Este trabalho apresenta os resultados obtidos no processo de otimização realizado nas câmeras astronômicas do instrumento BTFI (Brazilan Tunable Filter Imager) instalado no telescópio SOAR, no Chile, para reduzir o ruído nos sinais. O instrumento BTFI opera com duas câmeras astronômicas de alto desempenho que utilizam detectores de imagens denominados EMCCDs. Esses detectores são sensores de imagem baseados em dispositivos de carga acoplada (CCDs) otimizados por um estágio integrado de multiplicação de elétrons por avalanche. Essa característica permite atingir ao mesmo tempo altas taxas de leitura (10 MHz) e níveis de ruído muito baixos (<1 elétron/pixel). Detectores CCD exigem temperaturas de operação da ordem de -100oC para operar com baixo ruído, o que demanda uma série de especificações técnicas quanto ao projeto da câmera. O trabalho aqui exposto fundamentou-se na otimização de aspectos mecânicos e eletrônicos de câmeras astronômicas com o intuito de se obter a melhor relação sinal-ruído, mostrando a importância do correto desenho mecânico (do ponto de vista térmico) e sua influência no comportamento eletrônico da câmera. São expostos os resultados obtidos com as duas câmeras em laboratório, os métodos e processos de caracterização utilizados, bem como as simulações térmicas e experimentos realizados em laboratório. Com as técnicas empregadas alcançou-se níveis de ruído total menores que 0,18 elétrons/pixel/segundo para exposições de 10 segundos. Os resultados atingidos foram observados nas duas câmeras do instrumento BTFI e foram validados em laboratório, onde demonstraram estabilidade durante 71 dias consecutivos. Por fim, é mostrada uma caracterização comparativa entre as duas câmeras quanto aos níveis de ruídos, ganho, estabilidade, eficiência quântica, linearidade e relação sinal-ruído. / This work presents results of the optimization performed in the astronomical cameras from the Brazilian Tunable Filter Imager (BTFI), instrument for the SOAR Telescope in Chile, in order to reduce the signals noise. The BTFI instrument has two highperformance cameras equipped with detectors named EMCCDs, which are image sensors based on charge-coupled devices (CCDs) optimized by an electron multiplication integrated stage. This feature enables to achieve high readout rates (10 MHz) and very low noise levels (<1 electron/pixel) at the same time. CCD detectors demand running temperatures of about -100,sup>oC for very low noise operation, which requires a series of technical specifications for the camera design. The work shown here is based in the optimization of the mechanical and electronic aspects for the astronomical cameras, in order to obtain the best signal to noise ratio, showing the importance of the correct mechanical design (from the thermal point of view) and its influence on the camera electronic behavior. The laboratory results obtained with the two cameras, the characterization procedures, as well as the thermal simulations and laboratory ratification experiments that allowed achieve the results presented are exposed. Using such techniques it was possible to achieve total noise levels lower than 0.18 electron/pixel/second for 10 seconds of exposure time. The results achieved were observed in both BTFI cameras and were validated in laboratory showing 71 consecutive days of stability. Finally it is shown a comparative characterization between both cameras in: noise and gain levels, stability, quantum efficiency, linearity and signal to noise ratio.

