Universität zu Köln

Optics and Cryogenics for the 1.1 THz Heterodyne Array Receiver for the APEX Telescope

Hurtado, Norma (2015) Optics and Cryogenics for the 1.1 THz Heterodyne Array Receiver for the APEX Telescope. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    This thesis is about the development of the optics and the cryogenics for the 1.1 THz Heterodyne Array Receiver to be mounted in the Nasmyth A cabin of the Atacama Pathfinder Experiment (APEX) telescope. The THz range is a still largely unexplored area in astrophysics because of the technological challenge for the receiver and telescope as well as the difficult atmospheric conditions. The APEX telescope, a modified Atacama Large Millimeter Array (ALMA) prototype antenna, with its 12 m dish is the largest submillimeter single-dish telescope in the world for THz frequencies, allowing a spatial resolution of few arcseconds, due to its location on the Chajnantor plateau, at 5100 m altitude in the chilean Andes, and its surface accuracy of 17 micro meter r.m.s. Observations in the 1.1 THz atmospheric window (1000 - 1080 GHz) from the ground have difficulties, but are still possible and productively usable if done with APEX. These difficulties, in addition to the fact that single pixel sensitivity is constrained by the quantum limit, make even more important the development of array receivers in this frequency band. Several important molecular transitions are located in this frequency range, observing them with high spectral resolution (> 10^6) will improve our understanding of the chemical and physical conditions in hot cores in the galactic Interstellar Medium (ISM) and, especially, in starburst galaxies and active galactic nuclei of external galaxies. The CO 9-8 line at 1036.9 GHz is a tracer for the warm and dense gas. OH+ at 1033 GHz and NH+ at 1012.6 GHz are important for the study of chemical networks in the ISM. These observations will contribute decisively to answer questions such as ``How do galaxies form and evolve?'' and ``How do stars form?''. The 1.1 THz Array Receiver is a cartridge-type receiver because of the several benefits that this concept provides which was first introduced for the ALMA receivers. It mainly means that several individual receivers, or cartridges, share one main cryostat. Among the benefits that this modularity provides is the fact that each cartridge can be assembled and maintained independently to the cryostat, reducing observing downtime at the telescope. The receiver could optionally be upgraded, in the future, with different mixer technology, operation frequency and number of pixels. Two easily removable cartridges were designed and built, each containing one sub-array of 9 pixels, organized in a 3x3 arrangement, observing the same frequency in orthogonal polarizations. The detecting elements will be Superconductor-Isolator-Superconductor (SIS) balance mixers which required an operation temperature below 4.5 K for their optimum performance. They are being developed in our institute and are not part of this thesis. However, their requirements are important inputs for the design of the cryogenics and the optics of the receiver. A cryostat that can house both cartridge modules and that provides the infrastructure together with the necessary low cryogenic temperature to the mixers was developed. To connect the cartridges to the cryostat thermally and mechanically we developed a new all-metal Thermal Link (TL). It consists of a crown-like ring made of aluminum and an Invar ring. All the receiver optics is fully reflective, thus avoiding the absorption and reflection losses of dielectric lenses and reducing standing waves in the receiver. To guarantee internal optics alignment, we employ, where possible, a monolithic integrated optics approach. The optics that is installed inside the cryostat and the cryogenics were built, mostly in our workshop, and assembled to be tested in the laboratory. Beam measurements of the optics were performed, in direct-detection mode, with our in house available single-ended Superconducting Hot Electron Bolometer (HEB) mixers. The provided temperature to both focal plane arrays was 4.4 K, in the latest tests, largely sufficient for the HEB mixers which operation temperature was around 6.5 K. The results of the optics tests have shown some misalignment inside of the cryostat. The source of the problem is most probably due to the cartridges positioning and not to the optics itself, but additional tests are needed. One of the two optics assemblies involved was tested individually and shows good results.