Universität zu Köln

Ricken, Oliver (2011). Aufbau, Charakterisierung und Inbetriebnahme des 1.4 THz Kanals des Heterodyn-Empfängers GREAT. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis describes the characterisation and commissioning of the heterodyne receiver "German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies" (GREAT) aboard of the airborne "Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy" (SOFIA). GREAT is a modular dual-channel-receiver designed for frequencies between 1.25 and 4.7 THz. Currently three single-pixel frequency channels are available. A fourth one is currently under construction and two multi-pixel systems are planned for 2014. In the frequency range observable with GREAT one can find a lot of transitions of molecules, such as rotational transitions of CO, and of atoms and ions, e.g the fine structure lines of C+ and O. Line emission of these transitions is often observed in photon-dominated regions (PDR) in space. These regions form at the edges of denser clouds of the interstellar medium which are illuminated by strong UV fields, e.g. of nearby OB-""stars. The UV-radiation heats up the gas and dust of the cloud and dissociates and ionizes the gas particles. These reactions depend on the intensity of the UV field, which drops down with increasing depth inside the clouds, and the density, which rises, leading to a characteristic stratification of the ions, atoms and molecules. After two short introductory chapters describing astronomy and receivers in the THz regime and especially the GREAT receiver and the SOFIA observatory, this thesis starts with a description of the build-up of the local oscillator (LO) for the L#1-channel (1.25-1.5 THz) of GREAT. This includes the design of a cross-channel LO housing and its certification by NASA and FAA. Then the used frequency multiplier chains, manufactured by Virginia Diodes Inc., are characterised. Afterwards the developed control electronics and security circuits for these chains are presented. The next chapter is dedicated to the commissioning of GREAT on SOFIA. GREAT's configuration during the first flights consisted of the L#1- and L#2-channel (1.82-1.92 THz). A short note on the adjustment of the cross-channel common optics is given. Then, the text presents a description of the developed alignment procedures and methods to derive the positions of the GREAT beam in SOFIA's focal plane and on its sub-reflector. Final values for pointing, telescope coupling and co-alignment between the two channels measured before the first and second flight series (April and July 2011) are given. The sensitivity and stability of the GREAT system are investigated. Noise temperatures of the L#1-channel lie in the range of 1200-1400 K, for the L#2-channel in the range of 1300-1800 K. The spectroscopic Allan times are above 100 seconds. The fifth chapter of this thesis presents results of the Cepheus B (CepB) project, one of the first observed with GREAT on SOFIA. CepB is part of a giant molecular cloud and shows sequential star formation. The UV radiation of a nearby OB star cluster illuminates the cloud surface, thereby creating several PDRs and possibly triggering new star formation processes. The existence of several embedded stars, including a luminous B-star, inside CepB is known. The aim of this project is to measure the dynamics of the triggering of star formation by UV radiation. [CII] and high rotational transitions of CO are used to trace the hot gas in CepB. A velocity resolved map containing the embedded star, two PDRs and two dense clumps was observed. Integrated-intensity maps are presented showing emission which is consistent with previous radio continuum and 13CO observations. A global velocity gradient across the map is visible in the velocity channel maps of [CII]. A value of (3.6 +/- 0.6) * 10^{-3} km/s*arcsec^{-1} was calculated which is consistent with former observations of Beuther et al. (2000). [CII] and CO(11-10) observations show a localized inversion of this gradient between the positions of two CO(11-10) emission maxima. Three possible scenarios are proposed for this discovery and further high resolution CO and [NII] observations to clarify this situation are suggested. Together with 13CO observations of Mookerjea et al. (2006), a clear stratification, consistent with the expected emission pattern of a simple 1-dimensional PDR, in a region of the map near the embedded star was observed. The embedded star is found to be the source of the UV radiation creating this PDR. The distances between the emission maxima were measured and compared with model calculations. The results are consistent with Mookerjea's and constrain the surface density of the PDR to 10^4 - 10^6 cm^{-3}.