MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003

3.    Experimentelle Entwicklung und Projekte /
   Experimental Development and Projects

3.2   Infrarot/Submillimeter Astronomie  /  Infrared/Submillimeter Astronomy

Die ersten Beobachtungen mit unserem feldabbildenden Nahinfrarotspektrometer SPIFFI als Gastinstrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO sind ein weiterer großer Schritt in unserem Instrumentierungsprogramm für 8m-Teleskope. Das große Potential hochaufgelöster, empfindlicher Nahinfrarotbeobachtungen wird in den spektakulären Beobachtungen des Zentrums unserer Milchstraße mit SPIFFI und NACO, und in dynamischen Studien naher und ferner Galaxien klar. Nächste Schritte unseres Instrumentierungsprogramms im nahen Infrarot sind 2004 die Inbetriebnahme der Kombination SINFONI von SPIFFI mit einer adaptiven Optik, sowie unseres PARSEC Lasers für den VLT Laserleitstern. Unser Instrumentierungsprogramm im fernen Infrarot ist das zweite Element in unserem Ansatz einige wissenschaftliche Schlüsselfragen, zum Beispiel in Bezug zur Galaxienentstehung, über einen weiten Bereich von Wellenlängen, spektralen und räumlichen Auflösungen zu untersuchen. Die großen Projekte sind hier PACS für das Herschel Space Observatory und FIFI-LS für das SOFIA Flugzeugobservatorium.

The first observations of our near-infrared integral field spectrometer SPIFFI as a guest instrument at ESO's Very Large Telescope (VLT) mark another significant step in our instrumentation program for 8m class telescopes. The great potential of high resolution, sensitive near-infrared observations is evident in the spectacular observations of the centre of our Galaxy with SPIFFI and NACO, as well as in dynamical studies of nearby and distant galaxies. The next steps in our near-infrared instrumentation program will be the 2004 commissioning of the SINFONI combination of SPIFFI with an adaptive optics system, as well as of our PARSEC laser for the VLT laser guide star facility. Our far-infrared instrumentation program is the second element in our approach to tackle a number of key scientific questions, for example related to the evolution of galaxies, over a wide range of wavelengths and spectral and spatial resolving powers. The major developments here are PACS for the Herschel Space Observatory, and FIFI-LS for the SOFIA airborne telescope.

Abb. 3-3: Das feldabbildende Nahinfrarotspektrometer SPIFFI als Gastinstrument am Cassegrainfokus des Very Large Telescope der ESO (Frühjahr 2003).

Fig. 3-3: The near-infrared integral field spectrometer SPIFFI operating as a guest instrument at the Cassegrain focus of ESO's Very Large Telescope (Spring 2003).

 

Anfang 2003 ging unser abbildendes Nahinfrarotspektrometer SPIFFI erstmals am Großteleskop VLT der ESO in Chile in Betrieb (Abb. 3-3). SPIFFI ermöglicht abbildende Spektroskopie eines zusammenhängenden, zweidimensionalen Bereichs von 32 x 32 Bildelementen im Wellenlängenbereich von 1.1-2.45 µm bei einer spektralen Auflösung von 1300-3500. Das Ergebnis ist ein simultaner Datenkubus mit zwei räumlichen und einer spektralen Dimension. SPIFFI ist der Nachfolger des abbildenden Spektrometers 3D, des weltweit ersten Infrarotinstruments dieser Art, das Anfang der 90er Jahren am MPE entwickelt wurde. Mit der Einführung der neuen Generation von Detektoren mit 10242 Bildelementen Mitte der 90er Jahre wurde dann mit der Entwicklung von SPIFFI begonnen, das eine Größenordnung mehr räumliche und spektrale Kanäle als 3D bietet, und 20 bis 50 mal empfindlicher für Punktquellen ist. Das ganze Instrument wird in einem Badkryostaten mit flüssigem Stickstoff auf -190°C gekühlt.

In the beginning of 2003, our near-infrared integral field spectrometer SPIFFI has seen first light at the ESO Very Large Telescope (VLT) in Chile (Fig. 3-3). SPIFFI offers imaging spectroscopy of a con­tiguous, two-dimensional field of 32x32 spatial pixels in the 1.1-2.45 µm wavelength range and a spectral resolving power of 1300-3500. As a result, the instrument delivers a simultaneous data-cube with two spatial dimensions and one spectral dimension. SPIFFI is the successor to the MPE integral field spectrometer 3D, the world's first infrared integral field spectrometer developed in the early 1990s. When the new generation of 10242 pixels, near-infrared detectors became available in the mid-1990's, we started the development of SPIFFI, for an order of magnitude increase in the number of spatial and spectral elements over 3D, and a factor of 20 to 50 improvement in point source sensitivity. The entire instrument is cooled in a bath cryostat with liquid nitrogen to the temperature of ‑190°C.

