Instrumentación Astronómica Óptica

para el Gran Telescopio Canarias Manufacturada por el IAUNAM

Fecha: 30 de Septiembre de 2021

Salvador Cuevas Cardona | Casos | Visto 286 veces

En el Instituto de Astronomía de la UNAM (IAUNAM) hemos formado un grupo de instrumentación astronómica en el óptico. Está constituido por personal técnico de diferentes especialidades como Ingenierías Óptica, Mecánica y Electrónica, aplicando estándares de calidad internacional similares a los seguidos en la Agencia Espacial Europea.

Contamos con un taller de óptica que en sus orígenes fue fundado por el Dr. Daniel Malacara. Este taller ha continuado en crecer en infraestructura tanto de maquinaria para la manufactura óptica de lentes de entre 50 y 300 mm de diámetro, como de metrología óptica como dos interferómetros ZYGO y una máquina de coordenadas MITUTOYO. Hemos trabajado para implementar todos los estándares de manufactura y pruebas de la norma ISO10110.Contamos también con un taller mecánico de precisión.

Desde hace más de tres décadas IAUNAM colabora con el Instituto Astrofísico de Canarias (IAC) de España, en proyectos de instrumentación astronómica óptica.

Hacia 1995 se empezó a trabajar en el Gran Telescopio Canarias (GTC), telescopio de más de 10 m de diámetro de su óptica principal, que fue inaugurado en 2005, y está instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma.

En los mismos años los departamentos de instrumentación del IAUNAM y del IAC empezaron a trabajar en el desarrollo de un instrumento con capacidad de imagen y espectroscopia, tanto de rejilla como de filtros anchos sintonizables o angostos tipo Fabry Perot. Este instrumento se llama OSIRIS. Este instrumento trabaja en la banda de 350 a 900 nm.

El diseño óptico de todo el instrumento se hizo principalmente en el IAUNAM. La manufactura de las lentes, en vidrio muy especial (FPL36, CaF2, etc), fue hecho en el IAUNAM y por la compañía FISBA de Suiza. Los recubrimientos anti reflectores se hicieron en FISBA también.El diseño óptico es principalmente un colimador de espejo parabólico y una cámara de lentes. La optomecánica y control de foco de la cámara, fue desarrollado en el IAUNAM en colaboración con CIDESI.

Este instrumento ha sido muy exitoso. Con los datos de este instrumento desde su commissioning a la fecha, ha resultado en 300 artículos de alta calidad. Esto representa un 80% de todas las publicaciones realizadas con datos del telescopio GTC.

Un telescopio como el GTC cuyo espejo principal está conformado por 36 espejos hexagonales, que forman una superficie hiperboloide de revolución, requiere que su desempeño sea calificado con un instrumento verificador. Este fue el origen del instrumento de verificación para el GTC. Este instrumento fue contratado por GTC después de una licitación internacional, con el IAUNAM y el Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI), centro CONACYT de Querétaro.

Este instrumento tiene la óptica, de calidad al límite de difracción, para poder hacer la evaluación de la calidad de imagen del GTC. Puede medir el cofaseo de los 36 segmentos del espejo principal con un método diferente al de los sistemas de control de la superficie del espejo primario. Este método utiliza una generalización del método de curvatura de Roddier para superficies segmentadas, desarrollado en el IAUNAM.

La óptica del Instrumento de Verificación fue manufacturada en los talleres del IAUNAM. Algunas lentes fueron subcontratadas en el Centro de Investigaciones en Óptica, A.C, (CIO).Toda la mecánica y optomecánica fue manufacturada por CIDESI. El sistema de control fue también desarrollado en el IAUNAM. Lo único que no se pudo hacer en México fueron las capas antireflectoras de las lentes. Éstas fueron contratadas con la compañía ZC&R de California, EEUU.

En 2007 se empezó a trabajar en el instrumento FRIDA. Este es un proyecto que lidera el IAUNAM y con la participación de la Universidad de Florida, el Instituto Astrofísico de Canarias y la Universidad Complutense de Madrid. Hemos contado también con nuestros socios de CIDESI. El diseño de todo el instrumento ha sido desarrollado entre el IAUNAM y CIDESI. FRIDA es un espectrógrafo integral de campo con capacidad de imagen que trabaja en el infrarrojo cercano (1000-2500 nm). Estas longitudes de onda requieren que el instrumento completo esté enfriado a menos de 140K. Además las lentes deben de poder transmitir en esas longitudes de onda y las capas antireflectoras optimizadas en dicho intervalo.

FRIDA va a trabajar con el sistema de Óptica Adaptativa del GTC (GTCAO) que también está en desarrollo. Esto va a permitir que se tenga una calidad de imagen al límite de difracción con el telescopio GTC. En algunos aspectos la resolución de FRIDA+GTCAO tanto espacial como espectral, no va a ser superada por el telescopio espacial JWST que está próximo a lanzarse.

La optomecánica de FRIDA debe de ser capaz de mantener alineadas las lentes durante el proceso de enfriado desde temperatura ambiente hasta su temperatura de operación.

Los materiales de las lentes son CaF2 y S-FTM16, así como Infrasil 301.

La unidad integral de campo es de tipo “rebanador de imagen” y ha sido manufacturada con técnicas de “diamond turning” por Corning Special Materials en EEUU y Durham Optics de Inglaterra.FRIDA se encuentra en su etapa de integración.Las capas antireflectoras fueron contratadas con la compañía Custom Scientific de EEUU.

El instrumento está contenido en un criostato diseñado y fabricado por el IAUNAM y CIDESI. El volumen del criostato es de 1 m cúbico y es enfriado por LN2 y por tres cabezas refrigeradoras de circuito cerrado de Helio. La electrónica es también desarrollo del IAUNAM. Algo que hay que mencionar es que los 10 mecanismos que hacen operar el instrumento en diferentes configuraciones, trabajan a las temperaturas criogénicas mencionadas. El gabinete de la electrónica de control no debe emitir más de 100W a la cúpula del telescopio, ya que introduciría turbulencia local, que se trata de evitar. Por tanto dicho gabinete está refrigerado por agua glicolada.