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Academic Year/course: 2022/23

628 - Master's Degree in Physics of the Universe: Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles

68368 - Advanced instrumentation for astronomy and particle physics experiments


Syllabus Information

Academic Year:
2022/23
Subject:
68368 - Advanced instrumentation for astronomy and particle physics experiments
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
628 - Master's Degree in Physics of the Universe: Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles
ECTS:
6.0
Year:
01
Semester:
Second semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1. General information

1.1. Aims of the course

The course of Advanced instrumentation for experiments in astronomy and particle physics is recommended for those students who wish to continue their professional activity or develop their PhD in any of the more experimental areas of particle physics and observational astronomy. It is proposed as a course in which students will become familiar with the techniques of acquisition and processing of signals from radiation and particle detectors, especially those that require specific instrumentation or high-performance analogue and digital processing and conditioning techniques. designed for application to measurements at the physical limit of resolution. Students will also acquire the necessary skills for the optical design of a telescope and its instrumentation, from simpler cameras to echelle spectrographs. Although the focus in this area is mainly on optical and infrared astronomy, foundations for instrumentation in other wavelength ranges, such as X-rays and radio, will also be offered.

The objective of the course is for the student to be able to analyse and determine the measurement requirements for a specific experimental process, to know and understand its limitations, and to be able to design and implement an automated instrumentation system with the possibility of remote control.

These approaches and objectives are aligned with the following Sustainable Development Goals (SDGs) of the United Nations 2030 Agenda (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), in such a way that the acquisition of the results of learning of the subject provides training and competence to contribute to some extent to its achievement: Goal 4: Quality education; Goal 5: Gender equality; Goal 9: Industry, innovation and infrastructures.

1.2. Context and importance of this course in the degree

The detectors used in particle physics, as well as the instruments installed in telescopes (and the telescopes themselves) used in astronomy, have evolved in recent decades towards extremely complex systems whose understanding is necessary for full scientific use.

These advances, associated both increased measurement range and resolution, have led the corresponding adaptation of the necessary instrumentation for acquisition, conditioning and synchronization of the measurements obtained. The course of Advanced instrumentation for experiments in astronomy and particle physics provides the student with the knowledge and skills necessary to, based on the specifications of the detection system, successfully carry out a process of measurement and characterization of a system under study in all its phases, from the analysis and design of a conditioning and measurement system, automation of the data acquisition process and measurements processing.

Understanding the operation of these systems allows not only their use but also to understand their limitations when preparing observations or analysing the data obtained.

1.3. Recommendations to take this course

This course presents in detail the main acquisition and measurement techniques used in an advanced laboratory using intelligent instrumentation systems, as well as the basic knowledge of conditioning and processing of measurements required for their proper interpretation. To get the most out of this course it is recommended, although not essential, to have coursed subjects related to experimental techniques in Physics and Optics, which include basic principles of physical transduction of sensors, basic optics, analogue processing of electrical signals, electronics instrumentation, specific automated instrumentation techniques for experimental physics, principles of signal acquisition and analogue-digital conversion.

2. Learning goals

2.1. Competences

After the course, the student will be more competent to:

  • Join as researchers or qualified technicians in research teams in the fields of Cosmology, Astrophysics, Particles and Astroparticles.
  • Process, analyse and interpret experimental data obtained in experiments in the fields of the Master.
  • Learn to handle the instruments and experimental methods used in the field of the Master.

2.2. Learning goals

To pass this course, the student needs demonstrate the following results:

  • Know the optical fundamentals of instrumentation in astronomy.
  • Know how to use the optical instruments in astronomy.
  • Being able to develop and use specific high precision electronic interfaces (low noise, high sensitivity, etc.).
  • Being able to design a signal conditioning circuit according to the specs of a specific detection device.
  • Be able to program a multi-instrument measurement acquisition environment.
  • Be able to design a simple automatic and remote control system.

2.3. Importance of learning goals

Measurement processes often require the design and implementation of specific electronic conditioning systems, the use of suitable instrumentation and a specific measurement protocol, determined by factors related to the magnitudes to be measured and the corresponding detection techniques: signal spectrum, amplitude, frequency range, the noise level associated with the detection process or the acquisition frequency required are some of them. The use and development of astronomical instrumentation, whose complexity increases more and more, requires the knowledge of the fundamentals of optics, electronics and software behind its operation.

