Readout Electronics for Slewing Mirror Telescope of Ultra Fast Flash Observatory (UFFO) pathfinder

Abstract

Gamma Ray Bursts (GRBs) are the most powerful explosions in the uni-verse, and extremely interesting phenomena in astrophysics. They are highly luminous events and visible to high redshift; thus, they provide valuable insight into the distant universe. GRB research has advanced vigorously over the past 30 years, with a growing body of results from space and ground. As a prime exam-ple, the Swift space observatory has provided a variety of multi-wavelength in-formation on GRBs, including UV/optical light curves. However, major limita-tions in observation lay in slow response time in temporal (i.e., light curve) measurements. In this respect, our group proposed the Ultra-Fast Flash Observa-tory (UFFO) project with the primary aim of detection of early UV/optical/NIR emissions from GRBs. The UFFO introduces a new telescope of its kind, the Slewing Mirror Telescope (SMT), which has a response of a couple of seconds, the fastest ever in UV/optical detection, and an X-ray telescope based on the coded mask technique. As a first step, the UFFO collaboration has built the payload of UFFO-pathfinder which will be flown to space in 2014 aboard the Lomonosov space-craft. It consists of the UFFO Burst Alert X-ray Trigger telescope (UBAT) for de-tection of X-rays with a wide-field of view, the SMT for observation of UV/optical by means of a motorized slewing mirror, and the UFFO Data Acqui-sition system (UDAQ) which controls the UBAT and SMT and communicates with the satellite. The key concept of the SMT in UFFO-pathfinder is the rotation of the mirror, rather than the slew of the entire spacecraft, to redirect the optical path. Motivated by this new idea, and the challenge involved in the realization of the idea, I have developed the readout hardware of the SMT, including Intensi-fied CCD (ICCD), the control of slewing motor, and the power distribution to the UFFO-pathfinder. Each element was developed considering the fast readout along the requirement of SMT, and to fit the constraints of space missions, such as low power consumption, standalone control, and low outgassing. This thesis is focused on describing: the development of ICCD readout; slewing mirror control in SMT; and the fast readout and control in electronics to meet the requirement of the fast response UFFO-pathfinder for detection of GRBs (e.g., by employing the Field Programmable Gates Arrays (FPGAs) instead of microprocessors). I also have performed a variety of space qualification tests of the instrument, including shock/vibration and thermal/vacuum. ;감마선폭발은 우주에서 발생하는 가장 밝고, 강력한 에너지를 가지는 천체 현상으로서, 1967년 첫 발견이래로 천체물리학분야에서 매우 흥미로운 현상으로 꾸준히 연구가 지속되어 왔다. 특히 지난 10년 동안, NASA의 Swift 미션을 통해 감마선폭발 현상의 많은 부분들이 밝혀졌지만, 수십 초 이하의 초기 관측에는 한계가 있어서 그 기원 및, 폭발 메커니즘 등은 여전히 풀어야 할 과제로 남아있다. 본인의 연구단에서는 이러한 한계를 극복하고 감마선폭발로부터 오는 초기 후광의 최초 관측을 하기 위해서 모터 구동 방식의 미러 시스템을 사용하여 빠르게 광원을 포착하는 새로운 개념의 Ultra-Fast Flash Observatory (UFFO) 프로젝트를 제안하였다. 그 첫번째 단계로서, UFFO-pathfinder가 러시아의 Lomonosov 위성에 실려 2014년 발사될 예정이다. UFFO-pathfinder는 광시야각으로 X-선 영역에서 감마선폭발을 발견하고 위치를 파악하는 X-선 트리거 망원경 (UFFO Burst Alert X-ray Trigger telescope)과, 모터를 이용하여 빠르게 미러를 돌려서 수초 내에 상세관측을 시작하는 자외-가시광 추적 망원경(Slewing Mirror Telescope)으로 이루어져있다. 자외-가시광 추적 망원경은 UFFO-pathfinder의 주요 개념으로서, 모터 구동방식의 회전 미러 시스템과 Ritchy-Chretien 망원경을 기본으로 하는 광학계, 그리고 200~650nm 감응 대역의 256x256 픽셀을 가진 Intensified CCD 로 구성되어 있으며, X-선 트리거 망원경으로부터 트리거 신호가 주어진 이후 1초 이내에 빠른 추적/검출을 수행한다. 이러한 개념의 망원경을 개발하기 위해 본인은 자외-가시광 추적 망원경의 검출기를 조립하고, 이 검출기와 모터 구동방식의 회전 미러를 제어하기 위하여 빠른 readout및 전력 시스템을 개발하였다. 이를 위해 CPU가 아닌 FPGA를 사용하여 빠른 처리속도를 가지는 readout 시스템을 구현하였고, 우주실험 특성상 제한된 전력 및 공간의 제약을 극복하였다. 또한, 최종적으로 우주환경 시험을 거쳐서 우주의 극한 환경에서도 동작이 가능함을 검증하였다.