MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002

3.
Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects

3.3   Röntgenastronomie / X-Ray Astronomy

Das Röntgenobservatorium ROSAT, das bislang größte Projekt unseres Institutes, hat in 8.5 Jahren äußerst erfolgreicher Mission (Juni 1990 bis Dezember 1998) etwa 200.000 neue Röntgenquellen vermessen. Die Ergebnisse dieser umfangreichen Datenbasis liegen in Form von Himmelkarten und Quellkatalogen vor, und dienen u. a. als Basis für Beobachtungsprogramme der aktuellen Röntgensatelliten. An zahlreichen Forschungsinstitutionen im In-und Ausland besteht immer noch relativ hohes Interesse Originaldaten der ROSAT Beobachtungen zu analysieren. Deshalb unterhält das Institut auch weiterhin einen Beratungs- und Software Dienst, obwohl mit der Abgabe des ROSAT Schlussberichtes an die fördernde Institution, das BMFT vertreten durch das DLR, das Projekt jetzt offiziell abgeschlossen wurde. The X-ray observatory ROSAT, up to now the most demanding project in-house, found during the 8.5 years of its extremely successful mission (from June 1990 to December 1998) about 200.000 new X-ray sources. The results are available in form of sky maps and source catalogs, and serve also as basis for the observational programs of actual X-ray satellites. Numerous research institutes in Germany and abroad are still highly interested to analyse the original data of ROSAT observations. For this reason our institute continues to maintain the consultant and software service for that mission, even though with the submission of the ROSAT final report to the supporting institution, the BMFT represented by the DLR, the project now was officially closed.
ROSAT Quellen werden u. a. auch mit Hilfe des SLOAN Digital Sky Survey (SDSS) identifiziert. Die im letzten Jahr eingerichtete "mirror site" der öffentlich zugänglichen Daten (zusammen mit dem MPI für Astrophysik und dem MPI für Astronomie in Heidelberg) erlaubt es insbesondere Aktive Galaxien, Sterne und Galaxienhaufen detailliert zu studieren. ROSAT sources are also identified using the SLOAN Digital Sky Survey (SDSS). A mirror site installed last year together with the MPI für Astrophysik and the MPI für Astronomie in Heidelberg, containing all the publicly available data, allows to study in detail especially active galaxies, stars, and galaxy clusters.
In geringerem Umfang werden auch noch Daten der X-ray Satelliten ASCA (Japan), BeppoSAX (Italien) und RXTE (USA) im Hause benutzt und ausgewertet. To a smaller extent also data of the X-ray satellites ASCA (Japan), BeppoSAX (Italy), and RXTE (USA) are being used and evaluated in the institute.
Der Ende 1999 in den Orbit gebrachte europäische Röntgen-Satellit XMM-Newton ist für die Röntgengruppe am MPE, die Design und Bau der Instrumentation in großem Umfang mitbestimmt hat, das zur Zeit wichtigste Beobachtungsinstrument. Neben der Analyse von Beobachtungsdaten ist unsere Gruppe kontinuierlich mit der Überwachung und der Kalibration der im Haus gebauten EPIC pn-CCD Kamera beschäftigt. The European X-ray satellite XMM-NEWTON, installed in orbit in 1999, is presently the most important observatory platform for the X-ray group at MPE, that to a large extent played a decisive role in the design and the construction of its instrumentation. In addition to the analysis of datasets from the observations, our group is continuously occupied checking and calibrating the EPIC pn-CCD camera built inhouse.
Für den Stromsparbetrieb im Erdschatten, der erhebliche Temperaturprobleme ausgelöst hatte, brachte jetzt eine verbesserte Prozedur den erhofften Erfolg. Die Temperaturen in der pn-CCD Kamera waren in der letzten Schattenphase auf ±5°C stabil. The operation with reduced power for the instruments while the satellite is passing through the shadow of the earth, produced strong temperature problems. A change in the operational procedures has now successfully stabilized the temperatures in the pn-CCD camera during the last shadow period to ±5°C.
Die "garantierten Beobachtungen" für die am Bau des Satelliten beteiligten Gruppen sind jetzt fast vollständig durchgeführt und die Datenanalyse läuft auf Hochtouren. Die erste für alle Wissenschaftler "öffentliche" Beobachtungsperiode (AO-1) läuft noch bis März 2003. Für die nächste einjährige Periode, AO-2, wurde achtmal mehr Beobachtungszeit beantragt als zur Verfügung steht. Unser Gruppe gewann bei der Auswahl 1.7x106 sec Beobachtungszeit, was ca. 10% der zu vergebenden Gesamtzeit entspricht. The "guaranteed observations" of the groups involved in the construction of the satellite payload are almost completely done and the analysis of the data from our observations is our major task. The first observation period (AO-1) that is public for every scientist continues up to March 2003. The demands on observation time for the following one year period AO-2 were a factor of 8 above what is available. In the proposal selection our institute received a total of 1.7x106 sec in observations corresponding to about 10% of the total available time.
Etwa 5% der Beobachtungszeit wird für Kalibrationszwecke genutzt. Dadurch konnte insbesondere die Kreuzkalibration mit anderen Instrumenten wesentlich verbessert werden. Einen bedeutenden Fortschritt brachte ein am Institut durchgeführter Kalibrations-Workshop mit Kollegen der MOS und RGS Kameras. About 5% of the time available for observations is presently used for calibration tasks. Thus especially the cross calibration with other instruments could be improved considerably. An important step forward could be achieved during a calibration workshop at MPE with colleagues of the MOS and RGS cameras.
Als Folge des Durchgangs durch die Strahlungsgürtel der Erde degradieren alle CCD Detektoren. Dabei geht ein ständig wachsender Teil der durch ein Photon ausgelösten Ladung beim Transport zur Auslese-Elektronik verloren. Die genaue Kenntnis dieser "Charge Transfer Inefficieny" (CTI) ist für spektrale Untersuchungen von großer Bedeutung. Die CTI wird aus mehrmals pro Monat durchgeführten Eichmessungen an Bord bestimmt. Die beobachtete Zunahme der CTI (Abb. 3-9) der pn-CCD Kamera unseres Institutes stimmt mit der Vorhersage sehr gut überein. As consequence of the transition through the radiation belts of the earth, all CCD detectors suffer damages and a continuously growing part of the initially available electronic charge is lost during the transport to the read-out electronics. The exact knowledge of this so-called "charge transfer inefficiency" (CTI) has great importance for spectral investigations. The CTI is determined from calibration measurements performed onboard several times per month. The observed increase of the CTI of the pn-CCD camera of our institute is in good agreement with the predictions (Fig. 3-9).
Abb. 3-9: "Charge Transfer Inefficieny" (CTI) der EPIC-pn Kamera im "Full Frame Mode" bei 6 keV während der ersten drei Jahre nach dem Start. Sollte sich der beobachtete Verlauf weiter so fortsetzen, würde es 30 Jahre bis zu einer Verdoppelung der CTI gegenüber dem ursprünglichen Wert dauern.