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit behandelt die Inbetriebnahme des Heterodyn-Empfängers "German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies" (GREAT) auf dem Flugzeugobservatorium "Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy" (SOFIA). GREAT beobachtet im THz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Hier finden sich viele Moleküllinien, z.B. Rotationsübergänge des CO, und Feinstrukturübergänge von Atomen und Ionen wie C+ und O. Sie werden oft in Photonen-dominierten Regionen (PDR) im Weltall angeregt. Diese entstehen in Randbereichen von dichteren Wolken des interstellaren Mediums, die starken UV-Strahlungsfeldern (6-13,6eV), z.B. von nahen OB-Sternen, ausgesetzt sind. Die UV-Strahlung heizt den Staub und das Gas der Wolke und dissoziert und ionisiert die Gasteilchen. Die Reaktionen finden in Abhängigkeit von der Dichte und dem Strahlungsfeld in der Wolke statt, so dass es zur Ausbildung einer charakteristischen Schichtabfolge der Ionen, Atome und Moleküle in diesen Randbereichen kommt. GREAT ist ein modularer 2-Kanal-Empfänger. Zur Zeit stehen drei Ein-Pixel-Frequenzkanäle zur Verfügung, ein vierter und zwei Multi-Pixel-Kanäle sind im Aufbau. Diese Arbeit beschreibt zunächst den Aufbau des Lokaloszillators (LO) für den L#1-Kanal (1,25-1,5 THz). Dieser bestand aus dem Entwurf eines universellen LO-Gehäuses und dessen Zertifizierung durch NASA und FAA. Weiter wird die Charakterisierung der verwendeten Frequenz-Vervielfacherketten des Herstellers Virginia Diodes Inc. erläutert und die entwickelten Steuerelektroniken und Schutzschaltungen erklärt. Alsdann wird die Charakterisierung und Inbetriebnahme von GREAT an SOFIA vorgestellt. Die Anfangskonfiguration von GREAT bestand aus dem L#1- und dem L#2-Kanal (1,82-1,92 THz). Die Justage der kanalübergreifenden Optik wird kurz angesprochen. Danach wird auf die Vermessung der GREAT-Optik und ihre Anpassung an die Teleskop-Optik eingegangen. Die Methoden zur Bestimmung der Strahlpositionen in der Fokalebene und am Subreflektor des Teleskops werden erklärt. Die erreichte Pointinggenauigkeit, die Ausleuchtung des Teleskops und das Co-Alignment zwischen beiden Kanälen vor den ersten zwei Flugserien (April und Juli 2011) werden aufgelistet. Im Anschluss werden die Empfindlichkeit des Systems (ausgedrückt als Rauschtemperatur) und die Stabilität (als spektroskopische Allan-Varianz-Zeit) behandelt. Der L#1-Kanal erreicht eine Rauschtemperatur über das Frequenzband von 1200-1400 K, der L#2-Kanal liegt bei 1300-1800 K. Die spektroskopischen Allan-""Zeiten betragen über 100 Sekunden. In einem zweiten Teil der Arbeit werden die ersten Ergebnisse von einem der ersten, mit GREAT beobachteten Objekte vorgestellt. Cepheus B (CepB) ist Teil der großen Molekülwolke im Sternbild Cepheus und zeigt sequentielle Sternentstehung. Die UV-Strahlung einer nahen OB-Sternen-Assoziation erzeugt in CepB verschiedene PDRs und ist möglicherweise Auslöser für weitere Sternentstehungsprozesse. So ist die Existenz junger, in CepB eingebetteter Sterne, inklusive eines leuchtkräftigen B-Sterns, bekannt. Das Ziel des Projekts ist die Untersuchung und Messung der Dynamik von Prozessen induziert durch UV-Strahlung, die zur Auslösung von Sternentstehung führen. Das heiße Gas in CepB wurde über den Feinstrukturübergang einfach ionisierten Kohlenstoffs [CII] und hoch angeregte CO-Rotationsübergänge (CO(11-10), CO(13-12)) detektiert. Geschwindigkeitsaufgelöste Karten einer Teilregion von CepB, die den eingebetteten Stern, zwei PDRs und zwei Dichte-Ansammlungen enthalten, wurden beobachtet. Die Karten mit integrierten Intensitäten des Bereichs sind konsistent mit früheren Radiokontinuumsmessungen und Beobachtungen in 13CO. Die Geschwindigkeitskanal-Daten zeigen einen globalen Geschwindigkeitsgradienten in [CII]. Der ermittelte Wert von (3,6 +/- 0,6) * 10^{-3} km/s*arcsec^{-1} stimmt mit jenem aus CO-Messungen von Beuther et al. (2000) überein. Eine lokale Umkehr dieses Gradienten ist in den CO(11-10)- und [CII]-Beobachtungen zwischen den Positionen zweier CO(11-10)-Maxima erkennbar. Drei mögliche Szenarien hierfür werden präsentiert und weitere hochauflösende CO- und [NII]-Beobachtungen zur Klärung des Sachverhalt werden vorgeschlagen. Unter Einbeziehung von 13CO-Messungen von Mookerjea et al. (2006) wurde eine klare Schichtstruktur in einem Bereich der Karte nahe dem B-Stern nachgewiesen und weiter untersucht. Die Abfolge entspricht der erwarteten einer einfachen 1-dimensionalen PDR. Diese PDR konnte dem eingebetteten Stern als Quelle der UV-Strahlung zugeordnet werden. Die Abstände der Schichtabfolge wurden vermessen und mit Modellrechnungen verglichen. Diese grenzen den Dichtebereich der PDR-Oberfläche auf 10^4 - 10^6 cm^{-3} ein. Die errechneten Werte sind konsistent mit Berechnungen von Mookerjea et al. (2006). German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ricken, Oliver ricken@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-48784
Date:	December 2011
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Instrumentation: heterodyne receiver, Techniques: spectroscopic, SOFIA, GREAT, Cepheus B English
Date of oral exam:	23 January 2012
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4878