MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002

3.
Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects

3.2    IR / Submillimeter Astronomie / IR / Submillimeter Astronomy

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme von CONICA am VLT und seiner Übergabe an die europäischen Astronomen hat unser Instrumentierungsprogramm im nahen Infrarot Teleskope der 8m-Klasse erreicht. Die hervorragenden CONICA-Aufnahmen des Zentrums unserer Milchstraße zeugen vom großen Potential hochaufgelöster und empfindlicher Beobachtungen im nahen Infrarot. Als nächste unserer Nahinfrarot-Instrumente werden SPIFFI für Gastbeobachtungen am VLT in 2003 und der PARSEC-Laser für die VLT-Laserleitsterneinrichtung in Betrieb gehen. Gleichzeitig unternehmen wir große Anstrengungen für unser Instrumentierungsprogramm im fernen Infrarot, mit dem großen Projekt PACS für das Herschel Space Observatory und mit FIFI-LS für das Flugzeugteleskop SOFIA. Damit wird uns eine neue Instrumentengeneration für viele Wellenlängen, spektrale und räumliche Auflösungen zur Verfügung stehen, um zentrale Fragen, zum Beispiel zur Entwicklung von Galaxien, zu untersuchen. With the successful commissioning of CONICA at the VLT and its handover to the European community, our near-infrared instrumentation program has reached 8m class telescopes. CONICA"s superb data for the center of our Galaxy are evidence for the great potential of high resolution, sensitive near-infrared observations. Our next near-infrared instruments to go online are SPIFFI, scheduled for guest instrument observation at the VLT in 2003 and the PARSEC Laser for the VLT laser guide star facility. At the same time, we devote large efforts to our far-infrared instrumentation program with the major development of PACS for the Herschel Space Observatory, and FIFI-LS for the SOFIA airborne telescope. A new generation of instruments will thus become available to us to tackle key questions, for example related to the evolution of galaxies, over a wide range of wavelengths and spectral and spatial resolving powers. "
Für das Herschel Space Observatory der ESA, das im Frühjahr 2007 gestartet wird, trägt das MPE als PI-Institut innerhalb eines europäischen Konsortiums aus 14 Instituten in 6 Ländern die Verantwortung für den Bau und Betrieb eines der drei Fokalebeneninstrumente. PACS (Photodetector Array Camera & Spectrometer) ist ein abbildendes Photo/Spektrometer für den Wellenlängenbereich 57-210 µm. For the Herschel Space Observatory, an ESA cornerstone mission to be launched in spring 2007, MPE as the PI-institute in a European consortium of 14 institutes from 6 countries, is taking the lead in the construction and operation of one of the three focal plane instruments. PACS (Photodetector Array Camera & Spectrometer), will be an imaging photo/spectrometer for the wavelength range 57-210 µm.
Im Photometriebetrieb arbeitet PACS gleichzeitig in zwei Wellenlängenbändern, 60-85 oder 85-130 µm und 130-210 µm. Dazu werden zwei Bolometer-Arrays mit 16x32 bzw. 32x64 Pixel eingesetzt. Die überlegene Empfindlichkeit und Winkelauflösung wird vor allem bei tiefen Durchmusterungen zum Tragen kommen, die uns einzigartige Information über die Entstehung von Galaxien im frühen Universum geben werden sowie neue Einblicke in die Sternenstehung im Innern von Molekülwolken. Im Spektroskopiemodus wird PACS ein Gesichtsfeld von ~50"x50" abdecken und dabei für jeden der 5x5 Bildpunkte gleichzeitig ein Linienspektrum mit einer Auflösung von ~170 km/s erzeugen. Dies wird ermöglicht durch einen optischen Bildfeldzerleger in Verbindung mit einem Gitterspektrographen. Als Detektoren dienen 2-dimensionale Detektorarrays aus 25x16 gedrückten Germanium-Photoleitern. Damit sind z.B. detaillierte Untersuchungen an Galaxien und ihren Kernregionen möglich bis hin zu einer Bestimmung der Energiequellen hoch rotverschobener, ultraleuchtkräftiger Objekte. In photometry mode, PACS will image simultaneously in two wavelength bands, 60-85 or 85-130 µm and 130-210 µm. This is facilitated by two bolometer arrays with 16x32 and 32x64 pixels, respectively. The superior sensitivity and angular resolution will be crucial, particularly for deep surveys which will give us unique information about the formation of galaxies in the early Universe, as well as new insight into star formation inside nearby molecular clouds. In spectroscopy mode PACS will cover a field-of-view of ~50"x 50" and simultaneously produce a line spectrum for each of the 5x5 spatial pixels with a spectral resolution of ~170 km/s. This is made possible by an optical image slicer which is feeding a grating spectrograph. As detectors we use 2-dimensional arrays of 25x16 stressed germanium photoconductors. This allows, for example, detailed studies of galaxies and their nuclei including a discrimination of the energy sources in highly redshifted, ultraluminous objects.