Fig. 3-9: "Charge transfer inefficiency" (CTI) of the EPIC-pn camera in "full frame mode" at 6 keV during the first 3 years in orbit. With the observed trend it will take about 30 years to double the size of the initial CTI value.

Eine weitere Art der Degradation ist die Zunahme der Anzahl von Bildelementen (Pixel) mit erhöhtem Rauschen, welche auch durch Einschläge von Mikrometeoriten ausgelöst werden kann (siehe Jahresbericht 2001). Konstruktionsbedingt sind dafür, ebenso wie für die Zunahme der CTI, besonders die MOS-CCDs empfindlich, die in den englischen MOS und RGS Kameras eingesetzt sind. Durch einen Betrieb der CCDs bei tieferen Temperaturen kann man dieser Degradation entgegenwirken. Im November 2002 wurde deshalb die Temperatur der MOS Kamera um 20°C auf -120°C und die der RGS Kamera um 10°C auf
-110°C abgesenkt. Die Anzahl der "hot pixels" ging daraufhin drastisch zurück und das spektrale Auflösungsvermögen ist wieder so gut wie am Anfang der Mission. Für unsere pn-CCD Kamera ist ein solcher Schritt derzeit noch nicht notwendig.
Another type of degradation, which can also be produced by impacts of micro-meteorites, is the increase of the number of image pixels with enhanced noise (see Annual Report 2001). Especially sensitive for this type of damage, as well as for the increase of the CTI, are by its construction the MOS-CCDs as used by the English MOS and RGS cameras. By operating the CCDs at lower temperatures it is possible to counteract the degration. Therefore in November 2002 the temperature of the MOS CCD camera was lowered by 20°C to -120°C and the temperature of the RGS camera by 10°C to -110°C. The number of "hot pixels" is now drastically reduced and the spectral resolution is the same as at the beginning of the mission. For our pn-CCD camera such a step is not yet necessary.
Das amerikanische Röntgenobservatorium Chandra startete 1999 und besitzt einen 1.2 m Spiegel, der besonders scharfe Bilder liefert. Eines der Instrumente an Bord ist ein Niederenergie-Gitterspektrograph, gemeinsam vom MPE und der Dutch Space Research Organisation (SRON) entwickelt und gebaut, um hochaufgelöste Spektren heller Röntgenobjekte zu gewinnen. Damit konnten bereits viele interessante Ergebnisse erzielt werden. Doch fordert eine immer genauere Eichung des Instrumentes noch erhebliche Anstrengungen, die wir zusammen mit SRON und dem Chandra Science Center durchführen. The American X-ray observatory Chandra was launched in 1999 and carries a telescope mirror with a diameter of 1.2 m delivering images with especially high spatial resolution. One of the onboard instruments is a low energy grating spectrograph, jointly designed and constructed by MPE and the Dutch Space Research Organisation (SRON), to obtain highly resolved spectra of brighter X-ray objects. Many interesting results have already shown up. But the calibration of the instrument with increasing accuracy, which we are performing jointly with SRON and the Chandra Science Center, will continue to require more efforts.
Mit der Satellitenmission ROSITA (RÖntgen Survey with an Imaging Telescope Array) planen wir eine vollständige Himmelsdurchmusterung bei mittleren Röntgenenergien (0.5-10 keV) durchzuführen. Dazu soll ein Teleskop aus 7 einzelnen Wolterspiegeln und einem großen CCD Detektor auf der Internationalen Raumstation ISS installiert werden, auf der durch die Bewegung um die Erde ein fest montiertes Teleskop den Himmel quasi automatisch abtastet (Abb. 3-10). With the satellite mission ROSITA (RÖntgen Survey with an Imaging Telescope Array) we plan to perform an all-sky survey at medium X-ray energies (0.5-10 keV). To meet that end we intend to install a telescope consisting of 7 individual mirrors (Wolter type) and a large CCD detector on the International Space Station (ISS). By the continuous movement around the earth a telescope fixed to the platform will quasi-automatically scan the sky (Fig. 3-10).
Abb. 3-10: Das ROSITA-Teleskop ist über einen Schwenkarm an die Adapterplatte zum Columbus-Modul auf der Internationalen Raumstation ISS angekoppelt. Die Schwenkbarkeit ist nötig, um auch die Polregionen des Himmels beobachten zu können. Sie wird aber auch benutzt, um das Teleskop in eine sichere Position zu bringen (rechte Abbildung), um z. B. Kontamination beim Andocken des Space Shuttle zu verhindern.

