detector$and$controller$requirements$for$$ …€¦ ·  · 2016-01-15•...

18
GMT Detector and Controller Requirements for GMT Science Instruments Materials provided by: Sagi BenAmi (SAO/Harvard – GCLEF) Luke Schmidt (Texas A&M – GMACS) Rob Sharp (Australia Natl Univ – GMTIFS) Dan Jaffe (Univ Texas – GMTNIRS) 10/22/15 1 ELT Detector Workshop Pasadena Wavefront Sensor Requirements Presented by Antonin Bouchez

Upload: nguyendiep

Post on 28-May-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

GMT  

Detector  and  Controller  Requirements  for    GMT  Science  Instruments  

Materials  provided  by:  Sagi  Ben-­‐Ami  (SAO/Harvard  –  G-­‐CLEF)  Luke  Schmidt  (Texas  A&M  –  GMACS)  Rob  Sharp  (Australia  Natl  Univ  –  GMTIFS)  Dan  Jaffe  (Univ  Texas  –  GMTNIRS)  

 

10/22/15   1  ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

Wavefront  Sensor  Requirements  Presented  by  Antonin  Bouchez  

GMT  

•  GMT  Overview  (Las  Campanas,  Chile)  –  24.5m  diameter  –  7  primary  mirrors  (8.4m)  –  20  arcmin  Field  of  view  –  Start  of  science  2022  (4-­‐5  primary  segments)    

•  Ini`al  Instrument  Suite  (in  delivery  order)  –  G-­‐CLEF:  high  resolu`on  op`cal  spectrograph  (Entering  final  design)  –  GMACS:  medium  resolu`on  mul`-­‐object  spectrograph  (Star`ng  

conceptual  re-­‐design  acer  de-­‐scope)  –  GMTIFS:  medium  resolu`on,  diffrac`on-­‐limited  ZJHK  IFS  /  Imager  (in  

preliminary  design)  –  GMTNIRS:  high  resolu`on  simultaneous  JHKLM  AO-­‐fed  spectrograph  

(prototyping  key  technologies)  

10/22/15   2  

GMT  Instrument  Program  Overview  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

GMT  

•  Asymmetric  white  pupil  design  (like  HARPS,  ESPRESSO)  •  Two  channels  (red/blue)  –  CCDs  coa`ngs  selected  (one  CCD  each)  •  Cross  dispersion  with  volume  phase  holographic  (VPH)  gra`ngs.  •  Three  observing  modes  with  resolu`ons  of  20,000  –  100,000:  

-  Ultra-­‐stable  precision  radial  velocity  –  10  cm/s  (high  full  well,  low  residual  image)  -  High  throughput  for  faint  objects  (low  read  noise,  high  QE  esp  blue/red  ends)  -  Mul`object  spectroscopy  (minimal  pixel/channel  cross-­‐talk)  

10/22/15   3  

G-­‐CLEF  Op`cal  High  Resolu`on  Spectrograph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Andrew  Szentgyorgyi  (SAO/Harvard  University)  Local  Reps:  Sagi  Ben-­‐Ami,  Brian  McLeod  

GMT  

•  Array  size:  approx  9K  x  9K,  10  μm  pixels  •  Read  Noise  /  readout  speed:    

-  RO  noise  <  2.5e  (goal  of  2.0e)  at  50  kHz  to  achieve  required  S/N.  -  Full  array  must  be  able  to  read  out  in  15  sec  (higher  RN  is  ok)  

•  Full  well  /  linearity:  110,000  e-­‐    •  Dark  current:  <3  e-­‐/hr/pix  •  QE:  See  table  

10/22/15   4  

G-­‐CLEF  Op`cal  High  Resolu`on  Spectrograph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Andrew  Szentgyorgyi  (SAO/Harvard  University)  Local  Reps:  Sagi  Ben-­‐Ami,  Brian  McLeod  