Eine der großen Aufgaben in diesem Jahr war die Fertigung der Untereinheiten für das Strukturmodell sowie das Qualifikationsmodell der Fokalebeneneinheit. Diese extrem gewichtsreduzierten Strukturen (Abb. 3-5) müssen die optische Präzision des Instruments nach Abkühlung auf Heliumtemperatur gewährleisten, was eine aufwändige Fertigung in mehreren Schritten und mit mehrfachem Kryotempern erforderte. Der Ablauf dieser ebenso anspruchsvollen wie umfangreichen Arbeiten wurden von der mechanischen Werkstatt organisiert und im Haus sowie bei den Feinmechanischen Werkstätten Markl (Deisenhofen) durchgeführt, in enger Absprache mit den Konstrukteuren bei Kayser-Threde. One of the big challenges this year was the manufacture of the subunits for the structural/thermal model and for the qualification model. These extremely light-weighted structures (Fig. 3-5) have to maintain the optical precision of the instrument after cool-down to helium temperature, which required a very elaborate manufacture process in several steps with multiple cryo-tempering. Our mechanical shop was responsible for the organization of this extensive and demanding work which was performed partly in house, partly at Feinmechanische Werkstätten Markl (Deisenhofen), in close coordination with the design engineers at Kayser-Threde.
Abb. 3-5: Eine der 5 Untereinheiten der PACS-Struktur (Eingangsoptik mit Chopper, Größe ca. 60x40x20 cm). Zur Gewichtseinsparung und zum Erreichen der geforderten Fertigungstoleranzen sind diese sehr komplexen Strukturen jeweils aus dem Vollen gefräst.

Fig. 3-5: One of the 5 subunits of the PACS structure (entrance optics with chopper, size about 60x40x20 cm). To reach the required lightweighting factor and manufacturing tolerances, each of these very complex structures have been milled out of one block.

Die Fertigung der Module für die zweidimensionalen Germanium-Detektorarrays bei ANTEC (Kelkheim) machte zwar den vorgesehenen Fortschritt, jedoch ergaben sich bei der Beistellung der kryogenen Ausleseelektronik erhebliche Verzögerungen, die aussagekräftige Messungen an der kompletten Detektionskette bisher nicht zuließen. Konstruktion und Fertigung der Detektorgehäuse am MPE sind nahezu abgeschlossen, ihre Integration in die Fokalebeneneinheit wird derzeit am Strukturmodell erprobt. Die kryogene Ausleseelektronik für die Detektoren, die bei IMEC (Leuven) entwickelt wird, bleibt eine der größten Herausforderungen des Projektes. Zwar wurden inzwischen die meisten Spezifikationen erfüllt, ein erhöhtes Eingangsstromrauschen konnte bisher aber nicht beseitigt werden. IMEC, MPE und MPIA arbeiten gemeinsam an einer Lösung dieses Problems. The manufacture of the modules for the two-dimensional germanium detector arrays at ANTEC (Kelkheim) made progress according to plan, but the provision of the cryogenic readout electronics was substantially delayed . This delay prevented any meaningful measurements of the complete detection chain. Design and manufacture of the detector housings at MPE have been nearly completed, their integration into the Focal Plane Unit is presently being practiced with the structural model. The cryogenic readout electronics for the detectors which is developed at IMEC (Leuven) remains one of the major challenges of this project. Most of the specifications have been met by now, but some excess input current noise could not be removed, yet. IMEC, MPE, and MPIA are working together to find a solution for this problem.
Die Entwicklung der Bolometereinheit bei CEA (Saclay) hat sowohl im Bereich der Bolometer selbst als auch des 0.3 K Kühlers wichtige Meilensteine erreicht. Der Kühler hat nach anfänglichen Problemen und Änderungen in der Konstruktion die kritischen Schütteltests bestanden. Bei den Bolometer-Arrays und ihrer Ausleseelektronik wurde ein regelrechter Durchbruch erzielt: Empfindlichkeit, Bandbreite und Rauschwerte der gesamten Detektionskette eines 16x16 Subarrays haben die angestrebten Werte erreicht und somit die Machbarkeit der Fokalebenen-Arrays für das Photometer endgültig nachgewiesen. The development of the bolometer unit at CEA (Saclay) has reached important milestones both in the area of the bolometers proper but also for the the 0.3 K sorption cooler. The cooler - after initial problems and some design changes - has passed the critical vibration tests. In the area of the bolometer arrays and their readout electronics a real breakthrough has been achieved: responsivity, bandwidth, and noise of the entire detection chain of one 16x16 subarray have reached the target values, ultimately demonstrating the feasibility of the photometer focal plane arrays. "
Als wichtige Untereinheiten des Fokalebenen-Einheit werden am MPIA (Heidelberg) der Chopper und bei CSL (Liege) die Gitterbaugruppe entwickelt. Für beide kryogenen Präzisionsmechanismen wurden Entwicklungsmodelle erfolgreich getestet. Die Lebensdauertests am Chopper mit 650 Millionen Lastwechseln wurden kürzlich ohne jede Leistungseinbuße abgeschlossen. Beim Gitterantrieb traten Probleme mit der Startverriegelung auf, die derzeit neu gebaut wird. Nach erfolgreicher Fertigung und einer Reihe von Tests an einem verkürzten Modell des Beugungsgitters wurde mit der Fertigung des Qualifikationsmodells in voller Größe begonnen. Two important subunits of the focal plane unit, the chopper and the grating assembly, are being developed at MPIA (Heidelberg) and CLS (Liege), respectively. For both high-precision cryo-mechanisms development models have been successfully tested. The lifetime tests of the chopper with 650 Million load cycles have been completed recently without any performance degradation. In the grating drive mechanism problems occurred with the launch lock which is presently being modified. After the successful ruling of a reduced size model of the diffraction grating and a series of tests, the manufacture of the full-size qualification model has started.