Fig. 3-10: The ROSITA telescope is fixed via a manipulator to an adapter plate of the Columbus module on the International Space Station ISS. The slewing capability is required for observing also the pole regions of the sky. It will also be used to place the instrument to a safe position, for example to avoid contamination when the Space Shuttle is docking to the ISS.

In Vorbereitung einer Phase A Studie in der Industrie hat die europäische Raumfahrtagentur ESA unseren Vorschlag vom März 2002 technisch begutachtet und in einigen Punkten modifiziert, da ROSITA die Vorgaben für Standard-Nutzlasten hinsichtlich Masse und Größe überschreitet. Stirling-Motoren sollen den Detektor auf -80°C kühlen. In preparation of a phase A study in industry the European Space Agency ESA technically judged our proposal of March 2002 and modified a few points, because ROSITA exceeds the requirements of standard payloads with respect to mass and size. The detector will be cooled by Stirling motors to -80°C.
Durch die unmittelbare Nähe zur Raumstation besteht während der Mission die Gefahr einer Kontamination von Spiegel und Detektoren. Zum Test wurden ebene goldbedampfte Spiegelproben sowohl am Boden (Russland) als auch auf der Raumstation typischen Umweltbedingungen ausgesetzt. Inzwischen bei uns untersuchte Spiegelproben scheinen in Russland unsachgemäß abgewischt worden zu sein. Due to the immediate neighbourhood to the space station during the mission the risk of contaminating both the mirrors and the detector systems exists. To check for possible effects, we exposed gold evaporated mirror probes to typical environmental conditions both on ground, in Russia, as well as on the space station. Unfortunately some of the mirror probes checked in our labs seem to have been wiped off improperly in Russia.
Gleichzeitig wurden für ROSITA im MPE-Halbleiterlabor die ersten Prototyp-Detektoren, basierend auf der bei XMM-Newton erfolgreich eingesetzten pn-CCD Kamera des MPE, gefertigt und getestet. Neben der an die Auflösung der ROSITA-Teleskope angepassten Bildzellengröße von 75 µm x 75 µm wurde eine Trennung des belichteten Bildbereiches und des Signalspeicherbereiches realisiert. So wird eine "Verschmierung" des Bildes durch Röntgenphotonen, die während der Signalauslesezeit einfallen, bei diesen "frame store pn-CCDs" genannten Siliziumdetektoren weitgehend vermieden. Auch konnten die bisherigen Signalverluste beim Transfer der generierten Ladungsmenge vom Photoneinfallsort bis zur Auslese um eine Größenordnung verringert werden. Durch Verbesserungen beim Strahlungseintrittsfenster konnte weiterhin die Energieauflösung der niederenergetischen Röntgenstrahlung unterhalb von 1 keV wesentlich verbessert werden. Außerdem haben wir eine mechanische und thermische Modellierung des Kamerakopfes durchgeführt und ein elektronisches Konzept erarbeitet. At the same time we built and tested in the solid state laboratory of MPE the first prototype detectors for ROSITA, that are based on the design of the in-house built pn-CCD camera successfully flown in the XMM-NEWTON observatory. In addition to the new pixel size of 75 µm x 75 µm, adapted to the spatial resolution of the ROSITA telescopes, a separation of the illuminated part of the detector and the part that stores intermediately the signals was realized. With this approach one avoids to a large degree in the images of the silicon detectors, called "frame store pn-CCDs", a mixing with those photons that arrive during the readout time. We succeeded also to reduce by an order of magnitude the signal losses during the transfer of the charges generated at the location of the incident photon to the read out location. Furthermore we achieved an appreciable improvement in the energy resolution of the low energy X-ray radiation below 1 keV by optimising the entrance window for the radiation. In addition a mechanical and thermal modelling of the camera head has been worked out, as well as a concept for the overall electronics.
Die geplante ESA-Mission XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy) soll vor allem die hochenergetischen Prozesse in den Objekten des frühen Universums (Rotverschiebung z=5-10) beobachten, wie sie insbesondere in den Quasaren stattfinden. Ziel ist es, die ersten Populationen dieser Objekte zu untersuchen, und so deren Entstehungsprozess und frühe Entwicklung im Zusammenhang mit der Strukturbildung im Universum zu studieren. The ESA mission XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy) is planned to observe in particular the high energy processes in objects of the early universe at redshifts between 5 and 10, that are at work especially in the quasars. It is the aim to investigate the first populations of these objects and thereby to study the processes of their origin in connection with the formation of structures in the universe.
Abb. 3-11: Wegen der Brennweite von 50 m besteht das XEUS Teleskop aus 2 exakt zueinander ausgerichteten Satelliten, im Hintergrund rechts der Spiegel-Modul, im Vordergrund der Detektormodul.