Nach den abschließenden Tests im Dezember 2002 kam das Instrument am 9 Januar 2003 am Paranal-Observatorium an. Die Inbetriebnahme am Teleskop erfolgte in den Nächten vom 8. bis 13. Februar. Dank der sorgfältigen Konstruktion erschien das erste Objekt sofort, nur wenige Bogensekunden entfernt von der Gesichtsfeldmitte von SPIFFI. Die schärfsten Aufnahmen während der anschließenden Beobachtungen im März und April hatten eine Halbwertsbreite von nur 0.25 Bogensekunden. Mehr als 30% aller Photonen, die am Teleskop eintreffen, werden letztendlich auch detektiert. Mit dieser Lichtausbeute lässt SPIFFI seine Herausforderer weit hinter sich. SPIFFI lässt sich einfach bedienen und erfordert kein Expertenwissen über abbildende Spektroskopie. Dem Astronomen wird bereits während der Beobachtung ein rekonstruiertes Bild zur Verfügung gestellt. Da die Rohdaten eines abbildenden Spektrometers diverse Besonderheiten aufweisen, gibt es eine spezielle Datenreduktionssoftware für SPIFFI. Das Programmpaket hält alle Hilfsmittel für die Kalibration und Reduktion der SPIFFI Daten bereit, einschließlich Wellenlängenkalibration und Bildrekonstruktion. Nach 20 sehr erfolgreichen Beobachtungsnächten im März und April wurde SPIFFI dann zurück nach Deutschland transportiert, um es hier mit einer adaptiven Optik auszurüsten, die bei der ESO entwickelt wurde, und zusätzlich beugungsbegrenzte Beobachtungen ermöglicht.

After its final tests at MPE in Garching in December 2002, the instrument arrived on the Paranal Observatory on 9 January 2003. During the nights from February 8 through 13, SPIFFI was commissioned. Thanks to the careful design of the instrument, the first target appeared immediately within a few arcseconds of the SPIFFI field centre. The best images, taken during science operation in March and April, had a full width at half maximum of only 0.25 arcsec. More than 30% of all photons arriving at the telescope are eventually detected. With this overall efficiency, SPIFFI significantly outperforms competing integral field spectrometers. SPIFFI's operation is straightforward, and requires no in-depth knowledge of integral field spectroscopy. A quick-look image reconstruction allows the instantaneous display of the reconstructed image during acquisition and observing. Because of the various peculiarities of the raw data from integral field spectroscopy, SPIFFI has its own data reduction software. This package provides all tools for the calibration and reduction of SPIFFI data, including wavelength calibration and image reconstruction. After 20 nights of very successful observations, SPIFFI was shipped back to Germany for the integration with an adaptive optics developed at ESO. This will then also allow diffraction limited observations starting 2004.

Unser PARSEC Laser wird 2004 am VLT UT4 als Teil der Laserleitsterneinrichtung installiert werden. Er erzeugt einen stabilen leistungsstarken Laserstrahl, der in die Natriumschicht in der Mesosphäre projiziert wird. Dieser künstliche Leitstern wird den Instrumenten SINFONI und NACO mit adaptiver Optik sehr hohe räumliche Auflösung, selbst auf schwachen Zielen erlauben. Im letzten Jahr wurden alle Hauptkomponenten in das Lasersystem integriert. Erste Tests mit dem endgültigen Verstärker bestätigten die Vorhersage, dass eine Ausgangsleistung von 20 W erreicht werden kann, allerdings mit typischeren Werten um 15 W. Da im Normalbetrieb am Paranal nur 10-12 W benötigt werden, entsteht eine Reserve für verlässlichen Observatoriumsbetrieb. Um die Systemstabilität zu verbessern, haben wir die Phasenkopplung im Verstärker geändert. Sie ist jetzt wesentlich einfacher und robuster und benutzt nur den Referenzstrahl in der Natriumlinie um die Resonanzfrequenz des Hohlraums anzupassen. Bei der Suche nach der richtigen Einstellung läuft der Regelkreis langsam um den Rauschabstand zu maximieren. Wenn gekoppelt, läuft der Regelkreis schnell um Längenänderungen des Hohlraums zu minimieren.

PARSEC is our laser which will be installed on the VLT UT4 in 2004 as part of the Laser Guide Star Facility. It provides a stable high power laser beam which will be projected into the mesospheric sodium layer. This artificial guide star will allow the adaptive optics instruments NACO and SINFONI to achieve very high spatial resolution even on faint targets. Over the past year all the major components have been assembled and integrated into the laser system. Initial tests with the final amplifier confirmed the predictions that an output power of 20 W can be achieved, however with more typically values around 15 W. Since only 10-12 W are needed during normal operation at Paranal, a reserve, leading to more reliable performance at the observatory is available. In order to optimise the stability of the system, we have redesigned the phase locking scheme for the amplifier. It is now much simpler and more robust than before, using only the injected sodium line beam to adjust the resonance frequency of the cavity. When searching for the right setting, the control loop runs slowly to maximise the signal to noise; when locked, the loop runs fast to minimise cavity length deviations.