Der Bau der Ingenieurmodelle für die warmen Elektronikeinheiten bei unseren Partnern IAC (Teneriffa), IFSI (Rom) und CSL (Liege) wurde abgeschlossen; Tests auf Instrumentenebene wurden im Sommer 2002 am MPE durchgeführt. Dabei traten eine Reihe von Problemen mit Hardware und Software auf, an deren Behebung jetzt gearbeitet wird. Durch die frühzeitige Testkampagne ist der Zeitplan des Projekts davon jedoch nicht betroffen. Die Charakterisierung und Eichung des Instruments erfolgt in der Verantwortung des MPE. Inzwischen wurde die Konstruktion aller benötigten Eich- und Testeinrichtungen weitgehend abgeschlossen und die Fertigung am MPE und bei externen Werkstätten ist in vollem Gang. Der Bau des großen Testkryostaten zur Eichung des Gesamtinstrumentes bei Cryovac (Troisdorf) ist bereits weit fortgeschritten. The development of the engineering models for the warm electronics units by our consortium partners, IAC (Tenerife), IFSI (Rome), and CSL (Liege), has been finished; instrument level tests have been performed at MPE in the summer of 2002. A number of problems with hardware and software occurred and need to be fixed as an ongoing effort. Thanks to the early test campaign, the project schedule is not affected by the identified problems. MPE is responsible for the complete characterization and calibration phase of the instrument. Meanwhile, the design of all required test- and calibration equipment is nearly complete, and the manufacture at MPE as well as external shops is in full progress. The construction of the large test cryostat for the calibration of the integrated instrument at Cryovac (Troisdorf) is already quite advanced.
Die Zusammenarbeit mit Alcatel (Cannes) als Hauptauftragnehmer für das Herschel/Planck-Projekt sowie Astrium (Friedrichshafen) als Unterauftragnehmer für den Herschel-Kryostaten wurde aufgebaut; in der Zwischenzeit haben wir gemeinsam viele kritische Schnittstellen geklärt und an einem integrierten Zeitplan für den Bau und die Tests auf Instrumenten- und Systemebene gearbeitet, der einen Start im Frühjahr 2007 sicherstellen soll. The collaboration with Alcatel (Cannes) as the prime contractor for the Herschel/Planck project and with Astrium (Friedrichshafen) as the subcontractor for the Herschel cryostat has been established; meanwhile we have, together with industry, clarified many critical interfaces and have worked on an integrated schedule for the development and tests on instrument and system level to ensure a launch in the spring of 2007.
MPE beheimatet auch das Instrument Control Center (ICC) für PACS, verantwortlich für Softwareentwicklung, Eichung und Betrieb. In diesem Jahr war ein Hauptschwerpunkt unserer Arbeit die Vorbereitung der Eichverfahren, Kommandoprozeduren und Software für die Instrument Level Tests sowie eines Instrumentsimulators. Die ersten Softwaresysteme, besonders zur Kommandierung, wurden bereits während der Tests der warmen Elektronik eingesetzt. MPE also hosts the Instrument Control Center (ICC) for PACS, responsible for software development, calibration and operations. This year, a main focus of our work was the preparation of calibration methods, command procedures and software to be used in the Instrument Level Tests and of an instrument simulator. The first software systems, in particular in the commanding area, were already used during tests of the warm electronics.
Mit den 2002 erzielten Fortschritten liegt das SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) Projekt im konsolidierten Zeitplan (erster Flug 2004). Am MPE entwickeln wir mit FIFI LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) eines der beiden deutschen Instrumente der ersten Generation für SOFIA. Um die Beobachtungseffizienz zu optimieren wird erstmals für Beobachtungen im fernen Infrarot ein feldabbildendes Spektrometer aufgebaut. Das Instrument besitzt zwei unabhängige Gitterspektrometer mit mittlerer Auflösung (R~1700), welche zwei großflächige Ge:Ga Detektorarrays von jeweils 25x16 Pixel ausleuchten. Dieses Jahr haben wir das erste "gedrückte" Gesamtarray für das ferne Infrarot fertiggestellt, weltweit das Größte seiner Art. The SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) project is proceeding on a consolidated schedule (first flights 2004) with significant progress during 2002. At MPE, we are developing one of the two, first generation German instruments for SOFIA: FIFI LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer). To optimize observing efficiency, we use for the first time in the far-infrared an integral field spectrometer with two independent, separate medium resolution (R~1700) grating spectrometers with common fore-optics feeding two large format Ge:Ga arrays of 25x16 pixels each. This year, we have completed the first total "stressed" array for the far infrared, the largest of its kind worldwide.