GMT  

•  MTF:  measured  at  frequencies  up  to  ~70  lp/mm    •  Residual  imaging:  none,  up  to  full  well  •  Binning:  >2x2  without  full-­‐well  loss  or  added  read  noise  •  Thermal  stability:  <5  mK/hr  

-  Packaging:  physical  size  change  <  20  Å/pix  (0.02%)  -  Implies  SiC,  CE6,  Invar  op`ons  

10/22/15   5  

G-­‐CLEF  Op`cal  High  Resolu`on  Spectrograph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Andrew  Szentgyorgyi  (SAO/Harvard  University)  Local  Reps:  Sagi  Ben-­‐Ami,  Brian  McLeod  

GMT  

10/22/15   6  

GMACS  Op`cal  Mul`-­‐Object  Spectrogtaph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Darren  DePoy,  Jennifer  Marshall  (Texas  A&M  University)  Local  Reps:  Luke  Schmidt  

•  Slitlet  mask  MOS:  approx  4’  x  8’  FoV  (large  pixel  array)  •  Simultaneous  wavelength  coverage:  

-  Required:  370-­‐950  nm  -  Goal:  340-­‐1050  nm  

•  Dual  channel:  red  /  blue  (dual  focal  plane  arrays)  •  Direct  feed  through  mul`-­‐slit  mask  (~24  mask  capacity)  •  Secondary  feed  via  facility  fiber  feed  (20’  FoV)      

 

GMT  

10/22/15   7  

GMACS  Op`cal  Mul`-­‐Object  Spectrogtaph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

•  Wavelength  coverage:  wider  than  370-­‐950  nm,  with  goal  of  340-­‐1050  nm  •  QE  goals:  

-  >  80-­‐85%  (370-­‐950)  -  >  25-­‐30%  at  340,  1050  nm  

•  CCDs  coaFngs:  Selected  for  each  channel  (red/blue)  •  Array  Size:  8K  x  12K,    15  μm  pixels  (2  x  3  of  4Ks;  or  2  x  2  of  6Ks  if  cheaper,  

though  excess  area)  •  Read  noise  <  2  e-­‐  •  Flatness  berer  than  30  μm  per  CCD  and  mosaic  array  •  Full  array  readout  <  60  sec  (goal  <  20  sec)  

Auxiliary  cameras  •  Flexure  control  sensors:  4  CCDs  of  1K  x  1K,    15  μm  pixels  •  Acquisi`on  sensors:  4  CCDs  of  1K  x  1K,    15  μm  pixels  

 

PI:  Darren  DePoy,  Jennifer  Marshall  (Texas  A&M  University)  Local  Reps:  Luke  Schmidt  

GMT  

•  Instrument  AO  modes:  NGS,  LTAO  and  GLAO  (small  pixels,  low  read  noise)  •  Imager  FoV  –  22  x  22  arcsecond  (pixel  scale  5  mas  for  4K  x  4K;  mosaic  OK)  •  Integral  Field  Spectrograph  (Single  4K  x  4K  array)  

-  Aspect  ra`o  2:1  for  improved  sky  subtrac`on  -  FoV:  4  x  2  arcseconds  with  50  mas  spaxels  -  Spaxel  scales:  50,  25,  12,  6  mas  -  Spectral  resolu`on:  R  ~  5,000  and  ~  10,000  -  Wavelength  range:  0.9  -­‐  2.4  μm  

10/22/15   8  

GMTIFS  Near-­‐IR  Integral  Field  Spectrograph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Rob  Sharp  (Australia  Na`onal  University)  Local  Reps:  Rob  Sharp,  Annino  Vaccarella  

GMT  

•  Imager:  Background  limited  AO  modes  -­‐-­‐  NGS,  LTAO  and  GLAO  •  Integral  Field  Spectrograph  

-  Typically  read-­‐noise  limited  (esp  at  fine  spaxel  scale,  high  res,  blue)  -  Fixed  spectral  format  (large  array  rather  than  mosaic)  -  Fast  Cameras  (~15  μm  pixels  or  larger)  

