Development of cryogenic components based on COTS parts for the HARMONI instrument.Development of cryogenic components based on COTS parts for the HARMONI instrument.
Cómo usar componentes comerciales de bajo coste para construir mecanismos de precisión criogénicos destinados al mayor telescopio óptico del mundo. Publicado en Proc. SPIE Vol. 9908.
How to use low-cost commercial components to build precision cryogenic mechanisms for the world's largest optical telescope. Published in Proc. SPIE Vol. 9908.
CE
Cristian Estévez et al.IAC · Universidad de La Laguna · SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation 2016IAC · Universidad de La Laguna · SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation 2016
Prototipo del Cryogenic Pupil Mask Rotator ensamblado. Motor de eje hueco (Applimotion UTS-89), encoder capacitivo Netzer DS-90 y sensores Hall. IAC, 2016.
J.V. Gigante · E. Hernández · L.F. Rodriguez-Ramos · C. Estévez · A.F. Moreno · B. García-Lorenzo · J.M. Herreros · E. Mediavilla · I. Bryson · F. Clarke · N. Thatte
Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) · Universidad de La Laguna · UKATC · University of Oxford
HARMONI es el espectrógrafo de campo integral de primera luz del E-ELT, el mayor telescopio óptico e infrarrojo cercano del mundo, con un espejo primario de 39 metros. El IAC es responsable de varios paquetes de trabajo, entre ellos la Pre-Óptica del instrumento y la Electrónica de Control. Este artículo documenta el diseño y prototipado de dos componentes criogénicos críticos de ese sistema.
El punto de partida es una restricción de proyecto: usar componentes COTS (Commercial-Off-The-Shelf) en lugar de piezas diseñadas a medida. El mercado de componentes criogénicos es pequeño y caro; los componentes industriales estándar reducen coste y plazo. El reto es que adaptarlos a entornos de criovacío —temperaturas inferiores a 80 K, presiones de 10⁻⁵ a 10⁻⁷ mbar— es técnica y experimentalmente difícil.
Pupil Mask Rotator
Los brazos estructurales que sostienen el espejo secundario del E-ELT emiten radiación infrarroja que contamina las observaciones. El Pupil Mask Rotator es un mecanismo giratorio que mantiene una máscara térmica alineada con esos brazos en todo momento, siguiendo la rotación de campo del telescopio.
El movimiento requerido es extremadamente lento —típicamente 15 arcsec/s— con un perfil complejo que depende de la declinación del objeto observado y se acelera cerca del Cénit. La solución fue un motor de eje hueco directo (Applimotion UTS-89-A-25-A, con imanes SmCo más estables a baja temperatura que el neodimio) combinado con un encoder capacitivo absoluto de 19 bits (Netzer DS-90, resolución ±36 arcsec).
El encoder sobrevivió a ciclos térmicos hasta 22 K y pudo arrancar en frío sin alimentación previa. La deriva térmica entre 300 K y 25 K fue de solo 13 cuentas.
La caracterización del encoder en criogenia requirió soluciones creativas: el encoder de referencia Heidenhain RCN-5380 no opera a baja temperatura, por lo que se desarrolló un sistema alternativo de medición angular sin contacto basado en visión artificial. Una cámara criogénica desarrollada en el IAC fotografía dos marcas circulares de diferente diámetro adheridas al eje; mediante cálculo de centroides en Python + TwinCAT sobre un PLC Beckhoff, se obtiene el ángulo con un error inferior a 50 arcsec.
El sistema de control cierra el lazo de posición con un error inferior a 100 arcsec —mejor que el objetivo de ±100 arcsec— usando un driver lineal de corriente (no PWM) diseñado específicamente para minimizar ruido electromagnético en el instrumento.
Cryogenic Fast Shutter
El obturador criogénico controla el tiempo de exposición del detector. La especificación exige recorrer 30 mm en menos de 20 ms. Tras evaluar solenoides, obturadores rotativos y voice coils, se seleccionó el mecanismo de brazo actuador de un disco duro comercial (Seagate ST340014A): extremadamente barato, muy optimizado por la industria informática y, en su modelo metálico, con excelente disipación térmica.
La campaña de ensayos criogénicos reveló un fallo crítico en los modelos de estructura plástica: el vacío impide la disipación de calor de la bobina y el hilo acaba fundiéndose. La solución fue restringirse a modelos de estructura metálica e incorporar protección por sobretemperatura derivada de la medición indirecta de la resistencia de la bobina.
18 ciclos de inmersión en nitrógeno líquido. Ningún daño en la bobina ni en el flex-print. El voice coil metálico operó durante horas sin incidencias.