In diesem Jahr konnte ein Großteil der optischen Komponenten von FIFI LS, z.B. die großen Kollimatorspiegel, beschafft werden. Die räumliche Umordnung des Bildfeldes wird durch drei spezielle, in Fünfergruppen angeordnete Spiegel erreicht. Diese so genannten Bildfeldzerleger (Abb. 3-6) zerschneiden das zweidimensionale Bildfeld von 5x5 Pixel in 5 Reihen und arrangieren diese dann entlang einer einzigen, 25 Pixel langen Reihe, entsprechend dem Eintrittsspalt eines traditionellen Spaltspektrografen. Um die Optik kompakt zu halten werden in beiden Spektrometern anamorphotische Kollimatoren eingesetzt, welche die Eingangspupille auf die Beugungsgitter abbilden. Hier wird das Bild spektral zerlegt und dem Detektorarray zugeführt. So wird der komplette Datenkubus (spektrale- und Ortsinformation) aufgezeichnet. This year, we where able to procure most of the optical components of FIFI LS including the large size collimator mirrors. The integral field or spatial multiplexing design is achieved by using an optical slicer (Fig. 3-6). These three specialty mirrors, in sets of five, slice the 2D image of 5x5 pixels into 5 rows, then optically rearrange the 5 rows into a single 1-D row of 25 pixels - effectively a traditional long slit. The slit is then passed through anamorphic collimating mirrors, which keep the optics compact in the cross-dispersion direction, and onto a grating. The grating spectrally disperses the images of the slit that is then imaged onto the detector arrays. In this manner, the entire data cube (spectral and spatial information) is then obtained.
Abb. 3-6: Ein Bildfeldzerleger, wie er in FIFI LS zur räumlichen Umordnung des zweidimensionalen Bildfeldes entlang eines eindimensionalen Pseudospalt eingesetzt wird. Die Abbildung rechts zeigt den Blick "rückwärts" durch den Bildfeldzerleger und illustriert, wie der Bildfeldzerleger ein zerschnittenes Bild eines Kreises optisch wieder zusammensetzt.

Fig. 3-6: An optical image slicer as used in FIFI LS to rearrange the two dimensional field of view into a one dimensional pseudo slit. The image on the right shows the view "backwards" through the slicer and illustrates, how a cut image of a circle is optically recombined by the slicer.

Im Zuge der Lufttauglichkeitsprüfung durch die FAA wurden in diesem Jahr die Konstruktionszeichnungen sowie die Finite-Elemente-Analysen des Kryostaten und der Haltestruktur zur Begutachtung eingereicht. Außerdem wurden die Tests der kryomechanischen Komponenten wie Gitterantrieb und mechanische Durchführungen fortgeführt. Nicht zuletzt wurden die Arbeiten an den Elektronikkomponenten für FIFI LS fortgesetzt. For the airworthiness design review that is required by the FAA, we where able to submit the actual design of the cryostat and the mounting structure including a complete finite-element analysis for review by the FAA. In addition, testing for the critical cryo-mechanisms such as grating drive and mechanical feed throughs has been continued. Finally, we have continued work on the components of the FIFI LS electronics.
Ferninfrarot-Detektoren auf der Basis von n-leitendem Galliumarsenid mit sogenannter "Blocked Impurity Band (BIB)"-Struktur würden bei einer Betriebstemperatur um 1.6 K bis zu ca. 320 µm Wellenlänge empfindlich sein und könnten aufgrund ihrer monolithischen Bauweise die Verwirklichung großer zweidimensionaler Arrays zulassen. Dies ist das Ziel unserer laufenden Aktivitäten. Dazu sind - wie Simulationen zeigen - mehrere anspruchsvolle Eigenschaften der Detektorstruktur einzuhalten: Die Sperrschicht muss extrem rein sein, die infrarotabsorbierende aktive Schicht muss kontrolliert mit z.B. 4x1015 Tellur-Atomen pro cm3 dotiert werden, die Übergangszone zwischen Sperrschicht und aktiver Schicht muss innerhalb von 1 µm drei Größenordnungen Unterschied in der Dotierungsrate sicherstellen. Far infrared detectors based on n-type gallium arsenide having a "blocked impurity band" type structure (BIB) could extend the sensitivity range up to about 320 µm wavelength at an operating temperature of 1.6 K. Realization of large format two dimensional arrays through the use of a planar multi-layer concept seems to be feasible. This is the aim of ongoing activities now. Numerical modelling suggests several demanding requirements on the detector materials: The GaAs blocking layer needs to have ultra high purity, the IR absorbing active layer requires a controlled donor doping with 4x1015 Tellur atoms/cm3, the interface between blocker and absorber has to assure a steep gradient over three orders of magnitude in doping rate within 1 µm.
Unsere Aktivitäten erfolgen in einer internationalen Zusammenarbeit von MPE, UCB, LBNL und der Fairfield Universität. Mit der Inbetriebnahme der Flüssigphasenepitaxie-Zentrifuge an der Universität in Berkeley vor zwei Jahren haben wir die Voraussetzung zur Herstellung größerer GaAs Wafer geschaffen. In diesem Jahr wurde ein Physiker zur Durchführung der Forschungsarbeiten bzw. zur Betreuung der Anlage eingestellt. Probeläufe zur Erzielung optimierter Betriebsparameter und zur Erlangung höherer Materialreinheit dauern an. Detaillierte Untersuchungen an den jeweils gezüchteten Schichten erfolgen unmittelbar im Anschluss an die Herstellung in den Labors der Partner, dabei werden unterschiedliche elektrische und spektroskopische Messverfahren eingesetzt. Das Forschungsprogramm konzentriert sich zur Zeit vorrangig auf die Lösung der Probleme mit der geforderten Materialreinheit und optimierter Kristallstruktur. Ein Antrag auf zusätzliche Fördermittel von seiten NASA wurde gestellt. Our activities are carried out in an international cooperation between MPE, UCB, LBNL and Fairfield University. A liquid phase epitaxy centrifugal growth facility was set into operation at the Physics Department of UCB two years ago, a prerequisite for production of larger sized wafers. This year, UCB hired a physicist to increase the manpower dedicated to the research program and operation of the centrifuge. Currently, growth runs for optimizing operational parameters and improving material purity are in progress. Detailed investigations of the grown GaAs samples are performed in the laboratories of the partners with different electrical and spectroscopic characterization methods. The present development program concentrates on solving the problems with ultra pure GaAs material and optimized crystallographic properties. A NASA research proposal has been submitted asking for additional funding.