Die Softwareentwicklung war sehr erfolgreich, ein bemerkenswerter Grad von Autonomie und Fernbedienung konnte erzielt werden. Die Startsequenz für den Referenzlaser enthält jetzt sowohl die Leistungsregelung durch Anpassung der Ausrichtung der Hohlraumspiegel bis zum Erreichen der maximalen Ausgangsleistung, als auch die Frequenzsuche bis zum Erreichen und Kopplung an die Natriumlinie. Dadurch ist es jetzt möglich den Laser durch Fernbedienung mit wenigen Ja/Nein-Entscheidungen zu starten. Wir arbeiten derzeit an der Einbeziehung des Verstärkers. Dieser hohe Grad der Fernbedienung wird den Betrieb des Lasers nach der Installation auf dem Paranal sehr vereinfachen.

The software development has been very successful, and a remarkable degree of automatisation and remote control could be implemented. The “powertrack”, which adjusts the pointing of the cavity mirrors until the maximum output power is reached, and the “autotune”, which tunes the frequency of the laser until it reaches that of the sodium line and then locks it there, have both been implemented into the start-up template for the master laser. This means that it is now possible to start the laser from a remote location by making only a few “yes/no” decisions. We are in the process of extending this to the amplifier. Such a high degree of remote control over the laser will greatly simplify its operation once it is installed at Paranal.

Das Large Binocular Telescope (LBT) auf Mt. Graham in Arizona ist ein Teleskop mit zwei 8.4-Meter Hauptspiegeln an dem fünf deutsche Institute, darunter MPE, mit 25% beteiligt sind. Mit der Lieferung des letzten Satzes Hardpoints für die Hauptspiegel wurde der MPE Beitrag zum Teleskop abgeschlossen. Die Teleskop-Montierung wurde in diesem Jahr auf dem Berg installiert und der erste Hauptspiegel geliefert. Damit sind wesentliche Voraussetzungen dafür gegeben, dass das Teleskop Mitte 2004 erstes Licht sieht.

The Large Binocular Telescope (LBT) on Mt. Graham in Arizona is a twin 8.4 meter telescope, in which five German institutes, including MPE, hold a 25% share. With the delivery of the last set of hard points for the primary mirrors, the MPE contribution to the telescope has been completed. This year, the telescope mount has been installed on the mountain, and the first primary mirror has been delivered. Thus, essential prerequisites for first light in mid 2004 are now fulfilled.

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. In diesem Jahr haben wir die Konstruktionsphase des Instruments abgeschlossen und mit dem Bau der Komponenten begonnen. Am MPE wurden wesentliche Komponenten der Multi-Objekt-Einheit (MOS-Einheit) gebaut und mit der System-Integration begonnen. Der für Tests erforderliche Kryostat wurde von einer Firma in Zusammenarbeit mit dem MPE konstruiert und gebaut. Eine erste Version der Steuerelektronik für die MOS-Einheit wurde vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg beigestellt. Die zum Wechsel der Masken-Magazine erforderlichen Hilfskryostaten wurden auch konstruiert.

LUCIFER is a near-infrared (1 to 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. This year, we have finished the design of the instrument, and started component manufacturing. At MPE, essential components of the multi-object unit (MOS unit) have been built, and the system-integration started. The test cryostat has been designed and built by a collaboration of MPE and an external company. A preliminary version of the MOS unit control electronics has been provided by the Max-Planck-Institut für Astronomie at Heidelberg. The auxiliary cryostats, required for the mask cabinet exchange, have also been designed.

Abb. 3-4: Die erste Version einer Kippspiegel-Einheit für KMOS. Links die Spiegelattrappe in ihrer kardanischen Aufhängung. In der Seitenansicht rechts sind die beiden Nanomotoren in den Durchbrüchen der Struktur zu erkennen; rechts die kardanische Spiegel-Aufhängung, links die beiden Positionssensoren.

Fig. 3-4: The first version of a steering mirror unit for KMOS. The left image is a front view showing the mirror dummy in its gimballed mount. The right image is a side view showing the Nanomotors inside the structure; the gimballed mirror mount is the rightmost part; the two tubes at the left side are the position sensors.

