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Medición y Ajuste de las Superficies Ópticas del Gran Telescopio Milimétrico, 2012-2103
David M. Gale Laboratorio de Superficies Asféricas,
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica Calle Luis Enrique Erro No. 1, Santa María Tonantzintla, San Andrés Cholula, Puebla, México
RESUMEN
A finales de 2011 se concluyó el proyecto de Primera Luz del Gran Telescopio Milimétrico
Alfonso Serrano (GTM). En el proyecto operaron por primer vez en conjunto, todos los
elementos de la antena, es decir, los reflectores ópticos, los instrumentos científicos, y el
sistema de control y apuntado del telescopio; asegurando que funcionara para proporcionar
datos astronómicos por medio de observaciones de objetos conocidos.
A principios del 2012 se inició un proyecto de mejoramiento de las superficies ópticas para
acercarse a la especificación técnica, permitiendo por primera vez en 2013-2014 la
programación de una campaña de observaciones científicas, y la obtención de datos de buena
calidad. En este trabajo se presenta un panorama general de las actividades de mejoramiento
de los reflectores de la antena. Cada componente requirió de un enfoque distinto por sus
características únicas.
Por ser un reflector segmentado de grandes dimensiones, los trabajos del espejo primario se
concentraron en una revisión mecánica a profundidad así como la re-alineación de la
superficie. Para lograr el éxito en esta tarea, fue necesario revisar y modificar los procesos de
metrología dentro del proyecto GTM. El espejo secundario es un componente monolítico, y su
forma fue mejorada con desbaste a mano. El espejo terciario es cuasi-rígido, lo cual permitió su
optimización a través del ajuste fino de sus componentes de soporte.
Después de una breve introducción al telescopio y sus reflectores, se considera cada reflector
por separado. El enfoque principal es el espejo primario; el trabajo de reparación y alineación
de este espejo representa el 90 % de las actividades del Laboratorio de Superficies Asféricas
durante este periodo. Se presenta el estado de los reflectores en 2011 y el programa de
actividades, llevado a cabo durante el periodo 2012/13 para reducir los errores de los mismos.
El proceso de mejoramiento aún no termina y seguiremos con estas actividades en 2014/15.
PALABRAS CLAVE: Telescopio Milimétrico, metrología, láser tracker, fotogrametría, superficie
reflectora.
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Figura 1. Reflectores primario, secundario y terciario del GTM
1 INTRODUCCIÓN AL GTM
El Gran Telescopio Milimétrico (GTM) está optimizado para detecciones de ondas milimétricas,
específicamente en el rango de longitud de onda entre 4 mm y 0.8 mm. Su ubicación a 4600
msnm proporciona buena opacidad para este rango de detección. El GTM es un telescopio
reflector tipo Cassegrain doblado, mostrado en la figura 1, con un espejo primario de 50 m de
diámetro, compuesto de 180 segmentos. En 2014 la antena opera con un diámetro de 32 m,
formado por 84 segmentos organizados en tres anillos. La superficie es una parábola con
distancia focal de 17.5 m. El espejo secundario es una hipérbola monolítica fabricada de
aluminio, con una distancia focal de 26.5 m y una constante de conicidad K = -1.1427. Su
tamaño es de 2.5 m, sin embargo, únicamente el diámetro interior de 1.7 m está acoplado al
primario de 32 m. La luz del secundario es reflejada por un orificio central en el espejo
primario, incidiendo sobre el reflector terciario, el cual, es un plano de forma elíptica con ejes de
1.6 y 1.1 m. Los espejos primario, secundario y terciario son considerados como reflectores
permanentes y propios del telescopio, mientras cada "instrumento" o detector astronómico
requiere su propia óptica para su acoplamiento a la antena. En la actualidad el GTM funciona
con un espectrómetro de banda ancha a 3 mm (Redshift Receiver), y una cámara a 1.1 mm
(AzTEC), ambos desarrollados en la Universidad de Massachusetts, E.U.
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2 El espejo primario
2.1 Revisión e investigación preliminar
Concluyendo el programa de la Primera Luz en 2011, se realizaron mediciones de la superficie
primaria con láser tracker, un equipo de medición portátil con una precisión de alrededor de 20
micras [1]. Se revisaron las secciones de la antena conocidas como "pétalos", formados por un
segmento de anillo 1, dos de anillo 2, y 4 de anillo 3. La figura 2 muestra dos mapas obtenidos
en este ejercicio. El error RMS de cada pétalo era alrededor de 1 mm, mientras la
especificación requería un error menor a 80 micras. En las figuras se pueden apreciar
discontinuidades fuertes entre segmentos, y también una desalineación a escala sub-
segmento.