Fig. 3-11: Due to the long focal length of 50 m the XEUS telescope will consist of 2 exactly aligned satellites. On the right in the background the mirror module is to be seen and in the foreground the detector module.

Um das wissenschaftliche Ziel zu erreichen, soll das XEUS Teleskop bei einer Brennweite von 50 m eine effektive Sammelfläche von mehr als 20 m2 bei 2 keV und mehr als 1 m2 bei 8 keV besitzen und eine Winkelauflösung von mindestens 5, besser 2 Bogensekunden haben. Der Spiegel soll zunächst einen Durchmesser von 4 Metern besitzen (XEUS-1) (Abb. 3-11) und später auf 10 Meter Durchmesser erweitert werden (XEUS-2). Die Röntgendetektoren müssen auf Grund der Sammelfläche extrem hohe Photonenflüsse bewältigen. In order to achieve the scientific goal, the XEUS telescope is planned to have a focal length of 50 m and an effective collecting area of more than 20 m2 at 2 kev and more than 1 m2 at 8 keV, with an angular resolution of at least 5 arcsec and preferably 2 arcsec. The mirror, in a first realization step, is supposed to have a diameter of 4 meters (XEUS-1) (Fig. 3-11) and in a second step should be enlarged to a diameter of 10 meters (XEUS-2). Due to the large collecting area, the X-ray detectors have to manage extremely high photon fluxes.
Abb. 3-12: Zur Formgebung wird das ebene Float-Glas soweit erwärmt, dass es sich unter seinem Eigengewicht in eine präzise gefertigte Gussform schmiegt.

Fig. 3-12: To achieve the proper form the float glass is heated up to the point, when under its own weight it bends in a precisely manufactured casting mould.

