Forskere fuldender LSSTs digitale sensorarray

Efter 16 års dedikeret planlægning og ingeniørarbejde, forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory har færdiggjort et 3,2 gigapixel sensorarray til kameraet, der skal bruges i Large Synoptic Survey Telescope (LSST), et massivt teleskop, der vil observere universet som aldrig før.

"Dette er det største charge-coupled device (CCD)-array, der nogensinde er blevet bygget, " sagde Paul O'Connor, seniorforsker ved Brookhaven Labs instrumenteringsafdeling. "Det er tre milliarder pixels. Intet teleskop har nogensinde sat så mange sensorer i ét kamera."

Det digitale sensorarray er sammensat af omkring 200 16-megapixel sensorer, opdelt i 21 moduler kaldet "flåder". Hver tømmerflåde kan fungere for sig selv, men når det kombineres, de vil se et område af himlen, der kan passe mere end 40 fuldmåner i et enkelt billede. Forskere vil sy disse billeder sammen for at skabe en time-lapse-film af det komplette synlige univers, der er tilgængeligt fra Chile.

I øjeblikket under opførelse på en bjergtop i Chile, LSST er designet til at fange de mest komplette billeder af vores univers, der nogensinde er blevet opnået. Projektet med at bygge teleskopanlægget og kameraet er et samarbejde mellem mere end 30 institutioner fra hele verden, og det er primært finansieret af DOE's Office of Science og National Science Foundation. DOE's SLAC National Accelerator Laboratory leder den overordnede indsats for at konstruere kameraet - verdens største kamera til astronomi - mens Brookhaven ledede designet, konstruktion, og kvalifikation af det digitale sensorarray - den "digitale film" til kameraet.

"Det er hjertet af kameraet, sagde Bill Wahl, science flåde undersystem leder af LSST projektet på Brookhaven Lab. "Det, vi har gjort her i Brookhaven, repræsenterer mange års fantastisk arbejde udført af mange talentfulde videnskabsmænd, ingeniører, og teknikere. Deres arbejde vil føre til en samling af billeder, som aldrig er set før af nogen. Det er en spændende tid for projektet og for laboratoriet."

Brookhaven begyndte sit LSST forsknings- og udviklingsprogram i 2003, med opbygning af det digitale sensorarray med start i 2014. I tiden op til byggeriet, Brookhaven designede og fremstillede monterings- og testudstyret til videnskabsflåderne, der blev brugt både ved Brookhaven og SLAC. Laboratoriet skabte også et helt automatiseret produktionsanlæg og renrum, sammen med produktions- og sporingssoftware.

"Vi sørgede for at automatisere så meget af produktionsanlægget som muligt, " sagde O'Connor. "At teste en enkelt flåde kan tage op til tre dage. Vi arbejdede efter en stram tidsplan, så vi havde vores automatiserede anlæg kørende 24/7. Selvfølgelig, af hensyn til sikkerheden, vi havde altid nogen, der overvågede anlægget hele dagen og natten."

Konstruktion af det komplekse sensorarray, som fungerer i vakuum og skal afkøles til -100° Celsius, er en udfordring i sig selv. Men Brookhaven-teamet fik også til opgave at teste hver fuldt monteret flåde, samt individuelle sensorer og elektronik. Når hver flåde var færdig, det skulle pakkes omhyggeligt i et beskyttende miljø for sikkert at blive sendt over hele landet til SLAC.

LSST-holdet ved Brookhaven færdiggjorde den første tømmerflåde i 2017. Men kort efter, de blev præsenteret for en ny udfordring.

"Vi opdagede senere, at designfunktioner utilsigtet førte til muligheden for, at elektriske ledninger i tømmerflåderne kunne blive kortsluttet, " sagde O'Connor. "Hastigheden, hvormed denne effekt påvirkede tømmerflåderne, var kun i størrelsesordenen 0,2 %, men for at undgå enhver mulighed for nedbrydning, vi gik igennem besværet med at ombygge næsten hver tømmerflåde."

Nu, kun to år efter starten af ​​flådeproduktionen, holdet har med succes bygget og sendt den endelige flåde til SLAC for integration i kameraet. Dette markerer afslutningen på et 16-årigt projekt i Brookhaven, som vil blive efterfulgt af mange års astronomisk observation.

Mange af de talentfulde teammedlemmer, der blev rekrutteret til Brookhaven til LSST-projektet, var unge ingeniører og teknikere, der blev ansat lige efter kandidatskolen. Nu, de er alle blevet tildelt igangværende fysikprojekter på laboratoriet, såsom at opgradere PHENIX-detektoren ved Relativistic Heavy Ion Collider - en DOE Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning - til sPHENIX, samt løbende arbejde med ATLAS-detektoren hos CERNs Large Hadron Collider. Brookhaven er det amerikanske værtslaboratorium for ATLAS-samarbejdet

"Brookhavens rolle i LSST-kameraprojektet gav nye og spændende muligheder for ingeniører, teknikere, og forskere i elektrooptik, hvor meget krævende specifikationer skal opfyldes, " sagde Wahl. "Det multidisciplinerede team, vi samlede, gjorde et fremragende stykke arbejde med at nå designmålene, og jeg er stolt af vores tid sammen. At se junioringeniører og videnskabsmænd vokse til meget dygtige teammedlemmer var ekstremt givende."

Brookhaven Lab vil fortsat spille en stærk rolle i LSST fremover. Mens teleskopet gennemgår sin idriftsættelsesfase, Brookhaven-forskere vil fungere som eksperter i det digitale sensorarray i kameraet. De vil også yde støtte under LSSTs operationer, som forventes at begynde i 2022.

"Idriftsættelsen af ​​et så komplekst kamera vil være en spændende og udfordrende indsats, " sagde Brookhaven-fysiker Andrei Nomerotski, som leder Brookhavens bidrag til idriftsættelses- og driftsfaserne af LSST-projektet. "Efter flere års brug af kunstige signalkilder til sensorkarakterisering, vi glæder os til at se rigtige stjerner og galakser i LSST CCD'erne."

En gang operation i Andesbjergene, LSST vil tjene næsten alle undergrupper af astrofysiksamfundet. Måske vigtigst af alt, LSST vil gøre det muligt for forskere at undersøge mørk energi og mørkt stof - to gåder, der har forvirret fysikere i årtier. Det anslås også, at LSST vil finde millioner af asteroider i vores solsystem, ud over at tilbyde ny information om skabelsen af ​​vores galakse. Billederne taget af LSST vil straks blive gjort tilgængelige for fysikere og astronomer i USA og Chile. gør LSST til et af de mest avancerede og tilgængelige kosmologiske eksperimenter, der nogensinde er skabt. Over tid, dataene vil blive gjort tilgængelige for offentligheden over hele verden.