Universität zu Köln

Brasse, Michael (2014). Design, Aufbau, Test und Integration der Empfänger-Optik des Stratospheric Terahertz Observatory. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Als Interstellares Medium (ISM) werden die Gas- und Staubwolken bezeichnet, die sich innerhalb einer Galaxie zwischen den Sternen befinden. Im ISM findet die Sternentstehung und -entwicklung in einer Galaxie statt. Es trägt damit zur Evolution einer Galaxie bei. Das “Stratospheric Terahertz Observatory“ (STO) ist ein ballongestütztes Observatorium gewesen, dessen Aufgabe in der großflächigen Kartierung von ionisiertem Kohlenstoff, C+, und ionisiertem Stickstoff, N+, im ISM der Milchstraße bestanden hat. In Zusammenarbeit zwischen der University of Arizona, dem Jet Propulsion Laboratory (JPL), dem Applied Physics Laboratory (APL), dem I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln und weiteren Partnern ist STO geplant, aufgebaut und im Januar 2012 von der Antarktis aus von einem Helium-Ballon in die Stratosphäre gezogen worden. Zur Detektion von N+ und C+ werden Feinstruktur-Übergänge der Ionen bei 1.4 THz und 1.9 THz beobachtet. Dazu ist ein Multipixel-Zweikanal-Heterodyn-Empfänger mit hoher spektraler Auflösung und jeweils vier Detektoren pro Frequenz aufgebaut worden. Die vorliegende Dissertation präsentiert das Design, den Aufbau, den Test und die Integration der Optik des STO-Heterodyn-Empfängers. Die Grundlage der Optik ist pro Frequenz ein Array-Diplexer, der auf einem doppelt-konfokalen Ring-Fabry-Perot-Interferometer (tcFPI) basiert. Der Array-Diplexer überlagert gemäß Heterodynprinzip das vom Teleskop eingefangene, astronomische Signal mit einem monochromatischen Referenzsignal, das von einem Lokaloszillator erzeugt wird. Die weitere Optik stellt die Kopplung des Teleskops, der Lokaloszillatoren und der Detektoren an die Diplexer her. In meiner Diplomarbeit ist ein 800 GHz-tcFPI entstanden und erfolgreich getestet worden. Hier sind für STO ein 1.4 THz-tcFPI und ein 1.9 THz-tcFPI entworfen worden. Das 1.9 THz-tcFPI ist in einem Labor-Heterodyn-Empfänger vollständig charakterisiert worden. Die Messungen haben zu einer Empfänger-Rauschtemperatur Trec von ungefähr 1000K geführt. Die beiden tcFPIs sind in der STO-Empfänger-Optik als Array-Diplexer implementiert worden. Das Optik-Design ist unter Berücksichtigung des Rahmens optimiert worden, der der Optik durch den Aufbau von STO und durch seine übrigen Komponenten gesetzt worden ist. Nach ihrer Herstellung ist die Empfänger-Optik in Vorbereitung auf den Start im STO-Instrument integriert und ihre Funktionsweise getestet worden. Dabei sind Probleme festgestellt worden, die im Verlauf der Vorbereitungen verringert worden sind. Zum Abschluss der Start-Vorbereitungen sind Empfänger-Rauschtemperaturen Trec von ungefähr 6000K für den 1.9 THz-Kanal und Trec von ungefähr 10000K für den 1.4 THz-Kanal gemessen worden. Aufgrund einer Vielzahl von Problemen ist der darauffolgende Observationsflug von STO ohne nennenswerte, astronomische Resultate geblieben. Das tcFPI steht zum Einsatz als Array-Diplexer in zukünftigen, astrono-mischen Instrumenten, wie zum Beispiel upGREAT, bereit.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language The gas and dust clouds which are located in between the stars in the galaxy are called the Interstellar Medium (ISM). In the ISM the formation and evolution of stars in the galaxy takes place. The ISM contributes therefore to the evolution of the galaxy. The Stratospheric Terahertz Observatory (STO) was a balloon-bourne observatory with the purpose to map the ionized carbon, C+, and the ionized nitrogen, N+, in the ISM of the Milky Way. In a collaboration between the University of Arizona, the Jet Propulsion Laboratory (JPL), the Applied Physics Laboratory (APL), the I. Physical Institute of the University of Cologne and further contributors STO was planned and built up. In January 2012 STO was launched by a helium balloon from Antarctica into the stratosphere. To detect N+ and C+ a multi-pixel heterodyne receiver with high spectral resolution and four detectors per frequency band was developed to observe the fine structure lines of the ions at 1.4 THz and 1.9 THz. In this thesis the design, the assembly, the test and the integration of the optics for the STO heterodyne receiver is presented. The optics consists mainly of two array-diplexer, one per frequency band, which are based on a twin-confocal Ring-Fabry-Perot-Interferometer (tcFPI). According to the heterodyne principle the array-diplexer superimposes the astronomical signal from the telescope and the monochromatic reference signal, which is generated by a local oscillator. The receiver optics couples the telescope beam, the local oscillator beams and the detector beams to the diplexer. A 800 GHz-tcFPI was developed and successfully tested in my Diploma thesis. Here, a new 1.9 THz-tcFPI, which design was similar to the one implemented in the optics for STO, was completely characterized inside a laboratory heterodyne receiver set-up. The measurements showed a receiver noise temperature Trec of approximately 1000K. In the receiver optics for STO two tcFPIs were implemented as array-diplexer. The optics design was optimized in consideration of the boundaries set by the structure of STO and the other components of the instrument. After its fabrication the receiver optics was integrated into the STO instrument. During the preparations for operations the functionality of the optics was tested. Measures were taken to reduce the problems that came up during the testing. At the end of the testing phase, shortly before the launch, receiver noise temperatures for the two frequencies bands were measured. They showed a Trec of approximately 6000K for 1.9 THz and a Trec of approximately 10000K for 1.4 THz. Because of a multitude of problems the flight of STO resulted in no usable astronomical data. The tcFPI is ready for usage as an array-diplexer in next generation astronomical instruments such as upGREAT. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Brasse, Michael mbrasse@smail.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-57697
Date:	February 2014
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 Astrophysik, Empfängerbau, Optik, Diplexer, Interferometer German
Date of oral exam:	April 2014
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr. Reiter, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5769