KMOS ist ein multi-feldabbildender Nahinfrarot­spektrograph (1-2.5 µm) der zweiten Generation für das VLT. Im September erhielt unser, von der Universitäts-Sternwarte München geführtes, Konsortium, mit Beteilung der Infrarotgruppe und der Gruppe interpretative Astronomie des MPE sowie britischer Gruppen, den Zuschlag von ESO für den Bau des Instruments. Wir haben sowohl Komponenten des Referenzentwurfs, in dem Arme feldabbildende Optiken (IFUs) aus Bildfeldzerlegern positionieren, als auch Alternativen untersucht. Der Prototyp eines kryogenen Mechanismus zur Positionierung der IFUs wurde gebaut. Die Charakterisierung von Glasfasern wurde auf das K-Band ausgedehnt. Rockwell hat im Auftrag des MPE ein- und zweidimensionale Mikrolinsen-Arrays mit runden Linsen von 0.15 mm Durchmesser bzw. hexagonalen Linsen von 0.3 mm Breite gefertigt. Probleme bereitet weiter die Verbindung der Mikrolinsen mit den 0.1 mm dicken Glasfasern. Wegen dieser Probleme haben wir alternativ den Prototyp eines kryogenen Kippspiegels konstruiert, gebaut und erfolgreich getestet (Abb. 3-4). Diese Einheit kann einen Spiegel von bis zu 2 cm Durchmesser um zwei Achsen in seiner Oberfläche um einige Grad kippen. Der Antrieb sind Nanomotoren, die einen Hub von etwa 1 cm mit einer Auflösung im Nanometer-Bereich besitzen. Diese Motoren und die Positionssensoren sind für einen Betrieb bei 4 K ausgelegt.

KMOS is a second-generation near-infrared (1-2.5 µm) multi-integral-field spectrograph for the VLT. In September, ESO selected for building the instrument our consortium led by the Universitäts-Sternwarte München, including the infrared and interpretative astronomy groups at MPE and several British groups. We have studied components for the baseline design which is using arms to position integral field units (IFUs) based on image slicers, as well as design alternatives. The prototype of a cryogenic mechanism for IFU positioning has been built. The characterisation of optical fibres has been extended into the K-band. Rockwell has produced one- and two-dimensional micro-lens arrays with circular cross sections of 0.15 mm diameter and hexagonal cross sections of 0.3 mm width, respectively. The connection of these micro-lenses to the optical fibres with 0.1 mm diameter is still an unsolved problem. Because of this problem, we have investigated an alternative way of source selection by stationary steering mirrors. We have designed, built, and successfully tested the prototype of a cryogenic steering mirror unit (Fig. 3-4). This unit can tilt a mirror of up to 2 cm diameter by a few degrees in two axes in its surface. The motion is driven by so called Nanomotors with a maximum stroke of about 1 cm and a resolution in the nanometer range. The motors as well as the position sensors are specified for operation at 4 K.

Für das Herschel Space Observatory der ESA, das im Jahr 2007 gestartet werden soll, trägt das MPE, als PI-Institut innerhalb eines europäischen Konsortiums von 14 Instituten aus 6 Ländern, die Verantwortung für den Bau und Betrieb eines der drei Fokalebeneninstrumente. PACS (Photodetector Array Camera & Spectrometer) ist ein abbildendes, kombiniertes Photo/Spekt­rometer für den Wellenlängenbereich 57–210 µm.

For the Herschel Space Observatory, an ESA cornerstone mission to be launched in 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 a combined 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 und die Sternenstehung im Innern von Molekülwolken geben werden. 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 zweidimensionale Detektorarrays aus 25x16 gedrückten Germanium-Photoleitern. Damit sind z.B. detaillierte Untersuchungen an Galaxien und ihren Kerne 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 and about star formation inside nearby molecular clouds. In spectroscopy mode PACS will cover a field-of-view of ~50''x50'' and simultaneously produce a line spectrum for each of the 5x5 spatial pixels with a spectral resolution of ~170 km/s. This is feasible by an optical image slicer which is feeding a grating spectrograph. As detectors we use two-dimensional arrays of 25x16 stressed germanium photoconductors. This allows, e.g., detailed studies of galaxies and their nuclei including a discrimination of the energy sources in highly redshifted, ultraluminous objects.

