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Prototype SSTGATE et projet de pe1ts télescopes pour CTA Hélène Sol, Delphine Dumas, Philippe Laporte, JeanLaurent Dournaux, JeanMichel Huet, JeanPhilippe Amans, Gilles Fasola, Fa1ma de Frondat, Cameron Rulten, Frédéric Sayède, Andreas Zech, Observatoire de Paris, CNRS, Université Paris VII. LUTH et GEPI et collaborateurs de l’équipe SSTGATE, Simon Blake, Jürgen Schmoll University of Durham et collaborateurs de l’équipe CHEC Atelier « Astrophysique des Très Hautes Energies et Perspec:ves pour CTA, Paris, 30 juin – 1 er juillet 2014

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Prototype  SST-­‐GATE  et  projet    de  pe1ts  télescopes  pour  CTA  

Hélène  Sol,  Delphine  Dumas,  Philippe  Laporte,  Jean-­‐Laurent  Dournaux,  Jean-­‐Michel  Huet,    Jean-­‐Philippe  Amans,  Gilles  Fasola,  Fa1ma  de  Frondat,  Cameron  Rulten,  Frédéric  Sayède,  Andreas  Zech,    Observatoire  de  Paris,  CNRS,  Université  Paris  VII.  LUTH  et  GEPI  et  collaborateurs  de  l’équipe  SST-­‐GATE,      

Simon  Blake,  Jürgen  Schmoll  University  of  Durham  et  collaborateurs  de  l’équipe  CHEC  

 

Atelier  «  Astrophysique  des  Très  Hautes  Energies  et  Perspec:ves  pour  CTA,  Paris,  30  juin  –  1er  juillet  2014  

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Domaines  de  recherche  

•  Astrophysique  des  très  hautes  énergies  :  étude  de  l’univers  tumultueux,  variable,  énergé1que,  non-­‐thermique  -­‐  dont  accélérateurs  cosmiques,  objets  compacts,  environnement  des  trous  noirs,  tests  de  physique  fondamentale  …  

•  SST-­‐GATE  =  un  «  Small  Size  Telescope  »,  adapté  à  l’explora1on  des  énergies  les  plus  extrêmes,  au-­‐delà  de  quelques  TeV  jusqu’au-­‐delà  de  100  TeV,  domaine  quasi  inexploré  à  ce  jour  et  poten1ellement  porteur  de  découvertes.    

•  Cibles  principales  des  SST  :  Sources  galac1ques,  non  affectées  par  l’EBL,  et  sources  extragalac1ques  proches  ou  très  brillantes  

•  Analyse  et  nature  des  coupures  aux  très  hautes  énergies,  recherche  de  nouvelles  composantes  spectrales  (hadroniques  …),  maximum  d’accéléra1on,  par1cules  primaires  (de  référence  avant  effet  de  cascades),  élargissement  du  domaine  spectral  

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Le  télescope  SST-­‐GATE    sur  le  site  de  Meudon      

Camera

Mirror M1

Azimuth Structure

Mast and Truss Structure MTS

Mirror M2

Dish M1

Elevation Structure

Tower

Counterweight

Fork

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Structure  op1que  

•  Dual mirror optical design •  Focal surface in between M1 and M2 •  Very good PSF on axis

Mirror M2

Mirror M1

Focal surface

3.56 m0.51 m

Optical design composed of two mirrors and a camera

Evolution of the PSF with the FoV

angular size of a 6 mm pixel

PSF (80% containment diameter) versus field angle from simulations with sim_telarray ("star" option). Cross-checks have been made with ZEMAX and ROBAST.