O trabalho apresentado nesta dissertação foi motivado essencialmente pelo projeto de construção de um novo instrumento a ser instalado no telescópio SOAR, no Chile. Este instrumento, chamado de \\textit{Brazilian Tunable Filter Imager} - BTFI, conta com várias novidades dentro da área de instrumentação astronômica. Uma delas envolve a utilização de duas redes de difração em série de modo a atuarem como um filtro espectral com uma resolução mais baixa. Aqui é mostrado o estudo realizado envolvendo dois diferentes modelos encontrados na literatura para simular numericamente a eficiência destas redes. Com estas simulações foi possível escolher um conjunto de redes a serem utilizadas no instrumento visando cobrir todo o espectro óptico com diferentes resoluções espectrais. Outra ferramenta estudada foi o filtro espectral do tipo Fabry-Pérot. Partindo de uma revisão teórica de interferência de raios múltiplos, apresenta-se também algumas características encontradas nos cubos de dados obtidos ao fazer uso de filtros deste tipo. Por fim, é descrito o software que foi criado buscando fornecer cubos de dados sintéticos para o desenvolvimento de novos pacotes numéricos para trabalhar com dados obtidos com um interferômetro Fabry-Pérot, além de auxiliar na compreensão de obtenção destes cubos. / The work presented in this dissertation was motivated primarily by the construction project of a new instrument to be installed on the SOAR telescope in Chile. This instrument, called \\textit {Brazilian Tunable Filter Imager} - BTFI, features several innovations within the area of astronomical instrumentation. One of them involves the use of two diffraction gratings in series in order to act as a spectral filter with a lower resolution. It is shown here the study involving two different models found in the literature to simulate the efficiency of these gratings. With these simulations it was possible to choose a set of gratings to be used in the instrument in order to cover the entire optical spectrum with different spectral resolutions. Another tool studied was the filter spectral type Fabry-Pérot. Starting from a theoretical review of interference of multiple beams, it is presented some features found in the data cubes obtained by making use of filters of this type. Finally, we describe the software that was created to provide synthetic data cubes for developing new packages for working with numerical data obtained with a Fabry-Perot interferometer, in addition to helping to raise understanding of these cubes.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle para um módulo do instrumento astronômico BTFI (Brazilian Tunable Filter Imager), um filtro óptico sintonizável altamente versátil que está instalado no telescópio SOAR, localizado no Chile. Será empregado neste instrumento um novo interferômetro Fabry-Perot, capaz de realizar observações em uma ampla faixa de resoluções espectrais. Para operar com resolução espectral variável, o Fabry-Perot proposto neste projeto terá uma faixa mais ampla de ajuste do vão entre suas placas refletivas, utilizando atuadores piezelétricos amplificados com grande capacidade de deslocamento e sensores capacitivos de alta precisão. O novo controlador apresenta uma malha de controle totalmente digital, implementada com um DSP (Digital Signal Processor) sintetizado num dispositivo FPGA (Field-programmable Gate Array). Na primeira etapa do desenvolvimento, trabalhou-se com um sistema de posicionamento nanométrico utilizando um protótipo simplificado com um canal composto por um sensor capacitivo de distância e um atuador piezelétrico. A partir dos bons resultados obtidos no sistema de um canal, realizou-se a expansão para um sistema de controle multi-malha de três canais com protótipo do Fabry-Perot, mas sem o uso das placas de vidro refletivas definitivas. O sistema permite controlar o posicionamento para cada canal individualmente ou os três em simultâneo, com desempenho adequado para os requisitos do filtro óptico sintonizável Fabry-Perot. / This work aims the development of a control system for a module of the BTFI astronomical instrument (Brazilian Tunable Filter Imager), a highly versatile optical tunable filter, deployed on the SOAR Telescope. The instrument will employ a new Fabry-Perot interferometer, which is able to provide observations in a wide range of spectral resolutions. In order to achieve variable spectral resolution, the new Fabry- Perot proposed in this project will present a larger range for adjusting the air gap between its reflective plates, using amplified piezoelectric actuators presenting high stroke capability and high precision capacitive sensors. The new controller presents a full digital control loop, implemented in a DSP (Digital Signal Processor) synthesized through a FPGA device (Field-programmable Gate Array). During the first phase of the development, it was used a nanometric positioning system using a single channel prototype comprising one capacitive sensor and one piezoelectric actuator. The good results obtained using the single channel prototype led to the expansion to a 3- channel multi-loop control system on a Fabry-Perot prototype which comprises dummy plates. The system allows controlling the position of each channel separately or simultaneously, presenting performance in accordance with the requirements of a Fabry-Perot optical tunable filter.