Having the appropriate knowledge and training to address all these issues is valuable in a scientific-technical curriculum. It allows a general perspective of the problem to be addressed, giving a critical view of the results obtained. A suitable conditioning, pre- and post-processing of the magnitudes provided by the detector, together the selection of the correct instrumentation and the accurate design of the measurement automation protocol is particularly important in those long-term or large measurement processes, such as those associated to the fields of astronomy or particle physics.

3. Assessment (1st and 2nd call)

3.1. Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

Students must demonstrate that they have achieved the expected learning outcomes through the following
assessment activities:
  • Evaluation of work in the laboratory (40%)
  • Assessment of reports and written works (40%)
  • Assessment of case analysis, problem solving, questions and other activities (10%)
  • Evaluation tests (10%)

The final mark will be obtained according to the above percentages. To pass the subject the final mark must be equal to or greater than 5.0.

For those students who have not passed the course with the proposed activities, the teaching staff may choose to offer the realization of compensatory work of equivalent dedication, or to carry out a theoretical-practical test in the lab on a date established by the official calendar of exams.

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The learning process that has been designed for this subject is based on the following:

  • Participatory master classes
  • Problem-based learning
  • Case resolution
  • Lab workout
  • Preparation of written works
  • Lab reports
  • Tutorials
  • Work in small groups
  • Work and personal study
  • Assessment tests

4.2. Learning tasks

The course includes the following learning tasks:

  1. Attendance to lectures and participation: 20 hours
  2. Analysis of cases, sharing and debate on the contents of the subject: 10 hours, 7 with student attendance
  3. Resolution of problems related to the contents of the subject: 10 hours, 7 with student attendance
  4. Realization of laboratory experiences: 20 hours with student attendance
  5. Preparation and written presentation of work: 20 hours without student attendance
  6. Preparation of lab reports: 18 hours without student attendance
  7. Tutorials: 10 hours, 5 online and 5 face-to-face
  8. Individual study: 40 hours
  9. Written or oral evaluation tests: 2 hours with student attendance
The teaching and evaluation activities will be carried out in person unless, due to the health situation, the provisions issued by the competent authorities and by the University of Zaragoza require them to be carried out electronically or
semi-electronically with reduced capacity.

4.3. Syllabus

  1. Transduction in particle physics and astronomy detectors.
  2. Optical foundations and instrumentation in astronomy: telescopes, spectrographs, interferometers and polarimeters. Adaptive optics. CCDs for astronomy.
  3. Astronomical instrumentation for space. Instrumentation for X and gamma rays.
  4. Radiotelescopes.
  5. Modern astronomical observatories, robotic observatories, control systems and data reduction systems.
  6. Electronic instrumentation and processing at the detection limits
    • Nanovoltmeter, picoammeter, resistance measurement
    • Electrical noise. Sources and cancellation
  7. Fundamentals of automatic process control and remote laboratories.
  8. Instrument calibration.

4.4. Course planning and calendar

Schedule will be established and announced by the teaching staff at the beginning of the course.

Classes will start and end on the dates established by the Faculty of Sciences.

  • Theory classes and problems: 2 sessions per week. Dates to decide.
  • Lab sessions: they will be announced by the teaching staff at the beginning of the course.
  • Evaluation sessions: dates to be decided.

4.5. Bibliography and recommended resources

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68368


Curso Académico: 2022/23

628 - Máster Universitario en Física del Universo: Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astropartículas

68368 - Instrumentación avanzada para experimentos de astronomía y física de partículas


Información del Plan Docente

Año académico:
2022/23
Asignatura:
68368 - Instrumentación avanzada para experimentos de astronomía y física de partículas
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
628 - Máster Universitario en Física del Universo: Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astropartículas
Créditos:
6.0
Curso:
01
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