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Diese Arbeit handelt von der Entwicklung der Optik und der Kühleinheit (``cryogenics'') für den 1.1 THz Heterodyn Array Empfänger, der in der Nasmyth A Kabine des Atacama Pathfinder Experiment (APEX) Teleskops installiert werden soll. Der THz Bereich ist ein immer noch grösstenteils unerforschtes Gebiet in der Astrophysik aufgrund der technologischen Herausforderungen für Empfänger und Teleskop sowie aufgrund der schwierigen atmosphärischen Bedingungen. Das APEX Teleskop, eine modifizierte Prototyp-Antenne des Atacama Large Millimeter Array (ALMA), ist mit seinen 12m Durchmesser das grö{\ss}te sub-mm Einzel-Antennen (single-dish) Teleskop der Welt für THz Frequenzen. Es hat eine räumliche Auflösung von einigen Bogensekunden aufgrund seiner Lage auf dem Chajnantor Plateau, 5100 m hoch gelegen in den Chilenischen Anden, und aufgrund seiner Oberflächengenauigkeit von 17{\textmu}m r.m.s.. Bodengebundene Beobachtungen in dem atmosphärischen Fenster bei 1.1 THz (1000-1080 GHz) sind schwierig, sind aber möglich und können produktiv mit APEX durchgeführt werden. Diese Schwierigkeiten, zusätzlich zu der Tatsache, dass die Empfindlichkeit der einzelnen Pixel durch das Quantenlimit begrenzt ist, machen die Entwicklung von Array-Empfängern in diesem Frequenzband noch wichtiger. Einige wichtige Energieübergänge von Molekülen liegen in diesem Frequenzbereich. Diese mit hoher spektraler Auflösung zu beobachten (> 10^6) ist wichtig für das Verständnis der physikalischen und chemischen Bedingungen in sogenannten ``hot cores'' im galaktischen Interstellaren Medium (ISM) und insbesondere auch in Starburst Galaxien sowie aktiven Kernen entfernter Galaxien (AGN). Die CO 9-8 Linie bei 1036.9 GHz ist ein Tracer für dichtes, warmes Gas. OH+ bei 1033 GHz und NH+ bei 1012.6 GHz sind wichtig beim Studium chemischer Netzwerke im ISM. Diese Beobachtungen werden entscheidend zur Beantwortung von Fragen wie ``Wie entstehen Galaxien und wie entwickeln sie sich?'' und ``Wie entstehen Sterne?'' beitragen. Der 1.1 THz Array-Empfänger ist ein sogenannter ``cartridge-type'' Empfänger, aufgrund der verschiedenen Vorzüge dieses, erstmals für die ALMA Empfänger eingeführten, Konzepts. Es bedeutet hauptsächlich, dass sich mehrere einzelne Empfänger, die sogenannten ``cartridges'', sich einen Haupt-Kryostat teilen. Zu den Vorteilen dieser Modularität gehört auch, dass jedes ``cartridge'' einzeln in den Kryostaten eingebaut und dort unterhalten werden kann, was Beobachtungsunterbrechungen am Teleskop reduziert. Der Empfänger kann optional in der Zukunft aufgerüstet werden, z.Bsp. mit anderer Mischer-technologie, anderen Beobachtungsfrequenzen und einer anderen Anzahl von Pixeln. Zwei, leicht austauschbare ``cartridges'' wurden entworfen und gebaut, jedes enthält ein Sub-Array mit 9 Pixeln, angeordnet in einer 3x3 Konfiguration, die bei gleicher Frequenz in orthogonalen Polarisationen messen. Die Detektorelemente werde Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS) balancierter Mischer sein, die zur optimalen Performance bei Temperaturen unter 4.5 K betrieben werden müssen. Sie werden an unserem Institut entwickelt und sind nicht Teil dieser Arbeit. Allerdings ist ihr Anforderungsprofil ein wichtiger Input für das Design der Küleinheit (cryogenics) und der Optik des Empfängers. Ein Kryostat, der beide ``cartridge'' Module aufnehmen kann und gleichzeitig die gesamte Infrastruktur, zusammen mit den erforderlichen niedrigen Temperaturen für die Mischer zur Verfügung stellt wurde von mir entwickelt. Um die ``cartridges'' thermisch und mechanisch mit dem Kryostaten zu verbinden entwickelten wir eine neue thermische Kopplung (TL) ausschlie{\ss}lich aus Metall, bestehend aus einem kronenartigen Aluminiumring und einem Ring aus Invar. Die gesamte Empfängeroptik ist voll reflektierend und vermeidet damit Absorptions- und Reflektionsverlust von dielektrischen Linsen und reduziert damit Stehwellen innerhalb des Empfängers. Um eine optimal Ausrichtung der internen Optik zu garantieren verwendeten wir, wenn möglich, eine monolithisch integrierte Optik. Die Optik, die innerhalb des Kryostaten verwendet wird, sowie die Küleinheit (``cryogenics'') wurden grösstenteils in unserer Werkstatt gebaut und in unserem Labor getestet. Strahlmessungen der Optik wurden im ``direct-detection'' Modus mit Hilfe hauseigener Hot Electron Bolometer (HEB) Mischer (single-ended) durchgeführt. In beiden Fokalebenen-Arrays wurde bei den letzten Tests eine Temperatur von 4.4 K erreicht - ausreichend für die supraleitenden HEB Mischer, deren Arbeitstemperatur bei ca. 6.5 K lag. Die Ergebnisse der Optiktests zeigten einige Fehlausrichtungen innerhalb des Kryostaten. Deren Ursache ist sehr wahrscheinlich die Positionierung der ``cartridges'' und nicht eine fehlerhafte Optik. Allerdings sind weitere Tests zu Abklärung nötig. Eine der beiden verwendeten Optik-Komponenten wurde separat getestet und zeigte gute Ergebnisse.Germanic languages
    Creators:
    CreatorsEmail
    Hurtado, Normanorma.hurtado@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-64721
    Subjects: Physics
    Technology (Applied sciences)
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    APEX; Heterodyne; Array; Receiver; 1.1 THz; Optics; Cryogenics; Thermal Links; Crartridge; CryostatEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 07 December 2015
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 23 June 2015
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 16 Dec 2015 16:27:35
    Referee
    NameAcademic Title
    Stutzki, JürgenProf. Dr
    Jolie, JanProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6472

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