El resultado de la revisión mostró dos problemas con el reflector; (i) no se había logrado una
alineación adecuada de la superficie, (ii) la superficie se mostraba bastante inestable con
cambios en su forma local después de movimientos de la antena, y tras haber sido pisada en
diferentes momentos, algo que el diseño debería de haber tomado en cuenta.
Figura 2. Mediciones de dos pétalos del reflector primario en agosto de 2011.
Con base en los resultados de las mediciones, se inició un periodo de investigación a fondo del
problema que duró seis meses, concentrándose en los siguientes temas:
1. Revisión de los procedimientos de metrología y el análisis de datos. Se descubrieron errores en el procedimiento de medición, principalmente debidos a la omisión de puntos fiduciales. También se identificaron errores en los procedimientos de metrología, p. ej. el apoyo inadecuado del segmento, que derivó en el torcimiento del mismo.
2. Revisión de los procesos de armado, alineación e instalación de los segmentos. Conforme se identificaron los problemas con el armado y la alineación, el proceso de instalación resultó ser menos problemático, a pesar de su complejidad.
3. Revisión de la estabilidad de los segmentos armados. En este punto, se concentró en el diseño mecánico de los segmentos y la calidad de los
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componentes utilizados. Las fallas en ambas áreas derivaron en una superficie con inestabilidad.
2.2 Reparación y ajustes mecánicos
La figura 3 muestra los componentes principales de la superficie primaria. Cada segmento está
formado por 8 reflectores (subpaneles) de alta precisión, soportados sobre 5 ajustadores
diferenciales. Los ajustadores permiten la alineación de cada subpanel conforme a la parábola
de diseño. A finales de 2011, se encontraron muchos componentes deteriorados y en otros
casos mal fabricados. En la primavera de 2012 se inició un proceso de reparación de cada
segmento de los anillos 1-3, realizando las siguientes actividades:
1. Desmontaje de los segmentos del "backstructure" de la antena y su instalación en el sótano del telescopio.
2. Desarmado y limpieza de todos los componentes mecánicos, con énfasis en los ajustadores y sus cuerdas diferenciales.
3. Reemplazo de los componentes de plástico (uniones esféricas) con piezas metálicas según el diseño original.
4. Reparación de la interfaz ajustador-subpanel, la cual estaba propensa a fracturas. 5. Rearmado, ajuste, y alineación (ver sección 2.3). 6. Reinstalación en el backstructure de la antena, y metrología in-situ.
Figura 3. Baseplate, ajustadores, y subpaneles de la superficie primaria
Debido al acercamiento de la fecha límite programada para realizar observaciones científicas
en el periodo de febrero-julio de 2013, se priorizaron reparaciones esenciales y una mejora de
los procedimientos mecánicos. Durante el periodo marzo-diciembre 2012 se logró la renovación
de los anillos 1 y 2 (12 y 24 segmentos respectivamente), y 10 segmentos de anillo 3. Durante
el periodo agosto-octubre 2013 se realizó la renovación de 19 segmentos adicionales de anillo
3, esta vez implementando cambios en el diseño que permitieron un ajuste lateral de los
5
subpaneles. Esto redujo los esfuerzos sobre los componentes críticos, y facilitó el proceso de
alineación de la superficie. Para trabajos futuros (el resto de segmentos de anillo 3, y la
instalación de anillos 4 y 5), se incluirán estas modificaciones como un estándar.
2.3 Alineación individual de segmentos
Se llevó a cabo la re-alineación de los segmentos en sitio usando los equipos láser tracker,
evitando así, la necesidad de transportarlos al INAOE. La precisión del tracker es del orden de
15-30 m (según distancia del objeto) con una repetibilidad de 1-2 m, por lo que se adapta
debidamente a esta actividad. La figura 4 muestra el proceso de medición y ajuste en el sitio.
Figura 4. Medición (izquierda) y ajuste (derecha) de un segmento con láser tracker en el
sótano.
El ajuste de los subpaneles requiere múltiples iteraciones, proceso que debe ser optimizado
para minimizar los tiempos de medición. Las primeras iteraciones demuestran grandes
ganancias en la reducción del error RMS de la superficie, pero el proceso se lentifica a las 50
m o por debajo de este valor, ya que los ajustes requeridos son muy finos e implican ligeras
modificaciones elásticas de los subpaneles, en adición a los movimientos de cuerpo rígido. La
figura 5 muestra el avance durante el proceso, indicando claramente la llegada al límite de
ajuste.
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Figura 5. Proceso iterativo de ajuste de un segmento. Se realizaron 12 iteraciones en 5 horas.