CONICA/NAOS, ein Nah-Infrarot (1-5 µm) Instrument für beugungsbegrenzte Abbildung und Spektroskopie, lieferte erstmals am 25. November 2001 am VLT Bilder. Danach folgten bis August 2002 umfangreiche Tests und die Einbindung des Instrumentes in die VLT Software-Umgebung. Während dieser Zeit konnten insbesondere die spektakulären beugungsbegrenzten Aufnahmen des galaktischen Zentrums gewonnen werden. Seit Oktober 2002 steht CONICA/NAOS allen Astronomen zur Verfügung. CONICA/NAOS, the diffraction limited imager and spectrograph for the near-infrared (1-5 µm) spectral range, received first light at the VLT on 25 November 2001. This event was followed by extensive commissioning and software adaption to the VLT system which lasted until August 2002. During this period it was possible to obtain in particular the spectacular diffraction limited images of the Galactic center. CONICA/NAOS is available to the ESO community since October 2002.
Abb. 3-7: Das abbildende Spektrometer SPIFFI bei den Tests am Teleskopsimulator im Integrationslabor des MPE. Das Instrument ist für Beobachtungen im Infraroten mit flüssigem Stickstoff vollständig auf -190° C gekühlt.

Fig. 3-7: The imaging spectrometer SPIFFI mounted to the telescope simulator in the MPE integration hall. The complete instrument is cooled with liquid Nitrogen to -190° C to allow observations at infrared wavelengths.

Nachdem wir im vorigen Jahr die Konstruktion für das SPIFFI (SPectrometer for Infrared Faint Field Imaging) Instrument erfolgreich abschließen konnten, war in diesem Jahr die Zeit reif, die Pläne in die Realität umzusetzen. SPIFFI ist ein abbildendes Spektrometer, das mit Hilfe eines Bildzerlegers in einer einzelnen Belichtung die Spektren von über 1000 Punkten aus einem zweidimensionalen Bildfeld aufzeichnen kann. Die Empfindlichkeit ist im gesamten nahinfraroten Wellenlängenbereich von 1 bis 2.5 mm hervorragend, da das Instrument komplett mit flüssigem Stickstoff auf -190°C gekühlt ist, und die spektrale Auflösung hoch genug ist, um zwischen den im Infraroten hellen Nachthimmelslinien beobachten zu können. Im Sommer konnten wir das Instrument erstmals im Labor in Betrieb nehmen, und dann am Jahresende zum Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile transportieren. In der Zeit nach der ersten Inbetriebnahme im Labor bis zum Versand des Instruments im Dezember wurde SPIFFI ausführlich getestet, und dabei die Optik und Elektronik weiter optimiert. Die Abb. 3-7 zeigt SPIFFI am sogenannten Teleskopsimulator, mit dem die Funktion des Geräts bei verschiedenen Stellungen des Teleskops überprüft wird. SPIFFI soll im Frühjahr 2003 für eine mehrwöchige Beobachtungsperiode am VLT genutzt werden. Im Jahr 2004 wird SPIFFI dann mit einer von der ESO entwickelten adaptiven Optik kombiniert, und anschließend den europäischen Astronomen für beugungsbegrenzte Beobachtungen zur Verfügung stehen. After finalizing the design of the SPIFFI (SPectrometer for Infrared Faint Field Imaging) instrument successfully in 2001, the time has come this year to make the dreams come true. SPIFFI is an imaging spectrometer, which is based on a so called image slicer, and which allows to observe the spectra of more than 1000 image points of a two dimensional field in a single exposure. With its high spectral resolution, which allows to observe between the bright infrared night sky emission lines, and by cooling the complete instrument to -190°C with liquid Nitrogen, SPIFFI provides optimum sensitivity over the whole near-infrared wavelength range from 1 to 2.5µm. We could put SPIFFI into operation for the first time this summer, and moved the instrument to the Very Large Telescope of the European Southern Observatory in Chile at the end of the year. In the time between the first laboratory operation and the transport of SPIFFI in December, we could extensively test the instrument, and further optimize its optics and electronics. Fig. 3-7 shows SPIFFI at the so-called telescope simulator to test the functionality of the instrument for varying observing conditions. We plan to operate SPIFFI for a several weeks observing period at the VLT in the beginning of 2003. A year later, SPIFFI will be combined with an adaptive optics build by ESO, and will then be offered to all European astronomers for diffraction-limited observations.