Zum Jahresende musste das Qualifikationsmodell (QM) von PACS für die Anfang 2004 beginnenden Tests auf Instrumentenebene bereit sein. Dazu wurde Anfang des Jahres das mechanisch mit der Flugeinheit identische Strukturmodell auf der Testanlage des MPE einem Schütteltest bei Raumtemperatur unterzogen. Damit wurde die Übereinstimmung der dynamischen Analyse mit den gemessenen Lasten an den Schnittstellen zu den Untereinheiten des Instruments nachgewiesen. Nach Aufrüstung der Struktureinheit zum Struktur- und Thermalmodell erfolgte zur Jahresmitte die Qualifikation in der Kryo-Schüttelanlage des Centre Spatial de Liège, Belgien (Abb. 3-5). Das insgesamt sehr positive Ergebnis dieser Kampagne war, dass lediglich die Bolometereinheit einer separaten Nachqualifikation unterzogen werden muss. Die meisten Untereinheiten des QM sind bereits beim MPE angekommen und in die Struktur integriert worden. Die engen Toleranzen bei der Justage der komplexen Optik des Instruments konnten eingehalten werden. Die Tieftemperatur-Mechanismen erfüllen ihre Spezifikationen und sind nach ESA-Standard qualifiziert.

By the end of this year, the qualification model (QM) of PACS had to be ready for the instrument level tests starting in early 2004. To reach this goal we performed ambient temperature vibration tests on the structural model, which is mechanically identical with the flight model, at the MPE test facility early this year. With this test we could demonstrate agreement between the dynamical analysis and the measured transfer loads at the interfaces to the subunits of the focal plane unit. After an upgrade of the structural model to a full structural and thermal model the qualification of the focal plane unit was performed at the cryo-vibration facility of the Centre Spatial de Liège, Belgium (Fig. 3-5). The result of the generally very successful campaign was that only the bolometer unit needs to undergo a separate requalification. Most subunits of the QM have already been arrived at MPE and have been integrated into the structure. The tight tolerances with the alignment of the complex optics of the instrument could be met. The cryo-mechanisms fulfil their specifications and have been qualified according to ESA standards.

Abb. 3-5 links: Struktur- und Thermalmodell des PACS-Fokalinstruments auf dem Helium-gekühlten Schütteltisch am Centre Spatial de Liège. Rechts: Gedrücktes Ge:Ga Detektorarray mit Lichtsammelhörnern und integrierter Kryo-Ausleseelektronik.

Fig. 3-5 left: Structural/thermal model of the PACS focal plane unit on the liquid helium cooled shaker table at the Centre Spatial de Liège. Right: Stressed Ge:Ga detector array with light cones and integrated cryogenic readout electronics.

Die Fertigung der Module für die zweidimensionalen Germanium-Detektorarrays bei ASTEQ (Kelkheim) wurde für das QM abgeschlossen; alle Module wurden getestet und danach in die Detektorgehäuse integriert (Abb. 3-5). Die kryogene Ausleseelektronik für die Detektoren, die bei IMEC (Leuven) entwickelt wird, konnte entscheidend verbessert werden; insbesondere konnte das kritische Eingangsstromrauschen um eine Größenordnung reduziert werden. Wir erwarten nun, dass wir mit PACS die durch das Teleskop bedingte Empfindlichkeit erreichen werden.

The manufacture of the modules for the two-dimensional germanium detector arrays at ASTEQ (Kelkheim) has been completed for the QM; all modules have been tested and subsequently been integrated in the detector housings (Fig. 3-5). The cryogenic readout electronics for the detectors which is being developed by IMEC (Leuven) has been improved dramatically. Particularly, the critical input current noise could be reduced by an order of magnitude. Now we can expect PACS to reach the sensitivity limit as set by the telescope.

Der Zusammenbau der Bolometereinheit bei CEA (Saclay), einschließlich des 0,3K-Kühlers, ist nahezu abgeschlossen. Im Sommer konnte die Funktion der gesamten Signalkette, von den Bolometern über die Verstärkerstufen bei 0,3 K und 2 K bis zur flugähnlichen warmen Elektronik, demonstriert werden. Bandbreite und Rauschwerte der kalten Elektronik im Zusammenspiel mit der gemessenen Bolometer-Empfindlichkeit lassen erwarten, dass wir mit dem Photometer die geforderte Empfindlichkeit sogar übertreffen werden.

The assembly of the bolometer unit at CEA (Saclay) including the 0.3 K cooler is nearly finished. During the summer of this year the operation of the entire signal chain, starting with the bolometers through the 0.3 K and 2 K amplifier stages up to the flight-similar warm electronics, could be demonstrated. Bandwidth and noise of the cold electronics together with the measured bolometer responsivity indicate that the bolometer sensitivity may even surpass the requirements.

Als wichtige Untereinheiten der Fokalebenen-Einheit werden am MPIA (Heidelberg) der Chopper und bei CSL (Liege) die Gitterbaugruppe entwickelt. Für diese beiden kryogenen Präzisionsmechanismen wurden die Qualifikationsmodelle erfolgreich getestet; insbesondere konnte das geforderte dynamische Verhalten beider Einheiten nachgewiesen werden. Das Qualifikationsmodel des Beugungsgitters wurde nach seiner Fertigstellung optisch getestet und erfüllt alle Anforderungen.

