Anno Accademico 2009/10 Laurea Magistrale in Astrofisica e Scienze dello Spazio Corso di Tecnologie Astronomiche

Anno Accademico 2009/10

Laurea Magistrale in Astrofisica e Scienze dello Spazio Corso di Tecnologie Astronomiche

Tecnologie Astronomiche è uno dei corsi caratterizzanti del Corso di Laurea magistrale in Astrofisica e Scienze dello Spazio, della Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali dell'Università degli Studi Federico II di Napoli. Il corso, attivo dal 2007, intende fornire una conoscenza a largo spettro delle problematiche legate alla progettazione, realizzazione e integrazione in sito di telescopi e strumenti di piano focale, partendo dalle specifiche scientifico- osservative, fino alla verifica qualitativa mediante tecniche base di riduzione dei dati. Particolari approfondimenti sono dedicati alla modellazione dei sistemi ottici ed ai sistemi di controllo per ottimizzarne la qualità ottica finale dello strumento osservativo completo, in tutte le sue parti, meccaniche, ottiche, elettroniche e software.

Il corso prevede una prova scritta ed una orale.

Docente: Massimo Brescia

INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte

Centro di calcolo SCoPE, Complesso di Monte S'Angelo

orari ricevimento (su appuntamento, previa richiesta via e-mail/telefono) Tel. : 081.5575.553

E-mail: brescia@na.astro.it

Sito WEB del corso: http://www.na.astro.it/~brescia/corso_TA/corso_TA_page.html

(sul sito si possono reperire tutte le informazioni sulle lezioni, le slides del corso, ed il materiale bibliografico a supporto dei vari argomenti trattati).

Programma dettagliato del corso:

1. caratterizzazione fenomenologica ed analitica dell'atmosfera e del sito per osservazioni da terra:

a) rifrazione;

b) inquinamento luminoso;

c) dispersione atmosferica, modellazione e strumenti di correzione;

d) scintillazione, emissione ed estinzione;

e) turbolenza e teoria del seeing, analisi, modellazione, calcolo e strumenti di correzione;

2. Fotometria e Spettroscopia: strumentazione di piano focale e osservazioni:

a) fotometria: magnitudine, isofote, profilo di luminosità, funzione di luminosità, colore- magnitudine;

b) spettroscopia:strumenti, caratterizzazione degli spettri, redshift, curva di rotazione;

c) osservazioni: significato e tipologie, rapporto S/N, strumenti di ultima generazione (EELT);

d) riduzione ed analisi dati: pre-riduzione, calibrazione, astrometria, interferometria;

3. sistemi ottici e configurazioni ottico-meccaniche per l'astronomia:

a) l'energia fotonica, diffrazione, sistema ottico, aberrazioni ottiche e classificazione analitica del fronte d'onda;

b) configurazioni ottiche e montature, caratterizzazione telescopi, progettazione e modellazione di sistemi ottici;

c) teoria di Seidel, Zernike e modi elastici;

d) ray tracing: teoria, figure di merito (PSF, Spot Diagram, Encircled Energy, Modulation Transfer Function), Uso pratico di programmi per modellazione guidata di una lente generica e di un telescopio in configurazione Cassegrain;

4. ottica attiva e adattiva:

a) ottica attiva: principi, architetture ottiche e sistemi di misura e controllo;

b) ottica adattiva: principi, confronto con ottica attiva, sistemi di misura e di controllo;

c) Sensori di fronte d'onda: teoria, maschera di Hartmann, Shack-Hartmann, sensori a piramide, sensore di curvatura, laser guide star;

d) tecnologia e strumenti per l'analisi del fronte d'onda (off-axis, vignetting, on-axis);

e) sistemi di ottica attiva e soluzioni tecnologiche per varie tipologie di specchi primari;

f) sistemi di ottica attiva/adattiva per specchi secondari: hexapod e teoria cinematica delle piattaforme di Stewart (esempio pratico di modellazione di un hexapod e uso combinato con ray tracing per le correzioni del fronte d'onda aberrato), chopping;

5. rivelatori per l'astronomia:

a) evoluzione tecnologica dalla lastra fotografica fino al mosaico di CCD;

b) caratteristiche dei rivelatori, processo stocastico, fonti di noise (readout noise, dark current e agitazione termica), analisi rapporto S/N;

c) scelta del rivelatore in base a risoluzione angolare, seeing e Field of View;

d) fondamenti di un CCD, generazione e raccolta di carica, parametri geometrici, efficienza quantica, ottimizzazione per le varie bande spettrali, dinamica, uniformità;

e) elettronica di controllo e tecniche di lettura (drift & scan, binning);

f) rivelatori per l'infrarosso;

g) rivelatori per l'X;

h) mosaic CCD;

i) fotomoltiplicatori: teoria e modellazione (esempio pratico di progettazione di un modello in ambiente Matlab+simulink);

j) rivelatori quantistici (Superconductive Tunnel-effect Junction);

6. progettazione meccanica e manutenzione di grandi telescopi:

a) dal disegno meccanico all'analisi FEA, analisi e prevenzione degli effetti tellurici, analisi di vibrazioni e autofrequenze;

b) supporti per le ottiche primarie, sistemi di sicurezza;

c) manipolazione, washing e coating delle ottiche primarie di un telescopio;

d) montaggi meccanici, strumenti e sistemi di verifica tolleranze, allineamenti ottico- meccanici, sistemi di climatizzazione e raffreddamento, sistemi hardware di sicurezza;

7. Tecnologie per telescopi specializzati:

a) telescopi cherenkov;

b) telescopi sottomarini per neutrini;

8. sistemi di controllo della movimentazione di grandi telescopi:

a) sistemi di idrostatica per gli assi principali, teoria, progettazione, installazione e verifica;

b) controllo rotazione combinata edificio-telescopio;

c) controllo di guida, autoguida e derotazione di campo;

d) controllo assi principali, pointing, tracking, sistemi in retroazione e teoria dei servo- meccanismi, funzioni di trasferimento, filtri PID, filtri adattivi, banda passante di un sistema di controllo, esempi pratici di modellazione in ambiente Matlab+Simulink;

e) sistemi di trasduzione della posizione e velocità degli assi di un telescopio;

f) tipologie e scelta degli azionamenti elettro-meccanici, principio fisico e caratterizzazione di motori elettrici, rapporti di riduzione;

g) teoria e modellazione del precarico di coppia per configurazioni multi-motore sul singolo asse di un telescopio;

h) Error budget di un telescopio, analisi e fonti di errore, funzioni di merito per la valutazione analitica delle prestazioni complessive di un telescopio;

9. Tecniche di data mining e data analysis:

a) concetti base di data analysis, Knowledge Discovery in Databases, data mining, data exploration;

b) concetti di clustering, regression, dimension reduction, classification dei dati;

c) modelli, algoritmi e metodi auto-adattivi per l'esplorazione dei dati astrofisici (reti neurali, algoritmi genetici, metodi statistici);

d) esempi di implementazione di modelli di data mining e data analysis;

Durante le varie fasi del corso si prevede anche l'acquisizione di nozioni teorico-pratiche relative ai seguenti strumenti software:

• Matlab+Simulink per la simulazione e modellazione

• Zemax per ray tracing

• C++ (Netbeans)

• IRAF per riduzione dati

Il docente Massimo Brescia