PARSEC, der Laser für das Laserleitsternsystem des VLT, hat dieses Jahr zwei wichtige Schritte erfolgreich hinter sich gebracht. Auf den Laserauswahltest zur Demonstration des Arbeitsprinzips folgte kurz darauf die endgültige Entwurfsprüfung. Im Sommer wurden die vier Verdi V10 Festkörperlaser geliefert, die zum Pumpen der Farbstoffstrahlen im Verstärker benutzt werden. Mit nur zwei davon erreichte der Prototyp von PARSEC eine Ausgangsleistung von 10.5 W, ein hervorragendes Ergebnis das andeutet was mit allen vier Pumplasern möglich sein sollte. Einer der wichtigsten Beiträge zu diesem Ergebnis ist der Entwurf der Phasenkopplung, die einen zusätzlichen roten Laser benutzt, um die Länge des Verstärkerhohlraums zu stabilisieren. Die Bandbreite dieses Regelkreises ist 20 kHz; Schwingungen bei den niedrigsten Frequenzen werden um 40dB unterdrückt. In einer zweiten Stufe der Phasenkopplung wird die Resonanzfrequenz des Hohlraums sehr fest an die Frequenz des Referenzstrahls in der Natriumlinie gekoppelt. PARSEC, the laser for the VLT Laser Guide Star Facility, successfully completed two major milestones during this year. These were the Laser Selection Test (designed to demonstrate the principles of the laser) and, shortly afterwards, the Final Design Review. During the summer the four Verdi V10 solid state lasers, which will be used to pump the dye jets in the amplifier, were delivered. Using only two of these in the prototype version of PARSEC, an output power of 10.5 W was achieved, an outstanding result which indicates what should be achievable when all four pump lasers can be used. One of the key developments which enabled this result was the design of the phase lock, which uses an additional red laser to stabilise the length of the amplifier cavity. The bandwidth of the loop is 20 kHz, and vibrations at the lowest frequencies are suppressed by 40dB. In a second stage of the phase-lock loop, the resonance frequency of the cavity can be locked very robustly to the frequency of the injected sodium-line beam.
Mit zwei neuentwickelten Methoden sollte ein hoher Automatisierungsgrad des Lasers erreicht werden. Zum einen wird in der Leistungsregelung die Ausrichtung der Hohlraumspiegel angepasst bis die maximale Ausgangsleistung erreicht ist. Zum anderen wird in einer Frequenzsuche die Laserfrequenz angepasst bis sie die Natriumlinie erreicht, und dann mit ihr gekoppelt. Außer dem Start brauchen beide Methoden keinen Bedienereingriff. Beide sollen in der ersten Hälfte kommenden Jahres implementiert werden. Nach Verschiffung des Lasers zum Paranal folgt in der zweiten Jahreshälfte eine Integrations- und Inbetriebnahmephase, gipfelnd in den ersten Beobachtungen mit dem Laserleitstern im Herbst. Two procedures have been developed which should allow a high degree of automation in the laser to be reached. The first of these is "Powertrack" which adjusts the pointing of cavity mirrors until the maximum output power is reached. The second is "Autoscan" which can tune the frequency of the laser until it reaches that of the sodium line, and then lock it there. Neither of these require intervention from an operator except to initiate them. The procedures will be implemented during the first half of the coming year. Once the laser has been shipped to Paranal, the second half of 2003 will see an intensive integration and commissioning phase, culminating with first light on the sky for the laser guide star in the autumn.
Das Large Binocular Telescope (LBT) ist ein doppeltes 8.4-Meter Teleskop in Bau auf Mt. Graham in Arizona, USA, mit geplantem erstem Licht Mitte 2004. Fünf deutsche Institute, darunter MPE, besitzen einen 25%-Anteil am LBT. Als Teil des MPE-Beitrags zum Projekt stellen wir 14 steife Unterstützungspunkte für die beiden Hauptspiegel her. Der erste Satz wurde Mitte 2002 zum Einbau an das Spiegellabor des Steward Observatory geliefert. Der zweite Satz Unterstützungspunkte (für den zweiten Hauptspiegel) wird derzeit getestet und soll im Februar 2003 nach Arizona geliefert werden. The Large Binocular Telescope (LBT), a twin 8.4 meter telescope is being erected on Mt. Graham in Arizona, with first light expected for mid 2004. Five German institutes, including MPE, hold a 25% share in this telescope. As part of MPE"s in-kind contribution to the project, the institute is fabricating 14 hard points, which provide the stiff supports for the two primary mirrors. The first set was delivered to the Steward Observatory mirror laboratory for integration in mid 2002. The second set of hard points (for the second primary) is presently undergoing final testing, and will be delivered to Arizona in February 2003.