Two important subunits of the focal plane unit, the chopper and the grating assembly, are being developed at MPIA (Heidelberg) and CSL (Liege), respectively. For both high-precision cryo-mechanisms the qualification models have been successfully tested. Notably, the required dynamic performance could be demonstrated for both subunits. The qualification model of the diffraction grating has been measured optically and mechanically after manufacture. It fulfills all requirements.

Die Ingenieurmodelle für die warmen Elektronikeinheiten, die bei unseren Partnern IAC (Teneriffa), IFSI (Rom) und CSL (Liege) entwickelt werden, wurden auf Instrumentenebene am MPE umfassend getestet. Dabei traten eine Reihe von Problemen mit Hardware und Software auf, die inzwischen zum größten Teil behoben wurden. Die Charakterisierung und Eichung des Instruments erfolgt in der Verantwortung des MPE. Die Fertigung aller benötigten Eich- und Testeinrichtungen ist weitgehend abgeschlossen. Der große Testkryostat zur Eichung des Gesamtinstrumentes wurde bei Cryovac (Troisdorf) fertig gestellt und mit dem am MPE gefertigten Kryo-Kabelbaum versehen. Die notwendige Haltezeit konnte nach einer Konstruktionsänderung erreicht werden.

MPE is responsible for the complete characterization and calibration phase of the instrument. The engineering models for the warm electronics units, developed by our consortium partners, IAC (Tenerife), IFSI (Rome), and CSL (Liege), have been finished and extensive instrument level tests have been performed at MPE. A number of problems with hardware and software occurred, most of which have been corrected in the meantime. The manufacture of all required test- and calibration equipment is nearly complete. The con­truction of the large test cryostat for the calibration of the integrated instrument has been accomplished at Cryovac (Troisdorf), and the cryo-harness manufactured at MPE has been integrated. After a design change the required “hold time” has been achieved.

Die Zusammenarbeit mit Alcatel (Cannes) als Hauptauftragnehmer für das Herschel/Planck-Projekt sowie Astrium (Friedrichshafen) als Unterauftragnehmer für den Herschel-Kryostaten wurde verlängert; in der Zwischenzeit haben wir gemeinsam nahezu alle Schnittstellen geklärt. Zusammen mit ESA und dem Satellitenkonsortium haben wir uns auf einen Gesamtzeitplan für den Bau und die Tests auf Instrumenten- und Systemebene geeinigt, der einen Start im Jahr 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 extended; meanwhile we have, together with industry, clarified almost all critical interfaces and have agreed on an integrated schedule for the development and tests on instrument and system level to ensure a launch in the year 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. Weiterhin wurde eine Softwareumgebung geschaffen, die die an Bord stattfindende Datenreduktion und Kompression, unabhängig von der Flughardware testet, und somit eine bessere Unterstützung der, bei unseren Partnern in Wien (Universitätssternwarte und TU Wien), laufenden Flugsoftwareentwicklung erlaubt. Eine erste Version der Benutzersoftware für „Quicklook“ und interaktive Analyse der wissenschaftlichen Daten liegt vor. Damit können die Tests des gesamten Instruments planmäßig beginnen.

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. Also, a software environment has been created which allows tests of the on-board data reduction and compression algorithms independently of the on-board hardware, thus enabling a better support of the ongoing flight software development at our partner institutes in Vienna (University Observatory and Technical University of Vienna). A first version of the user software for Interactive Analysis and Quick-Look Analysis of the science data is available now so that the instrument level tests can commence on schedule.

Das MPE ist mit SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) weiterhin aktiv an der Flugzeuggestützten Astronomie beteiligt. Mit den 2003 erzielten Fortschritten liegt das SOFIA Projekt im Zeitplan (erster Flug im Sommer 2005). Das aus Deutschland stammende 2.7 m Teleskop wurde in das SOFIA Flugzeug (Boeing 747SP) eingebaut und wird zur Zeit eingehenden Tests unterzogen.

MPE is continuing its active involvement in airborne astronomy with SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). The SOFIA project is proceeding on a schedule (first flights in summer 2005) with significant progress during 2003. In particular, the German 2.7 meter telescope was installed into the SOFIA airplane (Boeing 747SP) and is undergoing detailed qualification tests.

Das MPE entwickelt mit FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) eines der beiden deutschen Instrumente der ersten Generation für SOFIA. Erstmals wird für Beobachtungen im fernen Infrarot ein feldabbildendes Spektrometer aufgebaut. Das Instrument besitzt zwei unabhängige Gitterspektrometer mit mittlerer Auflösung (R~2500), welche zwei großflächige Ge:Ga Detektorarrays von jeweils 25x16 Pixel ausleuchten. Das langwellige Detektorarray für den Wellenlängenbereich 110–210 µm wurde erfolgreich ersten kryogenen Tests unterzogen. Die im Aufbau leicht modifizierten kurzwelligen Detektorarrays für den Bereich 42-110 µm werden zur Zeit integriert.