Die Entwicklung der Röntgenspiegel für XEUS ist eine große technische Herausforderung, geht es doch darum, tausende sehr dünner Spielgelsegmente mit geringer Masse aber hoher Formgenauigkeit und extrem geringer Mikrorauhigkeit herzustellen. Als Alternative zu der bei XMM-Newton bewährten Replikationstechnik mit goldbeschichteten Nickelschalen verfolgt das MPE zusammen mit dem Osservatorio Astronomico di Brera (OAB) und der Firma Schott in Mainz den Ansatz, die Spiegel aus dünnem, sog. Float-Glas herzustellen (Abb. 3-12). Der Vorteil liegt in einer deutlich höheren Steifigkeit, einer geringeren Dichte und einer einfacheren Massenproduktion. Es zeigte sich, dass das Verfahren grundsätzlich funktioniert, jedoch ist eine weitere Optimierung und Verifizierung der Prozessparameter erforderlich. The development of the X-ray mirrors for XEUS is a great technical challenge, because one faces the task to produce thousands of very thin mirror segments with very small mass but a high form accuracy and with extremely low micro roughness. As an alternative to the replication process with gold evaporated nickel shells, proven in the XMM-Newton design, the MPE in collaboration with the Osservatorio Astronomico di Brera (OAB) and the company Schott in Mainz is investigating the idea to manufacture the mirrors from thin so-called float-glass (Fig. 3-12). Advantages lie in the clearly higher stiffness, a smaller density, and a simpler production process. It was shown that the manufacturing process works in principle, but that further optimisation and verification of the process parameters are still required.
Im Rahmen einer von der ESA geförderten Detektorstudie zur Entwicklung eines wide field imagers für die XEUS-Mission werden großflächige aktive Pixelsensoren (APS) entwickelt. Sie erlauben im Gegensatz zu CCD-Detektoren das selektive Auslesen von Bildzellenbereichen. Des weiteren entfällt ein Transfer der Signalladung und der damit verbundene Signalhöhenverlust. Die dafür nötigen integrierten Ansteuerchips werden in Zusammenarbeit mit der Universität Bonn entwickelt. Nach der Durchführung zahlreicher Simulationsrechnungen wurde mit der Fertigung der ersten Bauelemente im MPI-Halbleiterlabor begonnen. Sie beinhaltet eine Vielfalt an Layout- und Technologievarianten zur Entwicklung eines optimalen Detektors. In the framework of a detector study, supported by ESA, to develop a wide field imager for the XEUS mission, we are developing active pixel sensors (APS) with large areas. In contrast to CCD detectors they allow a selective readout of image regions. Furthermore there is no transfer of the signal charge and thus no losses of the signal strength. The integrated chips required to drive these detectors are developed in collaboration with the University of Bonn. After performing numerous simulations, we now have begun to produce the first component parts in our semiconductor laboratory. The production requires numerous variants of the layout and the technology to develop an optimal detector.
Des weiteren sind Siliziumdriftkammern als Hochratendetektoren für die XEUS-Mission in Planung. Mit ihnen wird hochauflösende Spektroskopie von Röntgenphotonen bis zu einer Rate von 107 cts /s möglich sein. Die Entwicklung erfolgt in Zusammenarbeit mit einer Gruppe des CESR in Toulouse. In addition we are planning silicon drift chambers as high input rate detectors for the XEUS mission. They will allow high resolution spectroscopy of X-ray photons up to a rate of 107 cts/s. The development is done in collaboration with a group of CERS in Toulouse.
Mit DUET (Dark Universe Explorer Telescope) sollen mit einem Weitfeld-Röntgenteleskop einige 10.000 Galaxienhaufen vermessen werden, um kosmologische Modelle zu testen und die Natur der dunklen Materie aus der großräumigen Struktur der Galaxienhaufen zu erschließen. Die ESA/NASA Mission wurde, trotz hoher Priorität, nicht im aktuellen NASA Programm akzeptiert, soll aber bei der nächsten Auswahlrunde wieder vorgeschlagen werden. Die MPE Beteiligung sieht einen Ersatzdetektor, die Eichung, die Missionsplanung und begleitende optische Durchmusterungen am Südhimmel vor. DUET (Dark Universe Explorer Telescope) is a survey mission planned to discover with a wide-field X-ray telescope some 10,000 galaxy clusters in order to test cosmological models and deduce the nature of dark energy from the large-scale structure of galaxy clusters. Despite its high ranking the ESA/NASA mission was not accepted for the actual NASA programme, but it will be proposed again in the next selection round. The MPE participation will probably include the provision of a spare detector, the calibration, the mission planning and accompanying optical surveys in the southern sky.
Mit dem CERN Experiment CAST (CERN Axion Solar Telescope) will man Axionen von einigen keV aus dem Inneren des Sonnenplasmas nachweisen oder gegebenenfalls deren Existenz im untersuchten Parameterraum ausschließen. Axionen wurden vor etwa 30 Jahren in der Elementarteilchenphysik vorgeschlagen um zu erklären, warum bei der starken Wechselwirkung, im Gegensatz zur schwachen Wechselwirkung, keine Verletzung der CP Symmetrie auftritt. With the CERN experiment CAST (CERN Axion Solar Telescope), one tries to detect axions of some keV from the interior of the solar plasma or possibly exclude their existence within the investigated region of parameters. Axions have been proposed about 30 years ago in the physics of elementary particles to explain why, in the strong interaction in contrast to the weak interaction, no break of the CP symmetry shows up.
Die Erzeugung von Axionen im Innern der Sonne sollte u.a. durch den Primakoff-Effekt erfolgen: ein thermisches Photon kann im starken elektrischen Feld des Sonnenplasmas in ein Axion umgewandelt werden und wegen seiner geringen Wechselwirkung ungehindert die Sonne verlassen. Die so erzeugten Axionen haben ein durch das Sonnenplasma bestimmtes thermisches Spektrum im Energiebereich von 1 keV bis 10 keV. Der Nachweis der Teilchen erfolgt über den zeitlich umgekehrten Primakoff-Effekt. A production of axions in the sun should take place by the Primakoff-effect: a thermalized photon can be converted to an axion in the strong electric field of the solar plasma and leave the sun unhindered because of its very low cross section. The axions produced this way have a thermal spectrum determined by the solar plasma in the energy region between 1 and 10 keV. The detection of the particles is performed via the Primakoff-effect in reverse time order.
CAST besteht aus einem supraleitenden Magneten (~9 Tesla), an dessen 4 Austrittsöffnungen 3 Proportionalzähler und ein vom MPE gebautes Röntgenteleskop montiert sind. Aufgrund des kräftigen Magneten und dem durch das Teleskop wesentlich verbesserten Signal zu Rausch Verhältnis kann CAST die Nachweiswahrscheinlichkeit für Axionen um mindestens einen Faktor 10 im Vergleich zu anderen Experimenten verbessern. "CAST consists of a superconducting magnet (about 9 Tesla), where 3 proportional counters and an X-ray telescope built by MPE are mounted in the 4 outlets. Due to the strong magnet and due to the considerably enhanced signal to noise ratio by the telescope, CAST is able to enhance the detection probability of axions by at least a factor of 10 in comparison to other experiments.
Das vom MPE beigestellte Röntgenteleskop (Abb. 3-13) besteht aus einem Prototypen des ABRIXAS Spiegelsystems (Zusammenarbeit mit der Firma Zeiss). Der Röntgendetektor ist ein Nachbau einer 1x3 cm2 großen pn-CCD Kamera aus dem XMM Projekt. An der Testanlage PANTER erfolgte die Kalibration des Röntgenteleskops sowie die Eichung der verschiedenen Detektoren, wie MICROMEGAS (ein abbildender Detektor), TPC (ein Vieldrahtproportionalzähler), sowie einer Halbleiterdiode des Max-Planck-Instituts für Physik in München. Ein wichtiger Aspekt der Untersuchungen war es ein möglichst niedriges Eigenrauschen der Detektoren zu erreichen. Das Experiment wurde innerhalb eines Jahres aufgebaut und ist seit August 2002 in der Erprobungsphase. Der Routine Betrieb soll im Februar 2003 beginnen. The X-ray telescope (Fig. 3-13) provided by MPE consists of a prototype of the former ABRIXAS mirror system (collaboration with the company Zeiss). The X-ray detector is a rebuild of a pn-CCD camera of 1x3 cm2 area from the XMM project. In the test facility PANTER, the calibration of the X-ray telescope took place as well as the calibration of different detectors, e.g. of MICROMEGAS (an imaging detector), of TPC (a multi-wire proportional counter), and of a semiconductor diode of the Max-Planck-Institut für Physik in München. An important aspect of the investigations was to reduce as much as possible the detector noise. The experiment, set up within a timescale of one year, runs since August 2002 in a test phase. Routine operation is planned to start in February 2003.
Abb. 3-13: Das CAST-Teleskop im Reinraum der Testanlage.