SST-GATE: simulations of the optical system (O.Hervet, A. Zech)

PSF (80% containment circle in red) from simulations with sim_telarray for a point source at 5 km.

on-axis 1 deg 2 deg

3 deg 4 deg

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Le  site  de  Meudon  

-­‐  Etude  géologique  (2011)  -­‐  Fonda1ons  -­‐  Dome  (shelter)  -­‐  Armoire  électrique  -­‐  Cablages  -­‐  Salle  de  contrôle  afribuée  par  l’Observatoire  de  Paris    dans  un  bâ1ment  proche  (2013)  -­‐  Nécessité  d’aménagements  de  l’environnement  immédiat  du  site  (demande  en  cours)  

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Counterweight Call of tender with MTS

Drive system (bottom dish, tubes, top dish)

Delivery expected at the end of July 2014 for mechanical parts Accessories delivered

Bosshead & Fork Delivered

Tower & Foundations Already installed

J.M.  Huet  

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Le  prototype  SST-­‐GATE:  en  cours  de  construc1on    

Miroir M2 Call of tender published week 26 of 2014 Industrialization & tools due at the end of July 2014.

Realization due for October 2014

CHEC Caméra fournie par l’équipe CHEC Interfaces (mechanics, electronics, power, cooling) studied

MTS (bottom dish, tubes, top dish)

Call of tender expected during July 2014 Need of adjustment after final FEA simulations

Miroir M1 Panels machined Delivery expected at the end of July after polishing and coating

Dish M1 Call of tender with MTS

Support M1 Structure studied, Actuators on progress Delivery expected for October

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8

Structure  mécanique  :    simula1ons  FEA,  analyse  aux  éléments  finis        •  FEA  Simula1ons  

–  The  latest  version  of  FE  model  is  based  on  the  version  of  the  mechanical  with  three  arms  to  support  CHEC  but  with  the  new  counterweight.  

–  Winch  for  camera  removal  system,  electronic  cabinet  and  the  camera  are  modeled  by  concentrated  masses.  

–  M1  is  considered  in  its  configura1on  CTA  (trapezoidal  panels),  this  assump1on  overes1mates  the  efforts  upwind  prototype  GATE.  The  panels  are  modeled  by  an  equivalent  2D  model.  

–  M2  is  modeled  by  a  3D  shell  model  –  This  model  is  available  in  different  versions  depending  on  the  eleva1on  angle.  

J.L.  Dournaux  

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July 2ndh GCT review - Heidelberg 9

 •  FEA  Simula1ons  

–  the  performance  of  the  telescope  parking  posi1on  are  evaluated  from  the  FE  model  at  0  °  with  addi1onal  condi1ons  limits  on  2  points  of  the  MTS  Top  Dish.  

–  Actual  condi1ons  fixing  the  telescope  by  16  bolts  M20  are  taken  into  account.  

–  The  model  for  the  crown  is  derived  from  a  lineariza1on  near  their  area  of  opera1on.  

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Le  miroir  primaire  M1  :    segmenté  en  6  panneaux  

Prototype  de  Meudon:  panneaux  réduits  

Télescopes  de  CTA:  panneaux  complets  

PSF:  Taille    inchangée  mais  ailes  sombres  Surface  effec1ve:  de  10  m2  à  6.8  m2   Impact  important  sur  le  coût  de  fabrica1on  d’un  pe1t  nombre  

de  panneaux  (taille  des  équipements  d’industrialisa1on).  Fabrica1on  en  3  étapes  :  usinage,  polissage,  coa1ng.    

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PSF  –  80%  containment  radius  :  la  réduc1on  des  panneaux  a  peu  d’effet  sur  la  PSF  moyenne  

FOV angle (degrees)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

PSF

(arc

min

)

0

1

2

3

4

5

6

7SST-GATE PSF - full mirror.

SST-GATE PSF - M1 petal width = 1600 mm.

SST-GATE PSF - M1 petal width = 1380 mm.

Simulated PSF of SST-GATE for different Primary mirrors

C.  Rulten  

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Panneau  de  M1:  concep1on  

Tests  sur  de  pe-ts  échan-llons:  Usinage  raidisseurs                                                  avant  polissage                                        après  polissage  

Simula1ons  FEA  pour  structure  arrière  

Structure  arrière  et  raidisseurs  

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Procédure  d’alignement  complexe  

•  Alignement  de  l’axe  op1que  avec  l’axe  mécanique  •  Alignement  du  M1,  panneau  par  panneau  •  Alignement  du  M2  (actuateurs)  •  Alignement  de  la  caméra  •  Nécessite  de  nombreux  éléments  d’équipement  (lasers,  lunefe,  caméra,  pièces  mécaniques  …)  

•  Banc  op1que  de  test  au  GEPI  (au  1/10)  

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Exemple  :  alignement  du  M1  

Simulation d’une image de taille de 1 pixel (ici 4 mm x 4 mm), avec des erreurs prises à l’intérieur des tolérances.