The MPE is developing one of the two, first generation German instruments for SOFIA: FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer). We use for the first time in the far-infrared an integral field spectrometer with two independent, separate medium resolution (R~2500) grating spectrometers with common fore-optics, feeding two large format Ge:Ga arrays of 25x16 pixels each. This year we performed first cryogenic tests on the long wavelength detector array for the wavelength range 110-220 µm, the blue array for the 42-110 µm range is being assembled with slight design modifications.

Weil SOFIA als Zivilluftfahrzeug betrieben wird, müssen auch die wissenschaftlichen Instrumente eine Lufttauglichkeitszulassung durch die amerikanische Flugaufsichtsbehörde (FAA) aufweisen. Diese Zulassung wurde 2003 für viele Komponenten von FIFI-LS erteilt, unter anderem für das Kryostatengehäuse, die Haltestruktur des Instrumentes sowie die kryogenen Behälter (Abb. 3-6). Danach konnte ein Großteil dieser Komponenten gefertigt und ersten Tests unterzogen werden. Mit Lieferung der Einzelteile wurde außerdem mit der Integration von FIFI-LS begonnen.

SOFIA will be operated as a civil aircraft, which requires design approval for all science instruments by the American Federal Aviation Agency (FAA). Many important parts of FIFI-LS, including vacuum vessel, instrument mount, and cryogen vessels, have been approved by FAA in 2003 (Fig. 3-6). Most of those components have been manufactured and are undergoing qualification and compliance tests. With delivery of instrument components the assembly of FIFI-LS was started.

Abb. 3-6 links: Das Kryostatengehäuse von FIFI-LS zusammen mit der Haltestruktur, mit der das Instrument am Instrumentenflansch des SOFIA Teleskopes montiert wird. Rechts: Einzelteile der kryogenen Behälter für flüssigen Stickstoff (oben) und flüssiges Helium (unten).

Fig. 3-6 left: The FIFI-LS vacuum vessel together with the cradle structure which is required to mount the instrument onto the SOFIA telescope flange. Right: Component parts of the cryogenic vessels holding liquid nitrogen (top) and liquid helium (bottom).

Wesentliche Fortschritte sind auch bei der Entwicklung und Fertigung der FIFI-LS Elektronik zu verzeichnen. Das Design der zum Betrieb der Detektoren benötigten Elektronikkomponenten wurde nahezu ab­geschlossen. Ein wesentlicher Teil der Komponenten ist bereits zur Fertigung vergeben. Somit kann Anfang 2004 mit ersten Tests des vollständigen Signalpfades, einschließlich des kryogenen Teils der Detektorausleseelektronik, begonnen werden.

Considerable progress has been made in the development and manufacture of the FIFI-LS electronics. The design of electronic components required for the operation of the detector arrays is nearing completion. Many components are in manufacture; first test of the complete signal chain, including the cryogenic read out electronics, are expected early 2004.

In Zusammen mit der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) wurde auch die Instrumentensoftware weiterentwickelt. Die Steuerung des Instrumentes und des Teleskops steht unter Verantwortung der UIUC. Vom MPE wird die Entwicklung der Datenaufnahmesoftware sowie die Datenreduktion und -visualisierung übernommen.

Software development is performed in cooperation with the University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC). UIUC holds responsible for the instrument and telescope control software, while the data acquisition software as well as data reduction and visualization software is developed at MPE.

Wir haben unsere Aktivitäten zur Entwicklung von Ferninfrarot-Detektoren auf der Basis von n-leitendem Galliumarsenid in Zusammenarbeit von MPE, UCB (University of California, Barkeley), LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) und der Naval Postgraduate School in Monterey fortgesetzt. Mit der Genehmigung unseres Forschungsantrages an die NASA im Oktober wurde für drei weitere Jahre die nötige Finanzierung des ehrgeizigen Entwicklungsvorhabens gesichert. Die vorgeschlagenen Arbeiten zur Realisierung eines Photodetektors, der bis 320 µm Wellenlänge empfindlich ist, konzentrieren sich auf drei Punkte: (1) Auf die Herstellung extrem reiner Schichten mit Hilfe der Flüssigphasen-Epitaxie-Zentrifuge an der UCB, (2) auf die Herstellung der Te-dotierten infrarot-ak­tiven, photoleitenden Absorptionsschicht mit sehr niedriger Kompensation und (3) auf die Herstellung einer Detektorstruktur aus vier höchst unterschiedlich dotierten GaAs Schichten. Hiermit lässt sich dann die angestrebte Version eines „Blocked Impurity Band“ Detektors (BIB) verwirklichen. Die Arbeiten im vergangenen Jahr konnten in einigen Teilbereichen wesentliche Fortschritte erzielen wie z.B. den Nachweis der breitbandigen FIR Absorption einer Schicht mit Störstellenband-Leitung. Mit der zugesagten Finanzierung sollen neben der prinzipiellen Realisierung dieses Detektortyps auch die technischen Voraussetzungen zur späteren Verwirklichung eines zweidimensionalen Detektorarrays erprobt werden.