Fig. 3-13: The CAST telescope in the clean room of the test facility.

Im Rahmen des Deutschen Astrophysikalischen Virtuellen Observatoriums GAVO soll für die deutschen astronomischen Institute der Aufbau eines Hochleistungs-Datennetzes, der Zugang zu dezentralen Datenarchiven und die Bereitstellung neuer Werkzeuge zur Datensuche, Datenanalyse und Darstellung der Ergebnisse geschaffen werden. Die Aktivitäten werden in enger Zusammenarbeit mit internationalen Gruppen durchgeführt. Das BMBF hat für den Zeitraum 1.10.2002 bis 31.3.2005 eine Anschubfinanzierung für 3 Stellen (davon 2 am MPE) bewilligt, um die Durchführbarkeit des GAVO-Modells nachzuweisen. With GAVO (German Astrophysical Virtual Observatory) it is intended to provide the German astrophysical community with a network grid providing high computing power, the access to decentralized data archives, and the building of new tools for data searching, data analysis, and the presentation of results. The activities are run in close cooperation with international groups. The BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) has granted for the period January 1, 2002 up to March 31, 2005 a total of 3 posts (2 at MPE), in order to check and prove the feasibility of the GAVO model.
Im Wissenschaftlichen Datenzentrum für die Röntgenastronomie findet zur Zeit hauptsächlich die Auswertung der Daten der XMM-Newton Mission und der Chandra Mission statt. Für diese und weitere Projekte wird Auswertesoftware entwickelt und gewartet. Außerdem unterhalten wir im Web Informationsseiten zu den verschiedenen Projekten der Gruppe. Hardwaremäßig wurden die etwa 80 Arbeitsplätze der Röntgengruppe jetzt mit lokalen PCs und Flachbildschirmen ausgestattet und haben über eine 100 Mbit Anbindung Zugang zu den DEC Multiprozessor Compute Servern. Ein LINUX Compute Server auf Basis von Multiprozessor PC Systemen und einem Raid basierten SAN (Storage Area Network) ist im Aufbau und soll künftig einen Teil der Rechenlast übernehmen, da die jetzige Hardware für manche Anwendungen bereits Limitationen erkennen lässt. Der Einsatz von Laptops an den Arbeitsplätzen steigt kontinuierlich an. The Science Data Centreof the X-ray astronomy group at MPE at present is mostly occupied with the analysis of data from the XMM-Newton and the Chandra missions. For these and other missions we develop and maintain evaluation software. In addition we maintain in the web information pages for the different projects of the group. On the hardware side all of the about 80 working places of the X-ray group have now been equipped with local PCs and flat screen monitors and have, via a 100 Mbit cable connection, direct access to our DEC multiprocessor compute servers. A LINUX compute server on the basis of multiprocessor PC systems and a raid based SAN (Storage Area Network) is being installed and will in the near future take over some of the computing load, because with the actual hardware we are already recognizing certain limitations in some of the applications. The usage of laptops in the offices is continuously increasing.
Für eine erfolgreiche Beteiligung der Röntgengruppe an nationalen und internationalen Röntgenprojekten sind leistungsfähige Testanlagen und Labors von ausschlaggebender Bedeutung. Mit der 130 m langen Testanlage PANTER besitzen wir eine im internationalen Vergleich bedeutende Einrichtung, um nicht nur einzelne Spiegelkomponenten und Detektoren auf ihre Eigenschaften im Röntgenlicht zu untersuchen, sondern auch die Kalibration vollständig integrierter Teleskope durchzuführen. Die kleinere Testanlage PUMA dient der detaillierten Vermessung und Eichung von einzelnen Komponenten. Im Halbleiterlabor (HLL) werden speziell auf die Bedürfnisse der Röntgenastronomie und der jeweiligen Projekte abgestimmte Detektoren entwickelt, gebaut und in den Testanlagen ROESTI und CALIFA untersucht. For a successful participation of the X-ray group in national and international X-ray projects effective Test Facilities and laboratories are of prime importance. With the 130 m long test facility PANTER we own an installation that has high importance within the international community. Here we are not only investigating the properties of individual mirror components and detectors, but are also performing the calibration of completely integrated telescopes. The smaller test facility PUMA is occupied with special measurements and calibrations of individual components. In the semiconductor laboratory, the HLL (Halbleiterlabor), we develop and build detectors specifically tuned for the requirements of X-ray astronomy and the relevant projects, which are then investigated in the test facilities ROESTI and CALIFA.