•  On-­‐Instrument  wavefront  sensors  (2-­‐3  detectors)  -  High  frame  rate  (or  windowing)  ~  500-­‐1000  Hz  -  Low  noise  (<  1  e-­‐)  -  256  x  256  pixels  or  larger  

10/22/15   9  

GMTIFS  Near-­‐IR  Integral  Field  Spectrogtaph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Rob  Sharp  (Australia  Na`onal  University)  Local  Reps:  Rob  Sharp,  Annino  Vaccarella  

GMT  

10  

    Cri`cal       High  priority       Neutral       Limited  impact  

Detector  property  Priority  Chart  for  Imager,  Spectrograph,  and  Wavefront  Sensors  Detector  property   Imager   IFS   WFS(s)  

Quantum  Efficiency              

CDS  read-­‐noise              

FS  noise  reducFon              

Dark  current              

Dynamic  range              

Windowing              

Cosmic  ray  sensi`vity              

Frame  rate              

On-­‐detector  guide  windows              

Bias  stability              

Persistence              

Pixel  size  (15  µm)              

Array  size,  4kx4k              

Array  size,  4x  2kx2k          

Bad  pixel  frac`on              

Bad  region  size              

Linearity              

Cross-­‐talk/ghos`ng              

GMTIFS  Near-­‐IR  Integral  Field  Spectrogtaph  

GMT  

Controller  electronics    •  Common  system  desired  for  Imager,  IFS,  wavefront  sensors  •  Cryogenic  environment  (cold  preamps  for  long  signal  lines)  •  Fast  readout  (many  channels  for  simulataneous  readout)  

-  Imager:  high  contrast  imaging  -  IFS:  many  Fowler  samples  -  Wavefront  sensors:  `p/`lt  correc`ons  

•  Windowing  for  fast  subregion  sensing  (e.g.,  quad-­‐cell  sensing,  guiding)  

10/22/15   11  

GMTIFS  Near-­‐IR  Integral  Field  Spectrogtaph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Rob  Sharp  (Australia  Na`onal  University)  Local  Reps:  Rob  Sharp,  Annino  Vaccarella  

GMT  

10/22/15   12  

GMTNIRS  JHKLM  High  Resolu`on  Spectrogtaph  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

PI:  Dan  Jaffe  (University  of  Texas)  Local  Reps:  Dan  Jaffe,  Phillip  MacQueen  

•  Simultaneous  JHKLM  high  resolu`on  spectra  (low  noise,  high  QE)  -  1.1  -­‐  2.5  μm  at  R=50,000  -  3  -­‐  5.5  μm  at  R=100,000  

•  Near  diffrac`on-­‐limited:  65  mas  slit  •  103  to  104  gain  over  exis`ng  spectrographs  

-  Bigger  telescope  -  Berer  detectors  -  Silicon  immersion  gra`ngs  

•  Fixed  format  (single  arrays)  -  Single  2K  x  2K  for  each  of  JHK  (3  total)  -  Single  4K  x  4K  for  each  of  LM  (2  total)  

•  Auxiliary  sensors:  slit  viewer  (2-­‐5  μm  &  wavefront  sensor  1.6  μm)  -  1K  x  1K  and  256  x  256  

GMT  

13  

    Cri`cal       High  priority       Neutral       Limited  impact  

Detector  Property     JHK   LM   Slit  Viewer   WFS  

Quantum  Efficiency                  

CDS  Read  noise                  

FS  noise  reducFon                  

Dark  Current                  

Dynamic  Range                  

Windowing                  

Cosmic  Ray  SensiFvity                  

Frame  Rate                  

On-­‐detector  guide  windows                  

Bias  Stability                  

Persistence                  

Pixel  Size  (15  µm)                  

