Receptores

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Front End

El sistema de Front End de ALMA es el primer elemento en una cadena compleja de recepción, conversión, procesamiento y grabación de señales. Está diseñado para detectar señales astronómicas en diez bandas de frecuencia diferentes. Este sistema es muy superior a cualquier otro existente. De hecho, los productos derivados de los prototipos de ALMA están mejorando la sensibilidad de otros radiotelescopios en el mundo. Las unidades del Front End están compuestas de numerosos elementos, producidos en distintos lugares en Europa, América del Norte, Asia del Este y Chile.

Criostatos: El elemento individual más grande del sistema Front End es el criostato. Con su refrigerador criogénico de tres etapas (110 K = -173 ° C, 15 K = -258 ° C, 4 K = -269 ° C) mantiene los receptores a temperaturas extremadamente frías. El funcionamiento a una temperatura tan baja mejora en gran medida la sensibilidad de los receptores y permite el uso de materiales superconductores.

Cada criostato puede alojar hasta diez receptores, uno por cada banda de frecuencia de ALMA. Estos están montados en cartuchos modulares que se pueden instalar o reemplazar con relativa facilidad. Los receptores funcionan en el criostato a una temperatura extremadamente baja, hasta 4 Kelvin (o cuatro grados por encima del cero absoluto, equivalente a -269 ºC) para las bandas 3 a 10 y 15 K para las bandas 1 y 2.

Bandas de frecuencias de los receptores: El Front End de ALMA, con las 10 bandas del receptor integradas, es capaz de detectar señales de 8,6 mm a 0,32 mm de longitud de onda, equivalente a 35 GHz a 950 GHz de frecuencia. La siguiente tabla muestra las especificaciones de los receptores ALMA individuales para observaciones científicas  (disponible a partir del Ciclo 5, en producción o en desarrollo):

Banda Longitud de Onda
(mm)
Frecuencia
(GHz)
1 8,57 – 6,00 035 – 050
2 4,48 – 3,33 065 – 090
3 3,57 – 2,59 084 – 116
4 2,40 – 1,84 125 – 163
5 1,84 – 1,42 163 – 211
6 1,42 – 1,09  211 – 275
7 1,09 – 0,80  275 – 373
8 0,78 – 0,60  385 – 500
9 0,50 – 0,42  602 – 720
10 0,38 – 0,32  787 – 950

Durante Ciclo O y Ciclo 1 la operación científica solo fue posible en cuatro bandas: Banda 3, Banda 6, Banda 7 y Banda 9. Se agregaron tres bandas más durante el Ciclo 2 y el Ciclo 3: Banda 4, Banda 8 y Banda 10. La Banda 5 se añadió durante el Ciclo 4 y 5.  La Banda 1 está en producción y Banda 2 está en desarrollo, estas dos bandas se agregarán en los próximos años.

Las especificaciones técnicas de los diversos receptores son bastante exigentes y, en el momento de su definición, eran al nivel de vanguardia o incluso más allá. En algunos casos el rendimiento de estos receptores ha sido aún mejor que lo definido en las especificaciones.

Centros de integración del Front End: Para la construcción de ALMA se requirió del consenso de los socios en varias decisiones organizacionales y directivas. Se estudiaron extensamente varios escenarios diferentes para montar e integrar los componentes del Front End, revelando que la mejor solución era un “enfoque paralelo”, integrando un Front End en Europa, otro en Norteamérica y otro en Taiwán con procedimientos idénticos. Este escenario fue preferido por consideraciones de logística, organización y programa.

El Centro de Integración del Front End (FEIC) europeo estaba ubicado en Reino Unido, en el Rutherford Appleton Laboratory, el norteamericano en el National Radio Astronomy Observatorio (NRAO) de Estados Unidos, y el asiático en la Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics de Taiwán, todos ellos utilizados para realizar la integración de los ensamblajes del Front End en operación en las antenas de ALMA.

Radiómetros de vapor de agua (WVRs, por su sigla en inglés): Las observaciones astronómicas desde la Tierra en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas se ven fuertemente afectadas por la atmósfera terrestre, en particular por la presencia de vapor de agua en el aire. Los efectos son:

  • Opacidad: hace que la atmósfera sea menos transparente. Usamos el WVR para medir la opacidad atmosférica.
  • Ruido de fase: afecta la coherencia entre señales de diferentes antenas, con pérdida de sensibilidad, limitando la línea base útil más larga y a la frecuencia útil más alta. Esto plantea una limitación a la resolución angular que se puede lograr con una configuración determinada.

Para poder hacer interferometría, necesitamos que el WVR corrija la fase de las señales de cada antena, en función del contenido de vapor de agua local, casi en tiempo real. Los WVRs en funcionamiento en ALMA fueron entregados por Europa, diseñados y construidos por la empresa sueca Omnisys Instruments.

Back End

Los sistemas del Back End de ALMA convierten las señales análogas recibidas por las unidades del Front End instaladas en cada antena a señales digitales, enviando estas últimas al Correlacionador instalado en el Edificio Técnico del Sitio de Operaciones del Conjunto (AOS). El procesamiento de señales y la transferencia de datos se muestran en este esquema.

Diagrama esquemático del Procesamiento de Señales y Transferencia de Datos de ALMA desde el Front End al Correlacionador.

Los datos analógicos, producidos por la electrónica del Front End, se procesan y digitalizan antes de entrar en el codificador de datos, seguido por las unidades transmisoras por fibra óptica y los multiplexores. Todos estos elementos están instalados en las cabinas del receptor de cada antena. Las señales ópticas entonces son transmitidas por fibra al Edificio Técnico del AOS donde son demultiplexadas y deformateadas antes de entrar en el Correlacionador.

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