017 – 2019
Projekt kolejnego zmodyfikowanego teleskopu SST – 1M
Projekt i wykonanie w IFJ nowej szafy sterowniczej
Demontaż i spakowanie do kontenera transportowego struktury mechanicznej teleskopu
Firma PONAR ŻYWIEC instaluje zmodyfikowany teleskop SST – 1M na terenie IFJ PAN
Obserwatorium Cherenkov Telescope Array (CTA) – zwierciadła dla średniego teleskopu (MST)
2011-2019
Zakres prac wykonanych w DAI
Budowa kompozytowego zwierciadła o otwartej strukturze
Od roku 2011 inżynierowie i technicy DAI zajmują się opracowaniem technologii szklanych zwierciadeł sferycznych. Klasyczna technologia polegająca na długotrwałym szlifowaniu płyty szklanej aż do uzyskania pożądanego kształtu powierzchni odbijającej światło jest niewydajna i bardzo kosztowna. Teleskopy obserwatorium CTA zbudowane będą w sumie z kilku tysięcy sześciokątnych zwierciadeł optycznych o dużych rozmiarach, wynoszących 120 cm dla średnich teleskopów (MST) i aż 150 cm dla dużych teleskopów (LST). Zwierciadła te będą musiały zostać wytworzone w krótkim czasie około 2-3 lat. Taka ilość zwierciadeł może zostać wyprodukowana w technologii kompozytowej w kilku specjalistycznych zakładach produkcyjnych równocześnie. Instytut Fizyki Jądrowej PAN jest jednym z czterech podmiotów, który od ośmiu lat zajmuje się technologią produkcji zwierciadeł kompozytowych. Pracownicy DAI opracowali zwierciadła dla teleskopów MST. Mają one kształt sześciokąta foremnego opisanego na kole o średnicy 1200 mm. Każde zwierciadło składa się z przedniej i tylnej szklanej ściany, które są połączone 350 aluminiowymi cienkościennymi tulejami o średnicy 40 mm i długości 50mm. Boczne ściany zwierciadła, stabilizujące mechanicznie jego kształt i zapobiegające przenikaniu do wnętrza zwierciadła dużych zanieczyszczeń oraz owadów, składają się z cienkich perforowanych aluminiowych płytek. Obrzeża szklanych ścian zabezpieczone są osadzonymi na kleju silikonowym profilami z odpornej gumy. Na tylnej ścianie zwierciadła przyklejone są specjalnym elastycznym klejem trzy krążki (pady) ze stali nierdzewnej służące do mocowania zwierciadła na teleskopie. Tylna ściana oklejona jest również białą samoprzylepną folią, która zabezpiecza zwierciadło przed nadmiernym nagrzewaniem w trakcie dnia w pozycji parkingowej teleskopu, w której zwierciadła zwrócone są tylną ścianą w stronę słońca.
Konstrukcja sferycznego zwierciadła bazuje na technice gięcia na zimno cienkiej tafli szklanej. Tafla (szyba) umieszczana jest na metalowej wypukłej matrycy. W przypadku zwierciadeł dla teleskopów MST promień krzywizny montażowej matrycy wynosi 32,14 m. Matryca zaopatrzona jest w próżniowy system ssania, który powoduje równomierny docisk tafli szklanej do jej powierzchni. Taki docisk powoduje, że początkowo płaska szyba przybiera sferyczny kształt matrycy. Matryca zaopatrzona jest również w system grzania, ponieważ do laminowania (klejenia) kolejnych warstw kompozytu używana jest żywica epoksydowa wymagająca do utwardzenia podwyższonej temperatury. Linia produkcyjna do masowej produkcji zwierciadeł składa się z trzech stanowisk. Na pierwszym stanowisku znajduje się matryca do produkcji tylnej ściany zwierciadła, na drugim przedniej ściany, a na trzecim matryca do końcowego montażu. Każda z matryc ma inny, specjalnie dobrany, promień krzywizny. W roku 2014 zbudowano w DAI prototypową linię produkcyjną o wydajności trzech zwierciadeł na tydzień. Do końca 2016 r. zbudowano 100 zwierciadeł przeznaczonych dla prototypu teleskopu MST.
Przednia i tylna ściana zwierciadła złożona jest z dwóch warstw szyb sodowo-wapniowej (standardowe szkło okienne) o grubości 2 mm. Dla uzyskania wymaganej przez CTA wytrzymałości na uderzenia gradu, pomiędzy szybami znajduje się laminowana „na mokro” warstwa tkaniny z włókna szklanego. Te trzy warstwy sklejane są ze sobą na opisanych matrycach z dociskiem próżniowym i po utwardzeniu otrzymują wstępny, wklęsły kształt. Na trzecim stanowisku o docelowym promieniu krzywizny skleja się końcową strukturę nośną zwierciadła. Najpierw za pomocą próżni przyssana jest do matrycy ściana przednia. Może ona być uprzednio metalizowana, tak aby odbijać światło w pożądanym zakresie długości fali. Do ściany przedniej następnie doklejona jest tylna ściana z wklejonymi wcześniej, na innym stanowisku, aluminiowymi tulejami i perforowanymi bocznymi płytkami. Potem przez kolejne dwie doby następuje wygrzewanie kleju epoksydowego i stabilizacja struktury. Po zdjęciu zwierciadła z matrycy trafia ono na ławę optyczną do wstępnego pomiaru promienia krzywizny i wielkości plamki (PSF). Po pomiarze zwierciadło jest wykańczane: przyklejane są pady, gumowe obrzeża i biała folia ochronna. Jeśli przednia ściana nie jest metalizowana, strukturę nośną przed wykończeniem napyla się związkami aluminium oraz krzemową warstwą zabezpieczającą.
Koordynatorzy projektu w DAI
J. Michałowski
Kalendarium projektu
2011 – 2014
Opracowanie technologii sześciokątnych zwierciadeł o wymiarze 1200 mm, masa 40 kg, grubość 80 mm (I generacja) zakończone zainstalowaniem czterech sztuk na prototypie MST w DESY Zeuten.
2014 – 2016
Opracowanie technologii sześciokątnych zwierciadeł o wymiarze 1200 mm, masa 32 kg, grubość 60 mm (II generacja) zakończone uruchomieniem linii produkcyjnej w DAI. 100 wyprodukowanych zwierciadeł wysłano do DESY Zeuten dla kolejnego prototypu MST i wszechstronne testy.
2017-2019
We współpracy z DESY Zeuten i CEA Saclay opracowanie technologii sześciokątnych zwierciadeł o wymiarze 1200 mm, masa 19 kg, grubość 40 mm (III generacja) zakończone wyprodukowaniem 12 zwierciadeł wysłanych do DESY Zeuten dla wszechstronnych testów.
Więcej
Publikacje