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Exemple  de  tolérances  sur    les  performances  op1ques  du  M1  

Tolérances  pour  un  M1  supposé  monolithique.  

Error   Surface   Tolerance  

Distance  devia-on  M1  to  M2   +/-­‐  5  mm  

M2  to  detector  array   (+/-­‐  5  mm)  (*)  

Surface  waviness   M1   20  μm  rms  M2   50  μm  rms  

Surface  irregularity   M1   1  μm  rms  M2   1  μm  rms  

Radius  devia-on  M1   +/-­‐  10  mm  M2   +/-­‐  3  mm  detector  array   +/-­‐  3  mm  

Element  decenter  M1   +/-­‐  5  mm  M2   +/-­‐  5  mm  detector  array   +/-­‐  5  mm  

Element  -lt  M1   +/-­‐  0.14˚  M2   +/-­‐  0.14˚  detector  array   +/-­‐  0.14˚  

Tolérances  pour  un  M1  segmenté  :  plus  strictes,  car  si  l’alignement  n’est  pas  suffisamment  précis,  de  mul1ples  images  de  forment  

Error   Surface   Tolerance  

Element  decenter   M1   +/-­‐  2  mm  M2   +/-­‐  2  mm  

Element  -lt  M1   +/-­‐  1'  M2   +/-­‐  3'  detector  array   +/-­‐  5'  

Tolérances estimées à partir de 8000 simulations MC avec des paramètres libres dans un domaine de valeurs (distance deviation, surface waviness and irregularity, radius deviation, element decenter, element tilt) - PSF < 4x4mm en dessous de 3.7° de FoV (pixel de 6x6 mm) - Selon les spécifications de CTA (Values integrated in the error budget which includes all parameters).

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Premières  simula1ons  de  gerbes  atmosphériques  observables  sur  le  site  de  Meudon  

Gerbe  hadronique,  due  à  un  proton  de  100  TeV  (A.  Zech)  

Gerbe  électromagné1que,  due  à  un  photon  de  10  TeV  (A.  Zech)    

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Agenda  du  prototype  SST-­‐GATE  

•  Eté  2014:  fabrica1on  des  miroirs  •  Août  -­‐  novembre  2014:  équipement  du  banc  de  tests  op1ques  et  tests  du  M2  et  des  premiers  panneaux  du  M1  

•  Août  -­‐  octobre  2014:  construc1on  MTS  et  dishes,  achat  équipement  métrologie,  électronique  et  alignement  

•  Automne  2014  :  assemblage  du  télescope  •  Novembre  2014  -­‐  février  2015:  tests  du  télescope,  alignement,  op1misa1on,  valida1on,  mise  en  réseau  

•  2015  :  fin  d’aménagement  et  sécurisa1on  du  site  •  Début  des  travaux  d’op1misa1on  du  design  pour  les  télescopes  «  premiers  de  série  »  pour  CTA  

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Organisa1on  Management  -­‐  The  organisa1on:  

-­‐  PI  and  Management  team  (PM,  system  engineer,  quality)  -­‐  WP  (mechanical,  FEA,  op1c,  so{ware)  -­‐  Collabora1on  (UK,  DT-­‐INSU)  

-­‐  Organiza1on  has  to  evolved  to  the  recent  “GCT  project”,  GATE  CHEC  telescope  or  Gamma  Compact  Telescope,  including  the  SST-­‐GATE  and  the  CHEC  teams,  to  fit  the  new  GCT  collabora1on.  