Nach dem erfolgreichen Start der großen Röntgenobservatorien Chandra (NASA) und XMM-Newton (ESA), an deren Entwicklung und Bau die Testanlage PANTER mit umfangreichen Tests beteiligt war, gingen die Aktivitäten an der Testanlage in neue Richtungen. Zum einen wurden Messungen an den geplanten kleineren Röntgenexperimenten ROSITA, CAST und SWIFT durchgeführt. Zum anderen wird aber auch schon für die nächste Generation von Röntgenmissionen, wie XEUS oder Simbol-X, geplant. Für diese sind jetzt begonnene Modifizierungen der Testanlage unerlässlich, z.B. Röntgenquellen mit möglichst reinen Linien, die Ausdehnung des Energiebereichs zu höheren Energien hin und der Einsatz von absolut kalibrierten Detektoren. Schließlich beschäftigen wir uns auch mit neuen Technologien zur Weiterentwicklung von Spiegelsystemen. After the successful launch of the large X-ray observatories Chandra (NASA) and XMM-Newton (ESA), where the test facility PANTER was involved in the development and construction with extended tests, the activities in the test facility took up new directions. On the one hand we performed measurements with the planned smaller X-ray experiments ROSITA, CAST, and SWIFT. On the other hand we are already planning for the next generation of X-ray missions, as there are XEUS and Simbol-X. For these missions, modifications of the test facility are absolutely necessary, for example X-ray test sources with especially pure spectral lines, the extension of the available energy range to higher X-ray energies, and the usage of absolutely calibrated detectors. Finally we are also involved in new technologies for further developments of the mirror systems.
Röntgenspiegel kann man, ähnlich der Vergütung von optischen Linsen, mit dünnen Schichten bedampfen, um dadurch die Reflektivität zu erhöhen bzw. zu höheren Energien hin auszudehnen. Eine Gruppe am Osservatorio Astronomico di Brera in Italien hat erste vielschichtige, sogenannte Multilayer Spiegel hergestellt. Es handelt sich dabei noch um ebene Proben, bedampft mit einer Kombination aus 500Å Nickel und 50Å Kohlenstoff bzw. mit einer Kombination aus 500Å Nickel und 100Å Platin. Untersuchungen in unserer Testanlage ergaben, dass bei der Nickel-Kohlenstoff-Kombination die Voraussagen der Theorie bestätigt werden konnten, bei der Nickel-Platin-Version hingegen eine Verschlechterung auftrat, möglicherweise durch Degradierung der Schichten. It is possible to evaporate onto X-ray mirrors extremely thin layers, as one does in the coating of optical lenses, in order to enhance the reflectivity or extend it to higher energies. A group at the Osservatore Astronomica di Brera in Italy has manufactured first examples of multi-layer mirrors. At present these are still plane test pieces, coated with a combination of 500Å nickel und 50Å carbon or with a combination of 500Å nickel und 100Å platinum. Investigations in our test facility showed that with the nickel carbon combination one could verify the theoretical predictions, but with the nickel platinum version a deterioration was detected, that is possibly due to a degradation in the layers.
Um die Sammelfläche eines Röntgenteleskops zu vergrößern kann man es höher "nesten", d.h. mehr Schalen ineinander schachteln. Am Osservatorio Astronomico di Brera versucht man die bei XMM erfolgreiche Methode der Nickelabformung in diese Richtung weiter zu treiben. Je dünner die Schalen, umso problematischer wird ihre Halterung ohne dabei Kräfte einzubringen und die Schalen zu verformen. Abb. 3-14 zeigt Aufnahmen von Tests in der PANTER Anlage. In order to enhance the collecting area of an X-ray telescope one can nest many telescope shells one inside the other. At the Osservatorio Astronomico di Brera they are investigating to improve the method of forming nickel shells, that was successfully used in the XMM mission. The thinner the shells, the more problematic it becomes to mount them without introducing forces that may distort the shells. Fig. 3-14 shows images of test runs in the PANTER facility.
Der spektrale Strahlungsfluss der Röntgentestanlage PUMA wurde im letzten Jahr aufwändig geeicht. Zusätzlich haben wir die Anlage durch den Einbau von Manipulatoren und einer Kühleinrichtung (Stirling-Motor) erweitert. Damit können in Zukunft Detektoren wartungsfrei gekühlt werden. Zur Bestimmung der Durchlässigkeit von Röntgenfiltern im sichtbaren Licht wurde eine neue Messeinrichtung entwickelt. The spectral radiation flux of the X-ray test facility PUMA was carefully calibrated last year. In addition we enhanced the capabilities of the facility by installing manipulators and adding a cooling device (Stirling motor). This way detectors can be cooled in the future without attendance. In order to determine the transmission of X-ray filters by optical light a new measurement set-up was developed and installed.
Abb. 3-14: Extrafokale Abbildung einer Punktquelle durch dünnwandige Ni-Spiegelschalen. Links mit 12 Halterungspunkten und rechts mit 24 Halterungspunkten, wodurch die Kreisform deutlich besser eingehalten wird. Da jeder Halterungspunkt aber Sammelfläche abschattet, gilt es einen Kompromiss zwischen deren Anzahl und einer noch akzeptablen Verformung zu erzielen.