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle para um módulo do instrumento astronômico BTFI (Brazilian Tunable Filter Imager), um filtro óptico sintonizável altamente versátil que está instalado no telescópio SOAR, localizado no Chile. Será empregado neste instrumento um novo interferômetro Fabry-Perot, capaz de realizar observações em uma ampla faixa de resoluções espectrais. Para operar com resolução espectral variável, o Fabry-Perot proposto neste projeto terá uma faixa mais ampla de ajuste do vão entre suas placas refletivas, utilizando atuadores piezelétricos amplificados com grande capacidade de deslocamento e sensores capacitivos de alta precisão. O novo controlador apresenta uma malha de controle totalmente digital, implementada com um DSP (Digital Signal Processor) sintetizado num dispositivo FPGA (Field-programmable Gate Array). Na primeira etapa do desenvolvimento, trabalhou-se com um sistema de posicionamento nanométrico utilizando um protótipo simplificado com um canal composto por um sensor capacitivo de distância e um atuador piezelétrico. A partir dos bons resultados obtidos no sistema de um canal, realizou-se a expansão para um sistema de controle multi-malha de três canais com protótipo do Fabry-Perot, mas sem o uso das placas de vidro refletivas definitivas. O sistema permite controlar o posicionamento para cada canal individualmente ou os três em simultâneo, com desempenho adequado para os requisitos do filtro óptico sintonizável Fabry-Perot. / This work aims the development of a control system for a module of the BTFI astronomical instrument (Brazilian Tunable Filter Imager), a highly versatile optical tunable filter, deployed on the SOAR Telescope. The instrument will employ a new Fabry-Perot interferometer, which is able to provide observations in a wide range of spectral resolutions. In order to achieve variable spectral resolution, the new Fabry- Perot proposed in this project will present a larger range for adjusting the air gap between its reflective plates, using amplified piezoelectric actuators presenting high stroke capability and high precision capacitive sensors. The new controller presents a full digital control loop, implemented in a DSP (Digital Signal Processor) synthesized through a FPGA device (Field-programmable Gate Array). During the first phase of the development, it was used a nanometric positioning system using a single channel prototype comprising one capacitive sensor and one piezoelectric actuator. The good results obtained using the single channel prototype led to the expansion to a 3- channel multi-loop control system on a Fabry-Perot prototype which comprises dummy plates. The system allows controlling the position of each channel separately or simultaneously, presenting performance in accordance with the requirements of a Fabry-Perot optical tunable filter.

Este trabalho apresenta os resultados obtidos no processo de otimização realizado nas câmeras astronômicas do instrumento BTFI (Brazilan Tunable Filter Imager) instalado no telescópio SOAR, no Chile, para reduzir o ruído nos sinais. O instrumento BTFI opera com duas câmeras astronômicas de alto desempenho que utilizam detectores de imagens denominados EMCCDs. Esses detectores são sensores de imagem baseados em dispositivos de carga acoplada (CCDs) otimizados por um estágio integrado de multiplicação de elétrons por avalanche. Essa característica permite atingir ao mesmo tempo altas taxas de leitura (10 MHz) e níveis de ruído muito baixos (<1 elétron/pixel). Detectores CCD exigem temperaturas de operação da ordem de -100oC para operar com baixo ruído, o que demanda uma série de especificações técnicas quanto ao projeto da câmera. O trabalho aqui exposto fundamentou-se na otimização de aspectos mecânicos e eletrônicos de câmeras astronômicas com o intuito de se obter a melhor relação sinal-ruído, mostrando a importância do correto desenho mecânico (do ponto de vista térmico) e sua influência no comportamento eletrônico da câmera. São expostos os resultados obtidos com as duas câmeras em laboratório, os métodos e processos de caracterização utilizados, bem como as simulações térmicas e experimentos realizados em laboratório. Com as técnicas empregadas alcançou-se níveis de ruído total menores que 0,18 elétrons/pixel/segundo para exposições de 10 segundos. Os resultados atingidos foram observados nas duas câmeras do instrumento BTFI e foram validados em laboratório, onde demonstraram estabilidade durante 71 dias consecutivos. Por fim, é mostrada uma caracterização comparativa entre as duas câmeras quanto aos níveis de ruídos, ganho, estabilidade, eficiência quântica, linearidade e relação sinal-ruído. / This work presents results of the optimization performed in the astronomical cameras from the Brazilian Tunable Filter Imager (BTFI), instrument for the SOAR Telescope in Chile, in order to reduce the signals noise. The BTFI instrument has two highperformance cameras equipped with detectors named EMCCDs, which are image sensors based on charge-coupled devices (CCDs) optimized by an electron multiplication integrated stage. This feature enables to achieve high readout rates (10 MHz) and very low noise levels (<1 electron/pixel) at the same time. CCD detectors demand running temperatures of about -100,sup>oC for very low noise operation, which requires a series of technical specifications for the camera design. The work shown here is based in the optimization of the mechanical and electronic aspects for the astronomical cameras, in order to obtain the best signal to noise ratio, showing the importance of the correct mechanical design (from the thermal point of view) and its influence on the camera electronic behavior. The laboratory results obtained with the two cameras, the characterization procedures, as well as the thermal simulations and laboratory ratification experiments that allowed achieve the results presented are exposed. Using such techniques it was possible to achieve total noise levels lower than 0.18 electron/pixel/second for 10 seconds of exposure time. The results achieved were observed in both BTFI cameras and were validated in laboratory showing 71 consecutive days of stability. Finally it is shown a comparative characterization between both cameras in: noise and gain levels, stability, quantum efficiency, linearity and signal to noise ratio.

