Restauración del Observatorio Astronómico de Madrid Juan de Villanueva

Restauración del Observatorio Astronómico de Madrid Juan de Villanueva

El Observatorio Astronómico de Madrid, de Juan de Villanueva

Conferencia impartida en la Fundación Mapfre

Radio-holografía de microondas para la optimización de la superficie de grandes antenas reflectoras

En el presente trabajo de tesis se afronta el problema de la optimización de la superficie de grandes antenas reflectoras. Es sabido que los grandes reflectores, formados por una superficie panelada, sufren deformaciones debidas al impacto del viento, a los cambios de temperatura y a los efectos gravitacionales derivados del gran peso de la estructura. Estos efectos hacen que los reflectores pierdan su forma ideal, generalmente de paraboloide, y se reduzca su eficiencia de apertura y, por tanto, se limite la máxima frecuencia de uso de los mismos. Es necesario, por tanto, disponer de técnicas que permitan medir el estado de la superficie de grandes reflectores, y derivar los ajustes necesarios a aplicar sobre los tornillos de soporte de cada uno de los paneles que conforman dicha superficie. De esta manera, se devolvería al reflector su forma óptima y aumentaría la eficiencia de apertura y el rango de frecuencias de uso. Hay que resaltar que el aumento de la eficiencia de un radiotelescopio supone una reducción en el tiempo de integración necesario para la detección de las debilísimas señales generadas por las radiofuentes naturales, ahorrando así valioso tiempo de observación. Además, el incremento en el rango de frecuencias permite la detección de nuevas líneas o especies moleculares en dichas radiofuentes. Tras un primer capítulo introductorio, se presenta, en el capítulo segundo, la geometría de estos grandes reflectores y la influencia de los distintos factores que afectan a la calidad de la superficie de los mismos, como la gravedad, el viento y la temperatura, particularizando para el caso del radiotelescopio de 40 metros del Centro Astronómico de Yebes. En el tercer capítulo, se presentan las diferentes técnicas metrológicas empleadas actualmente para abordar la determinación de estos ajustes, mostrándose las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Actualmente, la técnica metrológica más precisa y rápida para llevar a cabo esta tarea de caracterización de la superficie de un gran reflector, es la radio-holografía de microondas presentada en el capítulo cuarto. A partir de las medidas proporcionadas por esta técnica, realizadas con la ayuda de un transmisor, y mediante transformaciones de campo, se calculan los errores de la superficie del reflector, respecto al paraboloide ideal, y se derivan los ajustes necesarios. En los capítulos quinto y sexto se presentan los resultados de la aplicación de esta técnica a dos radiotelescopios: el de 30 metros de IRAM en Pico de Veleta (Granada) y los prototipos de 12 metros de las antenas del proyecto ALMA. Por su parte, el capítulo séptimo contiene el núcleo fundamental de esta tesis y presenta el desarrollo de la técnica de radio-holografía de microondas para optimizar la superficie del radiotelescopio de 40 metros del Centro Astronómico de Yebes. Para ello, ha sido necesario diseñar, construir e instalar un receptor de doble canal en banda Ku en foco primario, y la instrumentación asociada para hacer las medidas de amplitud y fase del diagrama de radiación. Además, ha sido necesario desarrollar el software para llevar a cabo las transformaciones de campo y derivar los ajustes de los paneles. De las medidas holográficas iniciales resultó un error de la superficie del radiotelescopio de 485 μm WRMS, respecto al paraboloide ideal en dirección normal. Tras varias iteraciones del proceso de medida y ajuste, se consiguió reducir dicho error a 194 μm WRMS. Esta notable mejora de la calidad de la superficie ha supuesto aumentar la eficiencia de apertura desde 2,6% al 38,2% a 86 GHz, para un receptor a esta frecuencia situado en el foco primario que produjese la misma iluminación que el receptor de holografía. In this thesis the problem of large reflector antenna surface optimization is faced. It is well known that large reflectors, which are made of a panelled surface, suffer from deformations due to the impact of wind, temperature gradients and gravity loads coming from the high weigth of the structure. These effects distort the ideal reflector shape, which is a paraboloid in most cases, hence reducing the aperture efficiency of the reflector and limiting the maximum frequency of operation. Therefore, it is necessary to have some techniques to measure the status of large reflector surfaces and to derive the adjustment values to be applied to the screws that connect the surface panels to the reflector back-up structure. In this way, the reflector would recover its optimum shape and the aperture efficiency and frequency range would increase. It has to be stated that an increment in the radiotelescope aperture efficiency would imply a reduction in the integration time needed to detect such weak signals coming from natural radiosources in space and, hence, an important saving in observation time. In addition, the increase in the frequency range of operation would allow the detection of new molecular lines in those radiosources. After the introduction, the second chapter shows the geometry of large reflector antennas and the impact on its surface quality of different factors like gravity, wind and temperature, particularly for the case of the Centro Astronómico de Yebes 40 meter radiotelescope. The third chapter deals with the different metrology techniques used to determine the panel adjustments, including the advantages and drawbacks of each one Currently, the most accurate and fast metrologic technique to carry out the characterization of large reflector surfaces is microwave radio-holography2, which is shown in chapter four. From the measurements provided by microwave radio-holography, performed with the help of a transmitter, and with the use of field transformations, the reflector surface errors are computed and the panel adjustments are derived. Chapters five and six show the results of holographic measurements applied to two first class radiotelescopes: the IRAM 30 meter radiotelescope and the 12 meter prototype antennas for the ALMA project. Chapter seven contains the main work of this thesis. It presents the development of the microwave radio-holography technique for the optimization of the Centro Astronómico de Yebes 40m radiotelescope. The work implied the design, construction and instalation of a prime focus Ku-band dual channel receiver, together with the associated instrumentation to measure the amplitude and phase of the radiotelescope radiation pattern. In addition, the software to carry out field transformations and screw settings computations was developed too. Initial holography measurements came up with an surface error of 485 μmWRMS in normal direction with respect to the best-fit paraboloid. After a few iterations of the measurementadjustment cycle, the surface error was reduced to 194 μm WRMS. This remarkable improvement in surface quality means an increment in aperture efficiency from 2,6% to 38,2% at 86 GHz, assuming a receiver at this frequency in prime focus position which produces the same illumination as the holography receiver.

