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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-26082016-160404
Documento
Autor
Nome completo
Denis Furtado de Andrade
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2016
Orientador
Banca examinadora
Fernandez, Francisco Javier Ramírez (Presidente)
Costa, Roberto Dell'Aglio Dias da
Galeazzo, Elisabete
Souza, Bruno Vaz Castilho de
Souza, Tiago Ribeiro de
Título em português
Otimização das câmeras astronômicas do instrumento Brazilian Tunable Filter Imager.
Palavras-chave em português
Baixa temperatura
Circuitos eletrônicos
Instrumentação (Astronomia)
Simulação térmica
Vácuo
Resumo em português
Este trabalho apresenta os resultados obtidos no processo de otimização realizado nas câmeras astronômicas do instrumento BTFI (Brazilan Tunable Filter Imager) instalado no telescópio SOAR, no Chile, para reduzir o ruído nos sinais. O instrumento BTFI opera com duas câmeras astronômicas de alto desempenho que utilizam detectores de imagens denominados EMCCDs. Esses detectores são sensores de imagem baseados em dispositivos de carga acoplada (CCDs) otimizados por um estágio integrado de multiplicação de elétrons por avalanche. Essa característica permite atingir ao mesmo tempo altas taxas de leitura (10 MHz) e níveis de ruído muito baixos (<1 elétron/pixel). Detectores CCD exigem temperaturas de operação da ordem de -100oC para operar com baixo ruído, o que demanda uma série de especificações técnicas quanto ao projeto da câmera. O trabalho aqui exposto fundamentou-se na otimização de aspectos mecânicos e eletrônicos de câmeras astronômicas com o intuito de se obter a melhor relação sinal-ruído, mostrando a importância do correto desenho mecânico (do ponto de vista térmico) e sua influência no comportamento eletrônico da câmera. São expostos os resultados obtidos com as duas câmeras em laboratório, os métodos e processos de caracterização utilizados, bem como as simulações térmicas e experimentos realizados em laboratório. Com as técnicas empregadas alcançou-se níveis de ruído total menores que 0,18 elétrons/pixel/segundo para exposições de 10 segundos. Os resultados atingidos foram observados nas duas câmeras do instrumento BTFI e foram validados em laboratório, onde demonstraram estabilidade durante 71 dias consecutivos. Por fim, é mostrada uma caracterização comparativa entre as duas câmeras quanto aos níveis de ruídos, ganho, estabilidade, eficiência quântica, linearidade e relação sinal-ruído.
Título em inglês
Astronomical cameras optimization for the Brazilian Tunable Filter Imager instrument.
Palavras-chave em inglês
Astronomy
Electronic circuits
Instrumentation
Thermal simulation
Vacuum
Resumo em inglês
This work presents results of the optimization performed in the astronomical cameras from the Brazilian Tunable Filter Imager (BTFI), instrument for the SOAR Telescope in Chile, in order to reduce the signals noise. The BTFI instrument has two highperformance cameras equipped with detectors named EMCCDs, which are image sensors based on charge-coupled devices (CCDs) optimized by an electron multiplication integrated stage. This feature enables to achieve high readout rates (10 MHz) and very low noise levels (<1 electron/pixel) at the same time. CCD detectors demand running temperatures of about -100,sup>oC for very low noise operation, which requires a series of technical specifications for the camera design. The work shown here is based in the optimization of the mechanical and electronic aspects for the astronomical cameras, in order to obtain the best signal to noise ratio, showing the importance of the correct mechanical design (from the thermal point of view) and its influence on the camera electronic behavior. The laboratory results obtained with the two cameras, the characterization procedures, as well as the thermal simulations and laboratory ratification experiments that allowed achieve the results presented are exposed. Using such techniques it was possible to achieve total noise levels lower than 0.18 electron/pixel/second for 10 seconds of exposure time. The results achieved were observed in both BTFI cameras and were validated in laboratory showing 71 consecutive days of stability. Finally it is shown a comparative characterization between both cameras in: noise and gain levels, stability, quantum efficiency, linearity and signal to noise ratio.
 
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Data de Publicação
2016-08-29
 
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