Kameras für die Astronomie bei Terahertzfrequenzen
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Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn Kameras für die Astronomie bei Terahertzfrequenzen Ernst Kreysa, Giorgio Siringo Max-Planck-Institut für Radioastronomie Viatcheslav Zakosarenko, Torsten May, Andre Krueger, Solveig Anders, Katja Peiselt, Hans-Georg Meyer Institut für Photonische Technologien Geschichte der Radioastronomie Motivation Detektor 1931 soll Karl Jansky für Bell Telephone Laboratories Richtung der Statik von Gewittern finden Baut 30m lange, 4m hohe Antenne SQUID Multiplexer Entdeckt: Systemaufbau b) Statik von entfernten Gewittern “First light” c) “a steady hiss type static of unkown origin” (von der Milchstrasse) (1935) a) Statik von lokalen Gewittern Karl Jansky vor seiner Antenne (1932) Radioastronomie im THz-Bereich Motivation • Detektor SQUID Multiplexer Systemaufbau • “First light” Kontinuumstrahlung – Kosmischer Hintergrund (Schwarzkörper mit 3 Kelvin) – Interstellarer Staub (Grauer Strahler mit 10-100 K) • Sternentstehung – wo sind die Protosterne? • Ferne Galaxien – wie haben sich die Sterne formiert? Spektrallinien (Emission oder Absorbtion) – Rotationsübergänge in Molekülen • CO, HCN, … (angeregte Zustände – warmes, dichtes Gas) – Feinstrukturübergänge in Atomen und Ionen • C, C+, N+, O, … – Struktur, Dynamik, Chemie von Sternentstehungsgebieten Sub-mm Radioastronomie: ein Beispiel Motivation Detektor „Big Bang“ (~13 Mrd. Jahre) SQUID Multiplexer Systemaufbau “First light” → Universum wird transparent Aufgeheizte Staubwolke emittiert Wärmestrahlung (Infrarot) Leuchtendes Objekt emittiert sichtbares Licht (z. B. Protostern) Rotverschiebung! → Submillimeterwellen → Heute Beobachtungsfenster Motivation • „Fern-Infrarot“: 30µm < λ < 300µm (nicht vom Boden aus ‚sichtbar‘) • „Submillimeter“ 300µm < λ < 1mm (teilweise im Gebirge ‚sichtbar‘) In Frequenzen: 1011-1013Hz Detektor SQUID Multiplexer Systemaufbau Wellenlänge (µm) “First light” Zum Vergleich: sichtbares Licht: Radio: λ ~ 0,5µm (1016Hz) λ ~ 3m (108Hz) Unser Standort Motivation ~350µm SQUID Multiplexer Transmission Detektor precipitable water vapour (Wassersäule) 0,3mm 0,6mm 1,2mm Systemaufbau “First light” Frequenz (GHz) • • Nahezu perfekte Beobachtungsbedingungen @ 870µm (345GHz) 350µm (850GHz) Fenster akzeptabel für ~10% der Beobachtungszeit Das „Atacama Pathfinder Experiment“ – APEX Motivation • auf 5000m Höhe in der Chilenischen Atacama Wüste Detektor • SQUID Multiplexer Einer der besten Beobachtungsstandorte für die sub-mm Radioastronomie • 12m Teleskop (Prototyp für ALMA) Systemaufbau • Oberflächengenauigkeit ≤20µm (rms) “First light” • Instrumentiert mit HeterodynReceivern und Bolometerkameras Detektorenkonzepte Motivation Detektor Detektion der Energie bzw. Leistung (inkohärent) oder der vollen Welleninformation (Amplitude und Phase) (kohärent) Inkohärenter Detektor (z.B. Bolometer) Quelle (Frequenz f) Kohärenter Detektor (z.B. Heterodyn) SQUID Multiplexer Systemaufbau Absorber Mixer LNA Zwischenfrequenz Wärmeleitfähigkeit G “First light” fixiertes T0 Lokaler Oszillator (Frequenz fLO) Anforderungen an die Beobachtungstechnik Motivation Detektor SQUID Multiplexer Systemaufbau “First light” 1. Maximale Empfindlickeit unter gegebenen Beobachtungsbedingungen („background limited operation“, „sky noise“) → Limitierung durch Photonenrauschen und Atmosphärenfluktuationen, nicht durch den Detektor! 2. Kartierung ausgedehnter Objekte → hohe Aufnahmegeschwindigkeit → viele Pixel, aber nicht zu Lasten der Empfindlichkeit! 3. Betrieb unter extremen Einsatzbedingungen → hoher Störpegel → Probleme mit flüssigen Kühlmedien Direkte Detektion radioastronomischer Signaturen Bolometrischer Detektor Absorber Motivation Wärmeleitfähigkeit G Detektor fixiertes T0 SQUID Multiplexer Systemaufbau Eigenrauschen (noise equivalent power NEP) limitiert durch thermische Fluktuationen im Wärmetransport “First light” → vorgegebenes Limit ist Photonenrauschen (in unserem Fall APEX @ 850GHz: ~10-15W/√Hz) → für praktikable Technologien (G ~ T3) ist T < 1K erforderlich! Kühlung auf 300mK → Motivation 3He → → Gas Detektor → SQUID Multiplexer Vorkühlung 1.5K (gepumptes 