Array  Size  4kx4k                  

Bad  Pixel  Frac`on                  

Bad  Region  Size                  

Linearity                  

Cross-­‐Talk/ghos`ng                  

Detector  property  Priority  Chart  for  Imager,  Spectrograph,  and  Wavefront  Sensors  

GMTNIRS  JHKLM  High  Resolu`on  Spectrogtaph  

GMT  

10/23/15   14  

GMT  Science  Detector  Summary  -­‐  Op`cal  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

Number   Format   Pixel  Size  μm  

Minimum  QE   RN,  e-­‐  

Need  By,  yrs  

Comment  

     2*   9-­‐10K   9-­‐10   55%  @  340   2.5   Q4  2017   Blue  op`mized  

1   9-­‐10K   9-­‐10   34%  @  950   2.5   Q4  2017   Red  op`mized  

     7*   4K  x  4K   15   25%  @  340   2   Q2  2018   Or  5  x  6K,  Blue  op`mized  

     7*   4K  x  4K   15   25%  @  1050   2   Q2  2018   Or,  5  x  6K,  Red  op`mized  

     8**   1K  x  1K   15   75%  (400-­‐800)   3   Q4  2018   Acq  &  Flexure  Control  

   *  Includes  spares  (1)  **  Includes  spares  (2)    First  4  instruments  only  

GMT  

10/23/15   15  

GMT  Science  Detector  Summary  -­‐  IR  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

Number   Format   Pixel  Size  μm  

Minimum  QE   RN*,  e-­‐  

Need  By,  yrs  

Comment  

6**   4K  x  4K   15   High  as  Possible  

<3.5,  5  

2019   Cutoffs  at  2.5  μm  (2)  and    5.5  μm  (2)  

     4***   2K  x  2K   18   High  as  Possible  

<3.5   2019   Cutoff  at  2.5  μm    

1   1K  x  1K   ~15   High  as  Possible  

5   2019   Acquisi`on  camera  

       *  Read  noise  floor  acer  mul`-­‐sampling  techniques      **  Includes  spares  (2)  ***  Includes  spares  (1)    First  4  instruments  only  

GMT  

10/22/15   16  

GMT  Wavefront  Sensor  Detector  Summary  

ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena  

Number   Min.  Format  

Pixel  μm   QE   Readout  

rate  Read  Noise  

Needed  by   Comment  

10   240x240   ≥  16  ≥  80%  650-­‐800  nm  

≥1000  Hz   ≤  0.5  e-­‐   Q3  2017   CCD-­‐220  ok,    ≥360x360  ideal  

14   780x780   ≥  24   ≥  90%  589  nm   ≥  700  Hz   ≤  3.0  e-­‐   Q2  2018   E2V  NGSD  ✔  

Number   Min.  Format  

Pixel  μm   QE   Readout  

rate  Read  Noise  

Needed  by   Comment  

11   256x256   ≥  16   ≥  80%  1.1-­‐2.3  µm   ≥  1000  Hz   ≤  2.0  e-­‐   Q3  2017   Selex  Saphira  ✔  

Visible  Arrays  

Infrared  Arrays  

Numbers  include  spares  

GMT  

•  Noise  floor  (acer  many  samples)  •  QE  •  Readout  rate  •  Persistence  (in  astronomical  context)  •  Dynamic  range  •  Bad  regions  (clumpy  vs  distributed)  •  Pixel  size  (bigger  is  berer,  usually)  •  Pricing  (lower  is  berer,  always)  –  enables  more  instruments  

across  more  astronomical  facili`es  

10/23/15   ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena   17  

Other  Driving  parameters  for  IR  Science  Sensors  

GMT  

•  Must  be  capable  of  delivering  the  detector  requirements.  

•  General  Criteria  –  Available  without  development  (e.g.  commercial  product)  –  Low  heat  dissipa`on  –  Configurable  for  all/most  instruments  –  Source  code  available  –  Modern  design  (component  availability)  –  Compact  

10/22/15   ELT  Detector  Workshop  -­‐  Pasadena   18  

Controllers