Cálculo de la atracción gravimétrica inducida por el Pabellón de Gravimetría del Centro de Desarrollos Tecnológicos de Yebes (Instituto Geográfico Nacional).

En el presente Trabajo Fin de Grado se modeliza la estructura del Pabellón de Gravimetría del Centro Astronómico de Yebes para así poder determinar su influencia sobre los valores de gravedad observados en el interior del Pabellón. El Pabellón de Gravimetría dispone en su interior de una sala dónde se realizan medidas de gravedad sobre siete pilares de hormigón situados a nivel del suelo. Para poder modelizar la sala de medida se ha realizado un levantamiento topográfico con las especificaciones técnicas de una escala 1:100. Tras la realización del levantamiento se han determinado las coordenadas geográficas del centro de los pilares de medida mediante el cálculo de una radiación, pues es necesario conocer éste dato al realizar medidas relativas de gravedad. Para el cálculo de la influencia que genera la estructura del Pabellón sobre las medidas de gravedad observadas en su interior se han creado una serie de programas en lenguaje Java empleando la fórmula de la atracción gravitatoria que genera un prisma (Nagy, 1969). Una vez se han llevado a cabo las observaciones y los cálculos necesarios se concluye que la influencia de la estructura sobre las medidas de la gravedad observadas en el interior del Pabellón no es de gran magnitud. No obstante esnecesario conocerla y así poder corregir los valores observados. Asimismo, se determina cierta desorientación de los pilares de medida con respecto al norte geográfico. El presente Trabajo Fin de Grado permitirá, entre otros, que el Centro de Desarrollos Tecnológicos de Yebes participe en proyectos de carácter internacional. Abstract: In the current Bachelor Thesis, the structure of the Pavellón de Gravimetría del Centro Astronómico de Yebes is moulded in order to determine its influence on the observed values of gravity inside the Pavilion. The Pabellón de Gravimetría holds in its interior a room where gravity measures are made on seven concrete pillars located on the ground level. In order to be able to mould the room, a topographical survey measurement was made on a 1:100 scale. After concluding the topographical survey measurement the geographical coordinates of the centre of the measurement pillars were determined, due to the necessity to know this data when making relative gravity measures. To calculate the influence that the pavilion structure has on the observed gravity measures in its interior generates, a series of programs in Java language have been created using the formula of the gravitational attraction that generates a prism (Nagy, 1969). Once the observations and the necessary calculations have been carried out, it is concluded that the influences of the structure of the Pavilion on the observed gravity measures inside it are not of a considerable magnitude. Despite that, it is necessary to know this to be able to correct the observed values. Also, certain disorientations of the pillars of measurement with respect to the geographical north is determined. The current Bachelor Thesis will allow, among others, the Centre of Technological Developments of Yebes to get involved in projects of international nature.