LUCIFER kombiniert Nahinfrarotkamera und Spektrograph im Bereich von 1 bis 2.5 µm, für beugungs- und seeing-begrenzte Beobachtungen am LBT. Das Instrument wird von einem deutschen Konsortium unter Führung der Landessternwarte Heidelberg gebaut. MPE entwickelt dafür eine kryogene Multi-Objekt-Einheit, die Spaltmasken für Multi-Objekt-Spektroskopie (MOS) speichert und bereitstellt. Schwierigkeiten mit der Einpassung in LUCIFER haben die Konstruktion der MOS-Einheit verzögert. Abb. 3-8 zeigt ein 3D-Modell der im November 2002 abgeschlossen Konstruktion. Dargestellt sind die wichtigsten Komponenten, allerdings ohne die Struktur, in die sie eingebaut sind. Die Teile des Roboters, der Magazine mit den Masken zwischen Speicher und Fokalebene transportiert, wurden gefertigt und integriert, da diese Einheit keine direkte Schnittstelle zu LUCIFER hat. Alle anderen Komponenten können erst gefertigt werden, wenn der Entwurf von LUCIFER abgeschlossen ist. Schwierig ist der Transport der Magazine zwischen LUCIFER und den Hilfskryostaten, in denen die Magazine zum Aufwärmen bzw. Abkühlen gespeichert werden. Für diesen Vorgang müssen die Schienen auf denen das Magazin fährt mit einer Genauigkeit von 0.5 mm und einer Verkippung unter 0.5° zueinander ausgerichtet sein. Da die Schienen in verschiedenen Kryostaten montiert und bei Betriebstemperatur nicht zugänglich sind, ist ihre Justierung sehr aufwändig. Zum Test der MOS-Einheit und des Magazin-Transports wurde ein Kryostat mit einem Arbeitsvolumen von 1.2 m Durchmesser und 1.2 m Höhe entwickelt. Dieser Kryostat wird auch für Tests von KMOS-Komponenten eingesetzt. LUCIFER is the near-infrared (1-2.5 µm) camera and spectrograph for seeing and diffraction limited observations at the LBT, which is being built by a German consortium led by the Landessternwarte at Heidelberg. MPE contributes a cryogenic multi-object unit storing and supplying slit masks for multi-object spectroscopy. Difficulties with the integration into LUCIFER delayed the MOS unit design, which has been finished in November 2002. Fig. 3-8 is a 3D model of the MOS unit, showing its main components without the support structure. The mask manipulation unit, which has no direct interface to other LUCIFER components has been manufactured and is now being integrated. Manufacturing of all other components requires a closer coordination with the not yet completed LUCIFER design, and is therefore delayed. A major task is the transfer of the magazine containing the slit masks between LUCIFER and the auxiliary cryostat accepting the magazine for warm-up and cool-down. For this procedure the rails in the two cryostats carrying the magazine have to be aligned with a position accuracy of about 0.5 mm and a tilt of less than 0.5°. The rails are mounted in different cryostats and not accessible at operating temperature, which makes their alignment a non trivial procedure. For cryogenic tests of the MOS-unit, including the mask magazine transfer, a test cryostat with a cold working volume of 1.2 m diameter and 1.2 m height has been designed. This test cryostat will also be used for KMOS component tests.
Abb. 3-8: 3D-Modell der Hauptkomponenten der Multiobjektspektroskopieeinheit für LUCIFER. Die Spaltmasken werden in Magazinen zur Fokalebene transportiert.

Fig. 3-8: 3D model of the main components of the multi-object spectroscopy unit of LUCIFER. The slit masks placed in magazines are transported to the focal plane.

Die Studienphase für KMOS, einem Nah-Infrarot (1-2.5 µm) multi-feldabbildenden Spektrographen der zweiten Generation für das VLT begann Ende 2001, nachdem ESO dazu aufgerufen hatte, vorläufige Vorschläge für ein derartiges Instrument einzureichen. KMOS besitzt etwa 20 frei positionierbare feldabbildende Einheiten (IFUs) mit je etwa 100 Bildelementen, sodass gleichzeitig etwa 2000 Spektren gemessen werden können. Jede IFU erfasst ein Feld von wenigen Bogensekunden und kann frei im nicht vignettierten Gesichtsfeld des VLT mit 7.2 Bogenminuten Durchmesser positioniert werden. Die Studie wird von einem Konsortium unter Führung der Universitäts-Sternwarte München durchgeführt, an dem neben der Infrarotgruppe und der Gruppe interpretative Astronomie des MPE auch mehrere britische Gruppen beteiligt sind. Mit KMOS setzen wir die 2001 unter der Bezeichnung CROMOS (siehe JB 2001) begonnenen Arbeiten an Mikrolinsen/Glasfaser IFUs und einem kryogenen Roboter zur Positionierung der IFUs fort. Die Transmission und die Degradation des Öffnungsverhältnisses von Fasern wurde im J- und H-Band gemessen. Ein Aufbau für Messungen im K-Band mit der Speckle-Kamera SHARP I wurde vorbereitet. Die Beschaffung der IFUs hat sich als sehr schwierig erwiesen. Es ist daher möglich, dass wir die IFUs aus monolithischen Mikrolinsen-Arrays und Glasfasern selbst integrieren müssen. Ein neuer Positionier-Roboter wurde konstruiert und wird Anfang 2003 gefertigt. Die englischen Gruppen untersuchen Bildfeldzerleger (ähnlich dem in SPIFFI benutzten) als IFUs, und werden davon ebenfalls einen Prototypen einer IFU und eines Positionier-Roboters bauen und testen. Ende 2003 sollen beide Konzepte anhand von Kalttests und ihrer wissenschaftlichen Leistungsfähigkeit beurteilt werden. Die ausgewählte Lösung wird dann in den Vorschlag für das endgültige Instrument aufgenommen. The study phase for KMOS, a 2nd generation near-infrared (1-2.5 µm) multi-integral-field spectrograph for the VLT, started late in 2001 after a call for preliminary proposals for such an instrument had been issued by ESO. KMOS features about 20 deployable integral field units (IFUs) of about 100 spatial elements each, resulting in about 2000 simultaneously recorded spectra. Each of these IFUs covers a field of a few arcseconds width and can be positioned anywhere in the unvignetted VLT field of 7.2 arc-minutes diameter. The study is done by a consortium led by the Universitäts-Sternwarte München and includes the infrared and interpretative astronomy groups at MPE and several British groups. With KMOS we continue the work started in 2001 under the project name CROMOS (annual report 2001) on micro-lens coupled fiber integral field units (IFUs) and the development of a cryogenic positioning robot for these IFUs. The transmission and focal ratio degradation of several fibers has been measured in J- and H-band, and a setup for K-band measurements with the speckle camera SHARP I has been prepared. The IFU procurement turned out to be difficult, and we may have to integrate our IFUs from monolithic micro-lens arrays and fibers. A new positioning robot has been designed and will be built in early 2003. The British groups investigate image slicers as IFUs (similar to the one used in SPIFFI) and will produce and test a prototype IFU and a positioning robot. At the end of 2003, both concepts will be evaluated on the base of the cryo-tests and scientific capabilities. The winning solution will be incorporated in the final instrument proposal.