100SST-GATE Project (PI)

110Project Management

120Project Science

130Instrument

Science

140System

Engineering

150Product Assurance

Management

160MAIT

200Civil Engineering

210 – Sites Studies220 – Foundations & Trenches

400Telescope

Structure Mechanics

410 – FE Validation420 – Mechanical Design

300Telescope Optics

310 – Optical Design320 – R&D Mirrors Manufacturing

170Maintenance

700Focal Plane instrumentation

710 – Detectors Design720 – Thermal Control

500Alignment

510 – R&D Actuators520 – Design530 – Alignment Procedure Definition

610 – Mechanical Design620 – Electronic Design

600Telescope Drives

900Telescope Control command

800Shelter

810 – R&D820 – Mechanical Design

Co-development with collaboration

Collaboration

SST-GATE team

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Projet  “GCT”  pour  CTA    Construc1on  costs:  -­‐  Constantly  upda1ng  with  quota1ons  and  calls  of  tender.  Befer  view  

in  September  2014.    -­‐  Structure  and  mirrors:  manufactured  in  industry  -­‐  Mirror  tests  :  ins1tutes  for  the  prototype  but  probably  in  industry  for  

CTA.    -­‐  Pre-­‐assembly  :  at  least  par1ally  in  Europe  

Schedule    -­‐  2015-­‐2016:  3  pre-­‐produc1on  telescopes  for  mini-­‐array  par1cipa1on  

-­‐  Will  ask  for  funding  for  mechanical  structures  +  mirrors    ~  1.5  M€  (Fr)  

-­‐  2017-­‐2021:  par1cipa1on  in  CTA  array  by  10  to  30  telescopes    -­‐  Apply  for  about  5.5  M€  in  France  for  mechanical  structures  +  mirrors  of  

a  number  of  SST  to  be  confirmed  by  the  GCT  collabora1on  -­‐  Contribu1on  expected  from  other  countries,  especially  the  ones    

involved  in  CHEC  (UK,  Allemagne,  Pays-­‐Bas,  Australie,  Japon,  US)  for  cameras  and  structures  

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Plans  Management  -­‐  The  PBS  and  the  WBS:  

-­‐  PBS  of  SST-­‐GATE  developped.  -­‐  The  SST-­‐GATE  and  CHEC  ones  have  to  be  updated  to  

become  the  GCT’s  ones.  -­‐  Mee1ngs  are  foreseen  to  prepare  them    

 -­‐  Schedule  

-­‐  End  of  2014:  end  of  SST-­‐GATE  construc1on.  -­‐  Start  2015:  performance  tests  and  assessment  phase.  -­‐  Fall  2015:  launch  of  the  calls  for  tender  for  3  GCT  telescopes.  -­‐  Fall  2016:  delivering  of  the  element  on  site  (in  the  frame  of  the  mini-­‐

array).  -­‐  Mid-­‐2017:  GCT  telescopes  mounted  and  tested.  -­‐  2017:  calls  for  tender  for  the  array’s  GCT.  -­‐  2018:  delivering  of  the  first  GCT  on  site.  -­‐  2020:  all  GCTs  opera1onal.  

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Plans    Milestones  -­‐  Major  milestones  could  be:  

-­‐  Fall  2014:  end  of  construc1on  of  GCT.  -­‐  S1  2015:  test  of  the  prototype,  assessment  phase.  -­‐  Summer  2015:  review  of  the  GCT  design.  -­‐  Automn  2015:  choice  of  the  prime  for  the  construc1on  of  GCT  for  CTA.  

-­‐  Start  2016:  call  for  tender  for  the  “GCT  mini  array”.  -­‐  Mid  2017:  acceptance  of  the  GCT  units  for  the  mini  array.  -­‐  2020:  end  of  acceptance  phase  of  the  GCT  units  for  CTA.  

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Equipes  impliquées  •  LUTH  et  GEPI  de  l’OP,  en  par1culier  le  pôle  instrumental,  avec  J.L.  