Fig. 3-14: Images of a point source produced by a thin nickel mirror shell, taken outside of the focus. On the left with 12 points of mounting and on the right with 24 mounting points, where the circular shape is much better maintained. Because each of the mounting points shades some of the collecting area, one has to search a compromise between the number of mounting points and a still acceptable degree of distortion.

Neben den oben erwähnten Detektorentwicklungen für ROSITA und XEUS verfolgt das MPI-Halbleiterlabor (HLL) auch ein neues Detektorkonzept zur orts- und zeitaufgelösten Spektroskopie im Energiebereich von 0.5 keV bis 30 keV für das von der CEA in Saclay vorgeschlagene SIMBOL-X Projekt, einer Vorläufermission von XEUS. Um eine Bildzellengröße von etwa 750 µm x 750 µm realisieren zu können, werden die Vorzüge der Siliziumdriftkammer mit der des aktiven Pixelsensors für XEUS vereinigt. Die von einem Röntgenphoton erzeugte Signalladungsmenge driftet zum Zentrum der Bildzelle, wo die Signalladung unter einem DEPFET-Transistor gespeichert wird, bis sie ausgelesen und schließlich gelöscht wird. Die sogenannten "Midi-Pixel"-Detektoren können mit hoher Energieauflösung und Nachweiswahrscheinlichkeit den Energiebereich bis etwa 20 keV abdecken, während dahinter angeordnete CdZnTe-Detektoren Photonen bis etwa 70 keV erfassen. Beside the above mentioned detector developments for the ROSAT and XEUS projects, the MPI semiconductor laboratory (HLL) is investigating a new detector concept for spatially and timely resolved spectroscopy in the energy region from 0.5 to 30 keV for the SIMBOL-X project, a prototype mission for XEUS, proposed by CEA at Saclay. To be able to realize image pixels with a size of about 750 µm x 750 µm, the advantages of silicon drift chambers will be combined with those of the active pixel detectors for the XEUS project. The signal charge produced by an X-ray photon drifts towards the centre of the image pixel, where the charge is stored below a DEPFET transistor until it is read out and finally deleted. The so-called "Midi Pixel"-detectors can cover with high energy resolution and detection efficiency the energy region up to about 20 keV, while CdZnTe-detectors arranged at the rear detect photons up to some 70 keV.
In der ROESTI-Testanlage im MPI-Halbleiterlabor wurden, neben den oben erwähnten Untersuchungen von Prototyp-CCDs für die ROSITA Mission, auch neue Elektroniksysteme zur Datenerfassung getestet. Daneben finden Messungen zur Bestimmung und Minimierung der Hintergrundstrahlung für den Einsatz eines CCD-Detektors beim CAST-Projekt statt. In the ROESTI test facility within the MPI semiconductor laboratory we tested, besides the above mentioned prototype CCDs for the ROSITA mission, also new electronic systems for data read-out. In addition measurements are performed to determine and minimize the background radiation for the operation of a CCD detector in the CAST project.
In der CALIFA-Testanlage wird insbesondere die Strahlenhärte von Siliziumdriftkammern untersucht. Zur Bestimmung der Energieauflösung wird eine am Institut entwickelte Mehrfachtarget-Röhre eingesetzt. In the test facility CALIFA especially the radiation insensitivity of silicon drift chambers is investigated. To determine the energy resolution of the devices we use a multiple-target tube, developed in-house.
Die Projekte der Röntgenastronomie wurden wie folgt gefördert: DLR unterstützte die Projekte ROSAT (50.QR.9002.0), XMM (50.OX.9601.7, 50OX.9302.5, 50OX.9701.5), ROSITA (50OZ0101) und das Halbleiterlabor (50RT0202). ESA/ESTEC förderte XEUS (15851/01/NL/HB) und XMM (10469/93/NL/RE und 8873/90). Desy unterstützte CAST (05CC2EEA/9) und GAVO (05AE2EE1/4). Wir erhielten auch Mittel von der Verbundforschung (50.OR.0207), von der Dr. Johannes Heidenhain Stiftung und aus der EU-Förderung (FMGE-CT98-0106). The projects of the X-ray astronomy group were supported as follows: DLR is funding the projects ROSAT (50.QR.9002.0), XMM (50.OX.9601.7, 50OX.9302.5, 50OX.9701.5), ROSITA (50OZ0101) and the semiconductor laboratory (50RT0202). ESA/
ESTEC supports XEUS (15851/01/NL/HB) and XMM (10469/93/NL/RE and 8873/90). Desy supports CAST (05CC2EEA/9) and GAVO (05AE2EE1/4). We also received funds from the Verbundforschung (50.OR.
0207), from the Dr. Johannes Heidenhain Stiftung and from EU-projects (FMGE-CT98-0106).

MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002


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