Das ISO-Spektrometerdatenzentrum (ISOSDC) am MPE unterstützt zusammen mit SRON (Groningen) die Nutzung und weitere Verbesserung des Archivs der ISO-Mission, durch Hilfe für Nutzer und Entwicklung und Verbesserung von Methoden zur Datenreduktion. Die dritte Version der offenen SWS Interactive Analysis Software (OSIA), die Wissenschaftlern die Reduktion der SWS-Daten an ihren Heimatinstituten erlaubt, wurde im Februar freigegeben. Wir haben zur Vervollständigung der Dokumente in der ISO Explanatory Library beigetragen. MPE ist eines von fünf Mitgliedern im Koordinierungsausschuss für die aktive Archivphase (AAP), der vom ISO Datenzentrum in Villafranca (Spanien) geleitet wird. Die AAP soll von 2002 bis 2006 dauern und optimalen Zugangs zu den ISO-Daten für die wissenschaftliche Analyse und die Vorbereitung der Folgeprojekte SIRTF, ASTRO-F Herschel, und JWST bieten. Durch Experten reduzierte Daten aus unseren Untersuchungen wissenschaftlich motivierter Stichproben aus dem Archiv sind oder werden dort verfügbar sein. The ISO Spectrometer Data Centre (ISOSDC) at MPE supports, in collaboration with SRON (Groningen), use and further improvement of the ISO Data Archive through user support and training, development and improvement of data reduction methods. The third version of the Open SWS Interactive Analysis software (OSIA), allowing scientists to process SWS data at their home institutes, was released in February of this year. We have contributed to completion of the supporting documents comprising the ISO Explanatory Library. MPE is one of the five active members of the ISO Active Archive Phase (AAP) Co-ordination committee lead by the ISO Data Centre (Villafranca, Spain). The AAP, which began this year and is due to last until the end of 2006, has the primary aims of providing optimal access to the ISO data for scientific analysis and preparation for subsequent projects SIRTF, ASTRO-F, Herschel, and JWST. Expert reduced data obtained from our research on scientifically driven samples from the IDA are or will be available in the IDA.
Das UCB/MPG Center for International Exchange in Astrophysics and Space Science ist eine gemeinsame Einrichtung der MPG und der University of California, Berkeley. Ziel ist die Zusammenarbeit auf allen Gebieten der Astrophysik, Astronomie, und extraterrestrischen Forschung. Wissenschaftleraustausch, Arbeitsaufenthalte und Konferenzen werden ergänzt durch gemeinsame Projekte wie SOFIA und die Detektorentwicklung für das ferne Infrarot. MPE koordiniert dieses Projekt von sieben Max-Planck-Instituten. Im Jahre 2002 gab es etwa 25 Besuche von Max-Planck-Mitarbeitern an der UCB und umgekehrt. The UCB/MPG Center for International Exchange in Astrophysics and Space Science is a joint project of MPG and University of California, Berkeley. Its goal is cooperation in all fields of astrophysics, astronomy and space sciences. Exchange of scientists, visits and conferences are supplemented by joint projects like SOFIA and the detector development for the far-infrared. MPE is coordinating this project of seven Max-Planck institutes. In 2002, there were approximately twenty-five visits of Max Planck staff to UCB and vice versa under the auspices of the program.
DLR fördert Herschel/PACS (50 OF 9901 1 und 50 OF 0101) und das ISO-Spektrometerdatenzentrum (50 QI 0202). Die Europäische Union unterstützt die Projekte POE und EURO3D (HPRN-CT-2000-00138, HPRN-CT-2002-00305). Unsere Zusammenarbeit mit der Universität Tel Aviv wird mit einem GIF-Grant (I-0551-186.07/97) gefördert. Wir erhalten Unterstützung der Verbundforschung für ISO und LUCIFER (50 OR 9913 7, 05 AL9EE1 7, 05 AL2EEA1) DLR supports Herschel/PACS (50 OF 9901 1 and 50 OF 0101) and the ISO spectrometer data center (50 QI 0202). The European Union supports the projects POE and EURO3D (HPRN-CT-2000-00138, HPRN-CT-2002-00305). Our collaboration with Tel Aviv University is supported by a GIF grant (I-0551-186.07/97). We receive support from Verbundforschung for ISO and LUCIFER (50 OR 9913 7 , 05 AL9EE1 7, 05 AL2EEA1).

MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002


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