Dournaux,  D.  Dumas,  J.M.  Huet,  P.  Laporte  et  al  •  DIL  de  l’OP  (ingénierie  civile)  et  DIO  (raccord  au  réseau  informa1que  du  

télescope  et  de  la  salle  de  contrôle)  •  DT-­‐INSU  (contrôle-­‐commande)  •  IRFU/CEA  (miroirs)  •  CPPM,  Univ.  Marseille  (simula1ons)  

•  Labos  de  CTA  interna1onal  :  en  par1culier  UK  (Durham,  Leicester  +  labos  CHEC)  et  Italie  (INAF,  Brera  …)  

•  Partenariat  avec  des  industriels  (Alsyom,  polissage  du  Loir,  Kerdry,  Na1onal  Instruments,  chaudronnerie  de  l’Ourcq,  MTA,  AMBOS,  CHAMPALLE,  groupe  ALCEN,  …)  

•  APC,  Univ.  Paris  7  (projet  de  connec1on  au  réseau  de  scin1llateurs,  MUTIN)  

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Two  S-­‐C  SST  prototypes  currently  under  construc1on    in  France  and  in  Italy  

On-­‐going  collabora1on  to  op1mize  common  procedures  and  sub-­‐components    for  the  SST  array  

SST-GATE ASTRI

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Validation d’un concept de télescope novateur

en astronomie Cherenkov et optimisation

Projet fédérateur, visibilité auprès de la communauté scientifique

Formation des jeunes chercheurs

et actions grand public

Etape essentielle vers le réseau de petits télescopes de CTA

Intérêt stratégique et économique

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July 2ndh GCT review - Heidelberg 25

Plans    Construc1on  Plans  -­‐  Prototype  manufacturing  plan:  

-­‐  Mainly  manufacturing                of  steel  (structure)              aluminium  (mirrors)  

-­‐  COTS  elements                for  drive  system                and  actuators…  

 

-­‐  The  prototype  tests  may  show  that  changes  can  be  done:  -­‐  From  2  to  1  motors  for  the  AAS,  simplifica1on  of  the  AAS  drive  by  

using  more  precise  slew  bearing.  -­‐  Some  components  may  be  molded  (in  the  AAS  structure  or  MTS  

bars).  -­‐  M1  petals  size  from  circular  to  trapezoidal  shape.    

PBS   Manufacturing  solu1on Material    

Tower  SST-­‐TOW Welding     Mechanical  construc1on  steels  (grade  E36)

AAS   Machining     Mainly   stainless   steel   some  elements  in  Inox

MTS Machining  /  Welding     Mechanical  construc1on  steels  (grade  E36  or  A60)

Dish  M1 Machining  /  Welding     Mechanical  construc1on  steels  (grade  E36  or  A60)

M1 Machining    /  polishing  /  coa1ng Aluminium  5083  H111

M2 Machining    /  polishing  /  coa1ng Aluminium  5083  H111

Camera  removal Machining  /  Welding     Mechanical  construc1on  steels  (grade  E36  or  A60)

S u p p o r t   o f  actuators  for  M1 Machining  /  Welding     Aluminium  6060

Counterweight   Machining   /  Welding     /  Molding

Mechanical  construc1on  steels  (grade  E36  or  A60)  /  Lead

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GCT review – Heidelberg – July 2014

Safety  risks    

Func1on Poten1al  Failure  Mode RPN Ac1on

Protect   human   versus  motors  and  gear

Fingers   can   be   caught   by   the  movement  of  motors  or  gears  or  bearing

6 Forbid   the   access   to   motors   or  gears   or   bearing   while   they   are  working,   foresee   sensors   to  inform  the  open  access  to  motor  or  gear

Protect   human   versus  telescope  systems

Human  hazard  with  moveable  telescope  element 6

Display   risks   incurred   and  measures   to   be   taken   (helmet,  gloves  ...)  next  to  the  telescope

Protect   human   versus  electronics   systems   of  the  telescope

Electric  shock  hazard 4 circuit  breakers.

Protect   human   versus  drives  systems Risk  of  human  injury 4

provide  interlocks  and  forbidden  access   to   electronics   to   no  educated  persons

Control   all   moves   of  the  telescope Safety  PLC  failure 4 regular  tes1ng  and  inspec1on Protect   human   and  telescope   systems  regarding  risk  of  fire

Risk   of   fire   in   the   shelter  will  d amage   t h e   t e l e s cope  elements

4 Standard   M2   for   the   shelter,  idem  for  wires

support   the   mass   of  the  telescope Risk  of  flooding 3 Protec1on   of   the   telescope   by  

the  slab

Few major risks in the design