O trabalho apresentado nesta dissertação foi motivado essencialmente pelo projeto de construção de um novo instrumento a ser instalado no telescópio SOAR, no Chile. Este instrumento, chamado de \\textit{Brazilian Tunable Filter Imager} - BTFI, conta com várias novidades dentro da área de instrumentação astronômica. Uma delas envolve a utilização de duas redes de difração em série de modo a atuarem como um filtro espectral com uma resolução mais baixa. Aqui é mostrado o estudo realizado envolvendo dois diferentes modelos encontrados na literatura para simular numericamente a eficiência destas redes. Com estas simulações foi possível escolher um conjunto de redes a serem utilizadas no instrumento visando cobrir todo o espectro óptico com diferentes resoluções espectrais. Outra ferramenta estudada foi o filtro espectral do tipo Fabry-Pérot. Partindo de uma revisão teórica de interferência de raios múltiplos, apresenta-se também algumas características encontradas nos cubos de dados obtidos ao fazer uso de filtros deste tipo. Por fim, é descrito o software que foi criado buscando fornecer cubos de dados sintéticos para o desenvolvimento de novos pacotes numéricos para trabalhar com dados obtidos com um interferômetro Fabry-Pérot, além de auxiliar na compreensão de obtenção destes cubos. / The work presented in this dissertation was motivated primarily by the construction project of a new instrument to be installed on the SOAR telescope in Chile. This instrument, called \\textit {Brazilian Tunable Filter Imager} - BTFI, features several innovations within the area of astronomical instrumentation. One of them involves the use of two diffraction gratings in series in order to act as a spectral filter with a lower resolution. It is shown here the study involving two different models found in the literature to simulate the efficiency of these gratings. With these simulations it was possible to choose a set of gratings to be used in the instrument in order to cover the entire optical spectrum with different spectral resolutions. Another tool studied was the filter spectral type Fabry-Pérot. Starting from a theoretical review of interference of multiple beams, it is presented some features found in the data cubes obtained by making use of filters of this type. Finally, we describe the software that was created to provide synthetic data cubes for developing new packages for working with numerical data obtained with a Fabry-Perot interferometer, in addition to helping to raise understanding of these cubes.

O detector de ondas gravitacionais Mário Schenberg consiste de uma massa ressonante esférica de Cu(94%)Al(6%) com 65cm de diâmetro, pesando aproximadamente 1,15T, com um Q mecânico da ordem de 106 e todos os sistemas que possibilitam o seu funcionamento como detector de ondas gravitacionais. O projeto do detector prevê para este uma sensibilidade da ordem de 10-20 (em deformação). Para isso dependerá da eficiência dos sistemas vibracionais que utiliza. Neste trabalho os casadores mecânicos de impedância, foram simulados com um programa de elementos finitos e otimizados quanto à sua banda e acoplamento vibracional. Foi feita a análise do sistema de isolamento vibracional da nova suspensão, por meio da resposta em frequência do ruído sísmico na superfície da esfera, nos mesmos locais onde estão conectados os transdutores. Foi proposto um projeto novo para atenuar os ruídos provenientes do cabeamento que conduz os sinais de micro-ondas. Foi avaliado o efeito do ruído sísmico introduzido na suspensão e na esfera, também nos locais dos transdutores, utilizando este novo projeto. É apresentado um projeto para a conexão térmica do refrigerador por diluição, que a análise por simulação numérica demonstrou ser eficaz. A modelagem para análise vibracional é a melhor já feita para detectores esféricos, isto se comparada às que foram encontrados na literatura. Os resultados alcançados demonstraram que as atenuação em todos os sistemas analisados são adequadas às metas do projeto do detector Mário Schenberg, ou seja, os ruídos remanescentes estão abaixo do ruído térmico esperado na temperatura de 50mK. / The Gravitational Wave detector Mario Schenberg consist of a spherical resonant-mass made of CuAl(6%) with 65 cm diameter e weighting 1.15 Ton, with a Mechanical quality factor of about 106 and all the systems that allows it to word as a gravitational