4He) Systemaufbau “First light” flüssiges 3He Sorptionspumpe Erniedrigung des Atmosphärendrucks über flüssigem 4He 1.5 K reichen um 3He zu verflüssigen Integrierte Sorptionspumpe erniedrigt Atmosphärendruck über 3He 300 Millikelvin Endtemperatur Technologische Realisierung Motivation Siliziumwafer Detektor Schwache thermische Leitfähigkeit realisiert durch Mebrantechnologie: ~1µm dicke freitragende Siliziumnitridschicht SQUID Multiplexer Systemaufbau 1mm Anpassung von G durch geeignete Strukturierung der Membran (“spiderweb”) Strukturierte Membran Absorber (Dipole) “First light” Thermometer (grün) und Verdrahtung (rot) Optionaler Goldring mit Wärmekapazität C (Anpassung der Zeitkonstante) Das Kantenbolometer im Konstantspannungsbetrieb Motivation 1. VBIAS entsprechend einem Arbeitspunkt im Supraleitungsübergang. Normalwiderstand RN Detektor 2. Bolometer erwärmt sich selbst mit PBIAS = VBIAS2/R SQUID Multiplexer 3. Gleichgewicht Kühlung ↔ Selbsterwärmung 4. Zusätzliche absorbierte Strahlungsleistung entspricht Temperaturanstieg Arbeitspunkt Systemaufbau 23 mK 300 350 400 450 “First light” T0 Badtemperatur TC kritische Temperatur 50 5. Selbsterwärmung reduziert sich automatisch wegen PBIAS ~ 1/R 6. → Stabiler Arbeitspunkt („elektrothermischer Feedback“) Bolometer bei 450mK Arbeitstemperatur Pixel für 350µm Motivation Detektor Systemaufbau “First light” Kritische Temperatur Tc [mK] SQUID Multiplexer 800 700 600 500 400 300 200 Rauschspektrum 100 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Dickenverhältnis dAuPd / dMo Thermometertechnologie: Mo/AuPd Bilayer, Tc einstellbar zwischen 800 und 100mK NEP von etwa 5·10-16W/√Hz äquivalent einer Leitfähigkeit G ~8nW/K Zeitkonstante ~ 1ms) SQUID-Auslese von Kantenbolometern Motivation RTES Detektor RBIAS SQUID Multiplexer Konstante Spannung: Strom durch kleinen Widerstand (RBIAS ~ RTES/50) Strahlungssignal bewirkt Reduktion der Selbsterwärmung und damit des Stromflusses Systemaufbau Stromsignal wird durch einen kalten Verstärker detektiert. “First light” „Superconducting quantum interference device“ SQUID: extrem empfindlicher Magnetfeldsensor, welcher das Stromsignal indirekt nachweist Zeitbereichsmultiplexen bias Motivation Detektor TES Digital control RBIAS SQUID Multiplexer sync active SQUID SQUIDamplifier RESET Systemaufbau Bias FLL Elektronic Out “First light” feedback 0.3K 1.5K 300K De-Multiplexen Motivation Detektor 1. Analoges Ausgangssignal wird digitalisiert (24 bit DeltaSigma-Wandlung) 2. Digitalisierte Daten werden FPGA-gesteuert in die ursprünglichen Kanäle sortiert A B SQUID Multiplexer A: Einschwingphase: (τ~10µs) B: Messperiode Systemaufbau “First light” Schaltpulse Dynamikbereich Dynamikbereich begrenzt durch periodische Charakteristik des SQUID-Verstärkers Motivation Detektor SQUID Multiplexer Systemaufbau “First light” Rekonstruktion per Software Dynamikberich durch Sättigung des Detektors begrenzt (etwa 30dB) Detektorchip und Multiplexer Motivation MUX-Chip @ 300mK: 10 SQUIDs on-chip in Reihe geschaltet Detektor SQUID Multiplexer Verstärker-SQUID @ 1.5K Systemaufbau “First light” Supraleitende Nb-Ti Verdrahtung Einkopplung der sub-mm-Strahlung Motivation Filter bei 77K Detektor Filter bei 4K SQUID Multiplexer Systemaufbau Aluminium-Hornantennen (37), als Teil der supraleitenden Abschirmung. “First light” λ/4 Typische Bandbreite (Kombination von Hoch- und Tiefpassfiltern): ± 10% Elektronik Motivation Detektor SQUID Multiplexer Systemaufbau “First light” Kryostatenkopf mit 4 SQUID-FLL, 4 Ringzähler für das Schalten der Erststufen-SQUIDs Layout skalierbar für große Arrays • • • 24bit A/D-Wandlung, FPGA gesteuertes Demultiplexen, Fernsteuerung via Ethernet (von Teleskop-Basisstation aus) Installation am Teleskop MUX-Elektronik Pumpleitung (4He) Motivation Detektor Optischer Shutter Eingangsfenster SQUID Multiplexer Systemaufbau “First light” Kryostat mit magnetischer Abschirmung (µ-Metal) Datenerfassung Erste astronomischeBeobachtungen Motivation Detektor SQUID Multiplexer Systemaufbau “First light” Sternenentstehungsgebiete im „Katzenpfotennebel“ NGC 6334 Kartierung innerhalb etwa einer Stunde Dank an die Kollegen vom MPIfR! Motivation Detektor SQUID Multiplexer Systemaufbau “First light”