Las pruebas de velocidad a temperatura ambiente, registradas a 1 200 fps y analizadas en Matlab, mostraron que el rebote en los topes mecánicos alarga el tiempo de maniobra por encima de los 20 ms requeridos. La solución identificada: control en lazo cerrado de corriente para amortiguar el movimiento antes del impacto.
Conclusiones
El artículo demuestra que componentes COTS industriales pueden adaptarse con éxito a entornos de criovacío, aunque la caracterización experimental es imprescindible en cada caso. Para el Pupil Mask Rotator, los algoritmos de control quedaron completamente definidos y validados; para el Fast Shutter, la supervivencia criogénica quedó probada y el siguiente paso era el control en lazo cerrado.
Ambos desarrollos contribuyen directamente a reducir el coste y el plazo de fabricación de HARMONI, uno de los tres instrumentos de primera luz del E-ELT, que comenzará sus observaciones científicas a mediados de la década de 2020.
Fin de la publicación
Assembled Cryogenic Pupil Mask Rotator prototype. Hollow-shaft motor (Applimotion UTS-89), Netzer DS-90 capacitive encoder and Hall sensors. IAC, 2016.
J.V. Gigante · E. Hernández · L.F. Rodriguez-Ramos · C. Estévez · A.F. Moreno · B. García-Lorenzo · J.M. Herreros · E. Mediavilla · I. Bryson · F. Clarke · N. Thatte
Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) · Universidad de La Laguna · UKATC · University of Oxford
HARMONI is the first-light integral field spectrograph of the E-ELT, the world's largest optical and near-infrared telescope with a 39-metre primary mirror. The IAC is responsible for several work packages, including the Pre-Optics subsystem and control electronics. This paper documents the design and prototyping of two critical cryogenic mechanisms for that system.
The starting constraint is a project requirement: use COTS (Commercial-Off-The-Shelf) components rather than bespoke parts. The market for cryogenic components is small and expensive; standard industrial components reduce cost and schedule. The challenge is that adapting them to cryo-vacuum environments — temperatures below 80 K, pressures of 10⁻⁵ to 10⁻⁷ mbar — is technically and experimentally demanding.
Pupil Mask Rotator
The E-ELT's secondary mirror support spiders emit infrared radiation that contaminates observations. The Pupil Mask Rotator is a rotary mechanism that keeps a thermal mask aligned with those spiders at all times, tracking the telescope's field rotation.
The required motion is extremely slow — typically 15 arcsec/s — with a complex profile that depends on the declination of the observed object and accelerates near zenith. The solution was a direct-drive hollow-shaft motor (Applimotion UTS-89-A-25-A, with SmCo magnets more thermally stable than neodymium at low temperatures) combined with a 19-bit absolute capacitive encoder (Netzer DS-90, ±36 arcsec resolution).
The encoder survived thermal cycling down to 22 K and cold-started from that temperature without prior power. Thermal drift between 300 K and 25 K was only 13 counts.
Cryogenic encoder characterisation required creative solutions: the Heidenhain RCN-5380 reference encoder does not operate at low temperature, so an alternative contactless angular measurement system was developed using machine vision. An IAC-built cryogenic camera photographs two circular marks of different diameters on the shaft; centroid computation in Python + TwinCAT on a Beckhoff PLC yields the angle to better than 50 arcsec accuracy.
The position control loop achieves errors below 100 arcsec — better than the ±100 arcsec specification — using a linear current driver (not PWM) designed specifically to minimise electromagnetic noise inside the optical instrument.
Cryogenic Fast Shutter
The cryogenic shutter controls the detector exposure time. The specification requires 30 mm of travel in under 20 ms. After evaluating solenoids, rotary shutters and voice coils, a commercial hard drive actuator arm (Seagate ST340014A) was selected: extremely cheap, highly optimised by the computer industry, and — in its metal-coil version — with excellent thermal dissipation.
The cryogenic test campaign revealed a critical failure in plastic-structure models: vacuum prevents coil heat dissipation and the wire melts. The solution was to restrict use to metal-structure models and add over-temperature protection derived from indirect coil resistance measurement.
18 liquid nitrogen immersion cycles. No damage to coil or flex-print. The metal voice coil operated for hours without incident.
Room-temperature speed tests recorded at 1,200 fps and analysed in Matlab showed that bounce at the mechanical stops extends travel time beyond the required 20 ms. The identified solution: closed-loop current control to damp the motion before impact.
Conclusions
The paper demonstrates that industrial COTS components can be successfully adapted to cryo-vacuum environments, although experimental characterisation is essential in each case. For the Pupil Mask Rotator, the control algorithms were fully defined and validated; for the Fast Shutter, cryogenic survival was proven and the next step was closed-loop control.
Both developments directly contribute to reducing the cost and manufacturing schedule of HARMONI, one of three first-light instruments for the E-ELT, which will begin scientific observations in the mid-2020s.