wave detector. The detector design was made for it to reach a sensitivity of 10-20 (strain sensitivity). To reach this goal it depends on the efficiency of the it vibrational systems. In this work the transducers mechanical impedance matchers were simulated with a finite element program and optimized in its band and vibrational coupling. A analysis of the vibrational isolation of the new suspension was made by the frequency response of the seismic noise on the sphere surface, on the same places where they will be connected to the transducers. A new design for attenuation of the noise due to microwave cabling was proposed. The seismic noise introduced on the suspension and on the sphere was simulated using this new design. A design for the dilution refrigerator thermal connection is presented, and its performance is measured in a analysis in a finite element moddeling, and showed itself efficienty. This vibration model for the detector is the best one ever made for spherical detectors, if compared to the literature. Results obtained showed that the atennuation in all the analysed systems are compatible to the Mário Schenberg detector design goals, it means that, the remaining noises are below the expected thermal noise at the temperature of 50 mK.

O detector de ondas gravitacionais Mário Schenberg consiste de uma massa ressonante esférica de Cu(94%)Al(6%) com 65cm de diâmetro, pesando aproximadamente 1,15T, com um Q mecânico da ordem de 106 e todos os sistemas que possibilitam o seu funcionamento como detector de ondas gravitacionais. O projeto do detector prevê para este uma sensibilidade da ordem de 10-20 (em deformação). Para isso dependerá da eficiência dos sistemas vibracionais que utiliza. Neste trabalho os casadores mecânicos de impedância, foram simulados com um programa de elementos finitos e otimizados quanto à sua banda e acoplamento vibracional. Foi feita a análise do sistema de isolamento vibracional da nova suspensão, por meio da resposta em frequência do ruído sísmico na superfície da esfera, nos mesmos locais onde estão conectados os transdutores. Foi proposto um projeto novo para atenuar os ruídos provenientes do cabeamento que conduz os sinais de micro-ondas. Foi avaliado o efeito do ruído sísmico introduzido na suspensão e na esfera, também nos locais dos transdutores, utilizando este novo projeto. É apresentado um projeto para a conexão térmica do refrigerador por diluição, que a análise por simulação numérica demonstrou ser eficaz. A modelagem para análise vibracional é a melhor já feita para detectores esféricos, isto se comparada às que foram encontrados na literatura. Os resultados alcançados demonstraram que as atenuação em todos os sistemas analisados são adequadas às metas do projeto do detector Mário Schenberg, ou seja, os ruídos remanescentes estão abaixo do ruído térmico esperado na temperatura de 50mK. / The Gravitational Wave detector Mario Schenberg consist of a spherical resonant-mass made of CuAl(6%) with 65 cm diameter e weighting 1.15 Ton, with a Mechanical quality factor of about 106 and all the systems that allows it to word as a gravitational wave detector. The detector design was made for it to reach a sensitivity of 10-20 (strain sensitivity). To reach this goal it depends on the efficiency of the it vibrational systems. In this work the transducers mechanical impedance matchers were simulated with a finite element program and optimized in its band and vibrational coupling. A analysis of the vibrational isolation of the new suspension was made by the frequency response of the seismic noise on the sphere surface, on the same places where they will be connected to the transducers. A new design for attenuation of the noise due to microwave cabling was proposed. The seismic noise introduced on the suspension and on the sphere was simulated using this new design. A design for the dilution refrigerator thermal connection is presented, and its performance is measured in a analysis in a finite element moddeling, and showed itself efficienty. This vibration model for the detector is the best one ever made for spherical detectors, if compared to the literature. Results obtained showed that the atennuation in all the analysed systems are compatible to the Mário Schenberg detector design goals, it means that, the remaining noises are below the expected thermal noise at the temperature of 50 mK.