La asignatura de Instrumentación avanzada para experimentos de astronomía y física de partículas está recomendada para aquellos estudiantes que deseen proseguir su actividad profesional o desarrollar su Tesis Doctoral en cualquiera de los ámbitos más experimentales de la física de partículas y en la astronomía observacional. Se plantea como un curso en el que los alumnos se familiarizarán con las técnicas de adquisición y procesamiento de las señales procedentes de detectores de radiación y partículas, especialmente aquellas que requieren de instrumentación específica o técnicas de procesamiento y acondicionado tanto analógicas como digitales de alto rendimiento, diseñadas para su aplicación a medidas en el límite físico de resolución. Asimismo, adquirirán las habilidades necesarias para el diseño óptico de un telescopio y de su instrumentación, desde cámaras más sencillas hasta espectrógrafos “echelle”. Aunque en este ámbito el enfoque sea principalmente en la astronomía óptica e infrarroja, se ofrecerán también bases para instrumentación en otros rangos de longitud de onda, como rayos X y radio.

El objetivo de la asignatura es que el alumno sea capaz de analizar y determinar los requisitos de medida para un proceso experimental concreto, de conocer y comprender sus limitaciones, y ser capaz de diseñar y poner en práctica un sistema de instrumentación automatizado con posibilidad de control remoto.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con los siguientes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia para contribuir en cierta medida a su logro: Objetivo 4: Educación de calidad; Objetivo 8: Igualdad de género; Objetivo 9: Industria, innovación e infraestructuras;

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Los detectores empleados en física de partículas, así como los instrumentos instalados en los telescopios (y los mismos telescopios) utilizados en astronomía, han ido evolucionando en las últimas décadas hacia sistemas extremadamente complejos cuya comprensión es necesaria para un aprovechamiento científico completo.

Estos avances, asociados tanto en el incremento en rangos de medida como en resolución, han conllevado la correspondiente adaptación de la instrumentación necesaria para la adquisición, acondicionado y sincronización de las medidas obtenidas. La asignatura de Instrumentación avanzada para experimentos de astronomía y física de partículas proporciona al alumno conocimientos y capacidades necesarias para, a partir de las especificaciones del sistema de detección, realizar con éxito un proceso de medida y caracterización de un sistema en estudio en todas sus fases, desde el análisis y diseño de un sistema de acondicionado y medida, automatización del proceso de adquisición de datos y procesamiento de medidas.

Entender el funcionamiento de estos sistemas permite no solo su uso sino también entender sus limitaciones a la hora de preparar observaciones o analizar los datos obtenidos.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

En esta asignatura se presentan en detalle las principales técnicas de adquisición y medida empleadas en un laboratorio avanzado haciendo uso de sistemas de instrumentación inteligente, así como los conocimientos básicos de tratamiento y procesado de medidas necesarios para su adecuada interpretación. Para obtener el máximo aprovechamiento de esta asignatura es recomendable aunque no imprescindible haber cursado asignaturas relacionadas con las técnicas experimentales en la Física y la óptica, que incluyan contenidos de principios básicos de transducción física de sensores, óptica básica, procesado analógico de señales eléctricas, instrumentación electrónica, técnicas específicas de instrumentación automatizada para la física experimental, adquisición de señales y principios de conversión analógico-digital.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para:

  • Integrarse como investigadores o técnicos cualificados en equipos de investigación en los ámbitos de Cosmología, Astrofísica, Partículas y Astropartículas.
  • Analizar, tratar e interpretar datos experimentales obtenidos en experimentos de los ámbitos del Título.
  • Manejar los instrumentos y métodos experimentales utilizados en el ámbito de Título.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados:

  • Conocer los fundamentos ópticos de la instrumentación en astronomía.
  • Saber utilizar los instrumentos ópticos utilizados en astronomía.
  • Ser capaz de desarrollar y aplicar interfaces electrónicos específicos de precisión (bajo ruido, alta sensibilidad, etc.).
  • Ser capaz de diseñar un circuito de acondicionamiento de señal para las especificaciones de un dispositivo de detección determinado.
  • Ser capaz de programar un entorno multi-instrumento de adquisición de medidas.
  • Ser capaz de diseñar un sistema automático y remoto de control sencillo

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Los procesos de medida requieren en muchas ocasiones el diseño e implementación de sistemas electrónicos de acondicionado específicos, el empleo de una instrumentación adecuada y un protocolo de medida concreto, determinado por factores relacionados con las magnitudes a medir y las técnicas de detección asociadas: espectro de la señal procedente del sistema detector, amplitud, su rango de frecuencias, el nivel de ruido asociado al proceso de detección o la velocidad y frecuencia de las adquisiciones, son algunos de ellos. El uso y el desarrollo de instrumentación astronómica, cuya complejidad aumenta cada vez más, requiere de forma imprescindible el conocimiento de las bases de óptica, electrónica y software detrás de su funcionamiento.