La tabla 1 presenta un resumen de los 67 segmentos reparados de anillos 1-3. El error
promedio es entre 33 y 28 micras antes de realizar una prueba de caminata. En esta prueba
una persona pisa cada esquina de cada subpanel por encima de la superficie. El error en la
superficie no debe crecer por más de unas pocas micras; de lo contrario, se revisan los
componentes mecánicos y se vuelve a re-ajustar. En la última línea para los anillos 1 y 2 se
observa un aumento en el error de 10 m lineal, debido al proceso de re-instalación en la
antena.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
100
200
300
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500
600
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
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surfacermserror
adjustersmoved
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Tabla 1. Error final en la alineación de los segmentos antes y después de su instalación.
2.4 Alineación global del espejo primario
Una pre-alineación del espejo primario, es decir, la ubicación de cada segmento relativo a la
parábola de diseño, se lleva acabo con una estación total, que cuenta con una precisión entre
300 y 500 micras. A principios de 2013 se hizo un intento por alinear la superficie con el láser
tracker, tarea bastante compleja por las dimensiones del objeto (32 m), las condiciones
ambientales, y los tiempos largos de medición; ya que el proceso del tracker requiere contacto
físico con la superficie para obtener coordenadas de medición. En este primer intento se logró
una precisión del orden de 100 m, trabajando por secciones de la superficie, sobre un periodo
de 10-15 noches. Se espera mejorar el procedimiento para reducir los tiempos de medición y el
error con este método.
La alineación final de la superficie primaria se realiza con holografía a 12 GHz. Aunque este
proceso no tiene gran resolución, se puede obtener un mapa de la superficie en un par de
horas, con una precisión menor a 50 micras. En marzo de 2013 se logró entregar la superficie
con un error RMS de 50, 44 y 98 m en los anillos 1, 2 y 3 respectivamente, siendo una cifra
final de 52 m el error RMS efectivo (error compensado por el perfil de iluminación del
reflector).
3 El espejo secundario
El espejo secundario es una pieza monolítica de aluminio, fundido, maquinado y pulido para
obtener el perfil hiperbólico. En 2012 se realizaron mediciones de la superficie con láser
tracker, dando un error RMS de 63 m en la zona central de 1.7 m, dicha zona corresponde a
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la iluminación del primario de 32 m. Se inició un programa de corrección de la superficie por
desbaste, removiendo las zonas altas con un desbastador orbital. Se mantuvo un control
estricto sobre los tiempos y presión del desbaste, el abrasivo etc., y se destinó el trabajo a un
solo operador, con el fin de evitar fallas por desbaste excesivo. Figura 6, muestra los pasos del
proceso iterativo. Después de 22 iteraciones, se redujo el error RMS a 36 mm, ver figura 7.
Figura 6. Revisión del mapa de la superficie del espejo secundario tomado con láser tracker
(izquierda), y desbaste de la superficie para corregir zonas altas (derecha).
Figura 7. Reducción en el error RMS de la superficie del espejo secundario por desbaste.
61
63
59
57
59
5757
5453
52
49
5251
4645
40
42
38
4645
44
4243
42
38 38 40
35
41 41
3635
40
45
50
55
60
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
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número de it eración (medición)
Low resolut ion
medium resolut ion
high resolut ion
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4 el espejo terciario
El reflector terciario es un espejo plano de aluminio, soportado en cinco puntos con ajustadores
diferenciales. Usando nuevamente el láser tracker para la metrología, fue posible ajustar
ligeramente su forma en 2012 para optimizar su planicidad, figura 8.
Figura 8. Medición del terciario (izquierda) y mapa final de la zona central, 24 m RMS.
5 Conclusiones
Durante el periodo 2012-2013 se realizó una revisión a fondo de la mecánica del espejo
primario y los procedimientos de metrología en el proyecto GTM. Se logró reducir el error RMS
de los reflectores principales a niveles aceptables para las observaciones astronómicas,
quedando cerca de las especificaciones técnicas del proyecto. Durante los próximos años
seguiremos con el mantenimiento y mejoramiento de las superficies reflectoras, siendo éstos
componentes críticos.
6 agradecimientos
El autor desea agradecer a los integrantes actuales del Laboratorio de Superficies Asféricas su
dedicación y profesionalismo durante el periodo de renovación de las superficies reflectoras
2012/13; Área mecánica: G. Becerra, M. Tecuapetla, A. Ortega, M. Xicotencatl, E. Larracilla, I.
de Rosas, S. Flores, A. Hernández, A. Velázquez, T. Hernández. Área de metrología: A. León,
M. Lucero, E. Hernández, L. Cabrera, J. Lázaro, D. Castro, C. Tzile. Sin su esfuerzo, el
telescopio no estaría en condiciones para realizar campañas de observación astronómica en
2014. También se agradece el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
(CONACyT).
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REFERENCIAS
[1] Cabrera Cuevas L., Castro Santos D., Gale D. et al, Instrumentación y métodos de
metrología en el Proyecto Gran Telescopio Milimétrico. Memorias, SOMI XXIX
Congreso de Instrumentación. Puerto Vallarta, México, octubre 29-31, 2014.