Universität zu Köln

Entwicklung und Aufbau eines BWO-basierten 1,9 THz Lokaloszillatoren für den Heterodynempfänger GREAT

Philipp, Martin (2008) Entwicklung und Aufbau eines BWO-basierten 1,9 THz Lokaloszillatoren für den Heterodynempfänger GREAT. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Astronomische Beobachtungen im Bereich der THz-Frequenzen geben Aufschluss über die Entwicklung der interstellaren Materie in unserem Universum. Als wichtigste Kühllinie dichter Molekülwolken ist die Detektion des Feinstrukturübergangs von einfach-ionisiertem atomarem Kohlenstoff CII bei der Frequenz von 1,9 THz von fundamentaler Bedeutung. Wünschenswert ist das Studium astronomischer Quellen hinsichtlich ihrer Dynamik, Temperatur und Dichte mit möglichst hoher sowohl räumlicher als auch spektraler Auflösung. Heterodynempfänger sind für diese Aufgabe am besten geeignet. Bei dieser Technologie wird das astronomische Signal mittels eines Lokaloszillatoren (LO) auf eine Zwischenfrequenz von wenigen GHz umgesetzt und dann rauscharm weiterverstärkt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und der Aufbau des LOs für den 1,9 THz Frequenzkanal des Mehrkanalheterodynempfängers German REceiver for Astronomy at THz-Frequencies (GREAT) der auf dem Flugzeugobservatorium Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA) zum Einsatz kommen wird. Für den Aufbau des LOs wurde auf eine Kombination zweier THz-Strahlungsquellen bestehend aus einem Rückwärtswellenoszillator (Backward-Wave Oscillator, BWO) und einem Frequenzverdreifacher zurückgegriffen. Dieser Ansatz erforderte die Entwicklung einer astigmatisch-abbildenden Submillimeteroptik, um die Leistungsankopplung zwischen BWO und Frequenzverdreifacher zu verbessern. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit ein zweistufiger Phasennachlaufregelkreis zur Frequenzstabilisierung des LO-Ausgangssignals sowie ein leistungsstarkes Kühlsystem zur Beseitigung der Abwärme des BWOs entwickelt. Im LO integriert wurden ferner zahlreiche Schutzmechanismen die die Betriebssicherheit des LOs gewährleisten. Kapitel 1 dieser Arbeit ist als Einleitung zu verstehen. Hierin werden im ersten Teil astronomische Beobachtungen im Bereich der THz-Frequenzen motiviert und das SOFIA-Flugzeug und der GREAT-Empfänger vorgestellt. Der zweite Teil dieses Kapitels widmet sich den physikalischen Grundlagen von THz-Empfängern. Kapitel 2 gibt einen Überblick über aktuelle THz-Strahlungsquellen und motiviert die Verwendung von BWO-Röhren. Im nachfolgenden Kapitel 3 werden drei vorliegenden BWO-Röhren anhand einer Vielzahl von Messungen charakterisiert, bevor in Kapitel 4 der Aufbau des 1,9 THz LOs im Detail beschrieben wird. Hiernach finden sich in Kapitel 5 sämtliche Messungen die mit dem fertiggestellten LO-System durchgeführt wurden. Dies beinhaltet sowohl Testmessungen zur Charakterisierung des LO-Systems als auch die im Rahmen der Inbetriebnahme des 1,9 THz Kanals von GREAT getätigten Messungen. Im letzten Teil dieses Kapitel wird die Portabilität und Handhabbarkeit des entwickelten LO-Systems anhand einer Reihe von spektroskopischer Messungen demonstriert. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse, welche gleichermaßen als Ausblick zu verstehen ist.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Astronomical observations in the terahertz frequency range provide information about the development of interstellar matter in our universe. The detection of the fine structure transition of ionised atomic carbon CII at the frequency of 1.9 THz is of fundamental importance, since this transition is well recognized as the most important cooling line of dense molecular clouds and star-forming regions. It is desirable to study relevant sources concerning their dynamics, temperature and density with highest possible resolution both spatially and spectroscopically. Heterodyne receivers are particulary suitable for this purpose. This technology causes the astronomical signal to be transformed into a lower intermediate frequency by means of a local oscillator (LO) and allows further processing with low noise amplifiers. The purpose of this thesis is the development of the 1.9 THz LO for the multi-channel heterodyne receiver German REceiver for Astronomy at THz frequencies (GREAT), that will be used onboard the Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA). The 1.9 THz LO is based on a combination of a backward-wave oscillator (BWO) and a frequency multiplier. This approach required the development of astigmatic submillimeter optics in order to improve the power coupling between the BWO and the multiplier. Moreover, a two-stage phase-locked loop system has been designed to provide frequency stabilisation of the LO's output signal. A custom-build cooling system and numerous safety mechanisms have been additionally integrated into the LO-box. Chapter 1 of this thesis is the introduction. The first part of this chapter introduces astronomical observations in the THz range as well as the SOFIA aircraft and the GREAT receiver. The second part of the chapter defines the basic set-up of a THz-receiver. Chapter 2 discusses possible sources of THz-radiation and motivates the usage of BWOs while in the following Chapter 3 three existing BWO tubes are characterised within numerous measurements. The extensive Chapter 4 details the construction of the 1.9 THz LO. The final Chapter 5 presents all measurements performed with the fully-assembled LO system. The measurements comprise at first test measurements characterizing the LO system and continue with measurements that have been carried out during the initial testing of the GREAT 1.9 THz receiver channel. Moreover, the portability and manageability of the developed LO system is demonstrated within a series of spectroscopic measurements. The thesis ends with the conclusions and suggestions for further research.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Philipp, Martinphilipp@ph1.uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-23339
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    LO, SOFIA, GREAT, THz, BWOGerman
    LO, SOFIA, GREAT, THz, BWOEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: German
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 13 February 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 11 Jun 2008 14:07:03
    Referee
    NameAcademic Title
    Stutzki, JürgenProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2333

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