Disponer de los conocimientos y capacitación adecuados para abordar todas esas cuestiones es un valor añadido en un currículo científico-técnico, que permite tener una perspectiva general del problema que se pretende abordar, dando una visión crítica de los resultados obtenidos El adecuado acondicionado, pre- y post-procesado de las magnitudes procedentes del detector, así como la selección de la instrumentación correcta y el preciso diseño del protocolo de automatización de las medidas resulta particularmente importante en aquellos procesos de medida de larga duración o grandes dimensiones, como pueden ser los asociados a los ámbitos de la astronomía o la física de partículas.

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluación:

  • Evaluación del trabajo en el laboratorio (40%)
  • Valoración de informes y trabajos escritos (40%)
  • Valoración de análisis de casos, resolución de problemas, cuestiones y otras actividades (10%)
  • Valoración de las pruebas de evaluación (10%)

Para aquellos alumnos que no hayan superado la asignatura con las actividades propuestas, el profesor podrá optar por proponer el desarrollo de trabajos compensatorios de dedicación equivalente o por la realización de una prueba teórico-práctica en el laboratorio, en fecha establecida por el calendario oficial de exámenes.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

  • Clases magistrales participativas
  • Aprendizaje basado en problemas
  • Resolución de casos
  • Prácticas en el laboratorio
  • Trabajos escritos
  • Informes de prácticas
  • Tutorías
  • Trabajo en pequeños grupos
  • Trabajo y estudio personal
  • Pruebas de evaluación

4.2. Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades:

  1. Participación y asistencia a lecciones magistrales: 20 horas presenciales.
  2. Análisis de casos, puesta en común y debate sobre los contenidos de la asignatura: 10 horas, 7 presenciales.
  3. Resolución de problemas relacionados con los contenidos de la asignatura: 10 horas, 7 presenciales.
  4. Realización de prácticas de laboratorio: 20 horas presenciales.
  5. Realización y presentación escrita de trabajos: 20 horas no presenciales.
  6. Elaboración de informes de prácticas: 18 horas no presenciales.
  7. Tutorías de forma presencial o telemática: 10 horas, 5 presenciales.
  8. Estudio individual: 40 horas no presenciales.
  9.  Pruebas de evaluación escrita u oral: 2 horas presenciales.

Las actividades docentes y de evaluación se llevarán a cabo de modo presencial salvo que, debido a la situación sanitaria, las disposiciones emitidas por las autoridades competentes y por la Universidad de Zaragoza obliguen a realizarlas de forma telemática o semi-telemática con aforos reducidos rotatorios.

4.3. Programa

  1. Transducción en detectores de física de partículas y astronomía
  2. Fundamentos ópticos e instrumentación en astronomía: telescopios, espectrógrafos, interferómetros y polarímetros. Óptica adaptativa. CCDs para astronomía
  3. Instrumentación astronómica para el espacio. Instrumentación para rayos X y gamma.
  4. Radiotelescopios.
  5. Observatorios astronómicos modernos, observatorios robóticos, sistemas de control y sistemas de reducción de datos
  6. Instrumentación electrónica y procesado en el límite de detección
    • Nanovoltímetro, picoamperímetro, medida de resistencias
    • Ruido eléctrico. Fuentes y cancelación
  7. Fundamentos de control automático de procesos y laboratorios remotos.
  8. Calibración de instrumentos.

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Las fechas serán establecidas y anunciadas por los profesores al inicio del curso.

Las clases comenzarán y finalizarán en las fechas indicadas por la Facultad de Ciencias.

  • Clases de teoría y problemas: 2 sesiones por semana. 
  • Clases de laboratorio: serán anunciadas por los profesores al comienzo del curso.
  • Sesiones de evaluación: fechas a decidir

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=68368