We continued our activities concentrating on the development of far infrared photoconductive detectors based on n-type gallium arsenide material, in collaboration between MPE, UCB (University of California, Barkeley), LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) and the Naval Postgraduate School in Monterey. Approval of our NASA research proposal in October this year has assured the necessary funding for this ambitious development program for a period of three more years. The main part of the proposed work to realize a photodetector sensitive up to 320 µm wavelength will concentrate on three topics: (1) manufacture of high purity layers using the liquid phase epitaxy centrifuge at UCB, (2) growth of a Te-doped infrared active impurity band conductive absorption layer with very low compensation ratio, and (3) manufacture of a detector structure consisting of four layers with quite different doping concentrations to form the required type of a “blocked impurity band” (BIB) detector. Activities in the past year could demonstrate considerable progress in specific areas like verification of the extended and broad wavelength range of an impurity band conductive layer. The granted funds will be used not only to verify the principle of this detector type, but also to prove the technical pre-requisites to produce later on a two-dimensional detector array.

Das ISO-Spektrometerdatenzentrum (ISOSDC) am MPE ist Mitglied im Koordinierungsausschuss für die aktive Archivphase (AAP), der vom ISO Datenzentrum in Villafranca (Spanien) geleitet wird. Die AAP soll bis 2006 optimalen Zugang zu den ISO-Daten für die wissenschaftliche Analyse und die Vorbereitung der Folgeprojekte, z.B. Herschel, bieten. Das ISOSDC unterstützt die Nutzung und weitere Verbesserung des Archivs der ISO-Mission, sowohl durch Benutzerbetreuung als auch durch Beiträge zur Dokumentation in der ISO Explanatory Library. Zusammen mit SRON (Groningen) und K.U. Leuven, entwickeln und verbessern wir Methoden zur Datenreduktion, einschließlich der „Open SWS Interactive Analysis Software“ (OSIA), die Wissenschaftlern die Reduktion der SWS-Daten an ihren Heimatinstituten erlaubt. Die vierte Version von OSIA wurde im Dezember freigegeben. „Highly processed data products“ (HPDP) aus unseren Untersuchungen wissenschaftlich motivierter Stichproben aus dem Archiv werden dort verfügbar sein. Das erste kurzfristige HPDP Projekt ist mit Unterstützung von ESA bereits durchgeführt worden (Aug.-Sept. 2003).

The ISO Spectrometer Data Centre (ISOSDC) at MPE is member of the ISO Active Archive Phase (AAP) Co-ordination Committee lead by the ISO Data Centre (Villafranca, Spain). The AAP, lasting until the end of 2006, has the primary aims of providing optimal access to ISO data for scientific analysis and preparation for subsequent projects, e.g. Herschel. Under the AAP, the ISOSDC continues to promote and support the ISO Data Archive (IDA) and through providing user support and training as well as contributing to the documents comprising the ISO Explanatory Library. In collaboration with SRON (Groningen) and K.U. Leuven, we also undertake the development and improvement of data reduction methods including the Open SWS Interactive Analysis software (OSIA) which allows scientists to process SWS data to high quality at their home institutes. The fourth version of OSIA was released in December. Highly Processed Data Products (HPDP) obtained from our active research on scientifically oriented samples will be ingested into and available from the ISO Data Archive. The first short-term HPDP data reduction project, supported by ESA, has been completed (Aug.-Sept. 2003).

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, getragen von sieben Max-Planck-Instituten. Im Jahre 2003 gab es etwa 30 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 the 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 2003 were approximately thirty 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). Wir erhalten Unterstützung der Verbundforschung für ISO und Lucifer (50 OR 9913 7, 05 AL9EE1 7, 05 AL2EEA1). Die Entwicklung von KMOS wird von ESO gefördert.

DLR supports Herschel/PACS (50 OF 9901 1 and 50 OF 0101) and the ISO spectrometer data centre (50 QI 0202). The European Union supports the projects POE and EURO3D (HPRN-CT-2000-00138, HPRN-CT-2002-00305). We receive support from Verbundforschung for ISO and LUCIFER (50 OR 9913 7, 05 AL9EE1 7, 05 AL2EEA1). KMOS development is supported by ESO.

MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003


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