PANIC, una cámara infrarroja de gran campo para el observatorio de Calar Alto

Abstract

En la presente Memoria de Tesis Doctoral se presenta el estudio teórico, el diseño óptico, la construcción y la verificación de PANIC, una cámara infrarroja de gran campo para los telescopios de 2.2 m y 3.5 m de apertura del Observatorio de Calar Alto (Almería, España). Se expone el desarrollo del diseño óptico desde el inicio del proyecto, incluyendo la recogida y traslación de los requerimientos a parámetros ópticos, y siguiendo las distintas etapas de diseño hasta el diseño final. Asimismo se describe el proceso de ensamblaje, integración y verificación del instrumento en laboratorio y el ajuste y su verificación una vez instalado en el telescopio. Además se comparan las prestaciones del diseño con las obtenidas en los telescopios tras los primeros resultados conseguidos durante la fase de comisionado del instrumento. Dicha cámara infrarroja abarca un campo de visión de (30×30) arcmin en el telescopio de 2.2 m de apertura y de (15×15) arcmin en el telescopio de 3.5 m, con un muestreo del mismo de (4096×4096) píxeles de 18 μm. El rango espectral de trabajo es el infrarrojo cercano, cubriendo desde 0.8 a 2.5 μm en longitud de onda, para las bandas espectrales desde la Z a la KS. También puede trabajar con filtros estándares estrechos (llegando hasta un ancho de banda de paso del 1% de la longitud de onda central del filtro). La cámara opera acoplada al foco Cassegrain de estos telescopios. El extenso campo de visión requerido en el telescopio de 2.2 m de apertura, así como el rango espectral deseado, comprende varios retos importantes. En primer lugar ha habido que afrontar el desafío del diseño de lentes de gran tamaño, la optimización de un sistema con aberraciones muy severas fuera de eje (en particular, astigmatismo y curvatura de campo) y, a la par, la minimización de las aberraciones cromáticas debido al amplio rango espectral. En segundo lugar, al trabajar acoplada al foco Cassegrain del telescopio, nace el reto de doblar el camino óptico para empaquetar el instrumento dentro de la envolvente física permisible para esta condición de operación. Además, PANIC es un instrumento criogénico, siendo sus condiciones de operación 95 K de temperatura y condiciones de vacío (~10-6 mbar), mantenidas gracias a un criostato enfriado por nitrógeno líquido. La causa por la que las condiciones de funcionamiento del instrumento son tan extremas está relacionada con el rango espectral de trabajo y por el tipo de detector. El detector requiere esas temperaturas para obtener una relación señal ruido máxima, mientras que la minimización de la radicación de fondo térmico que llegue al detector, en particular en la banda K, requiere el enfriamiento de todo el camino óptico y del bloqueo de todo objeto caliente externo al campo de interés. Las prestaciones del instrumento, como son la escala de placa, el campo de visión, la calidad de imagen y la distorsión en todo el campo, medidos en ambos telescopios, confirman que PANIC cumple los requerimientos exigidos/perseguidos por lo que cabe esperar que las observaciones que se realicen con este instrumento puntero de la astronomía mundial, permita realizar estudios de primera calidad a la comunidad astronómica internacional.