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SMART - Universität zu Köln

1. 004 118 B 5 Durchf hrung der Tests mit dem Kommunikationsprogramm knc2 UNG PYMII 2424 u a sun a am ana SRS EHR EE EES 120 B 5 1 KNO 2 22 oo 120 B 5 2 PVM3 20 0 2 200 a a 121 C Konvertierung der Kennlinien zu Gapspannungen 122 D Fouriertransformation der Vibrationsdaten 122 E Reduktion der mechanischen Daten 123 Literaturverzeichnis 124 Danksagung 129 131 Lebenslauf 132 1 Zusammenfassungen 1 1 Abstract Astronomical measurements at submm wavelenghts must be performed with low noise receivers A modern mixer which is the main part of an astronomical receiver works close to the quantum limit To optimize the measurement time at a telescope array receivers are built which consist of many mixers To avoid losing the increase of performance because of the complex tuning procedure for each channel a procedure to automatically tune an SIS array receiver for astronomical observation was develo ped and tested To achieve this a hardware interface to connect the control PC to the receiver electronics was developed Additionally driver software for the system and software for controlling the separate parts of the receiver were developed and tested With this system preparatory test measurements have been performed which were the basis of the new programs for the algorithm to tune an SIS array receiver Furthermore programs for measurements at the telesope have been programmed and tested The se include software t
2. Integrations Zeit abgelaufen Speichere Daten und Position Abbildung 80 Flu diagramm des pattern Programms B Software B 3 Kontinuumsmessungen 117 Getrenntes Programm wartet auf Trigger Signal Warte auf Phasenwechsel merke Zeitmarke Me zeit abgelaufen Addiere Kan le Phase unver ndert E Speichere Daten Phase und Zeit marke Schreibe Daten auf Festplatte Abbildung 81 Flu diagramm des array_cobac Programms 118 B Software B A Der PCI DIO 96 Treiber Zur Steuerung eines Acht oder Sechzehn Kanal Empf ngers m ssen v ele Parameter ver ndert werden Alle diese m ssen dem PC zug nglich gemacht werden Daher ist es erforderlich da der Rechner mit ausreichend vielen digitalen Ein bzw Ausg ngen ausgestattet ist In unserem Fall wird eine 96 Kanal Digitale I O Karte von National Instruments verwendet National Instruments liefert die Karte standardm ig mit einem Minimaltreiber f r Windows95 98 bzw Windows NT Systeme aus Da das Steuerprogramm unter Linux eingesetzt wird wurde m Rahmen dieser Arbeit ein Linux Treiber programmiert der die Karte einem normalen Benutzerprogramm in einer akzeptablen Geschwindigkeit zug nglich macht 3 51 25 Au erdem m ssen die sechs 82C55 I O Bausteine konfiguriert werden k nnen B 4 1 Installation des Treibers Der Treiber wird durch Aufrufen von make kompiliert Der Treiber besteht dann aus dem erzeugten pcidio
3. 4 4 Abstimmen der Magnetfeldst rke abgegrenzte Minima die den optimalen Magnetfeldern entsprechen siehe dazu Abbil dung 29 Am oberen Ende sieht man den Bereich in dem die Me elektronik ges ttigt wurde Neben der Summe l t sich auch das Maximum der Konversionskurve bilden Dieses Verfahren reagiert empfindlicher auf nderungen des Magnetfeldes allerdings nur so lange w e das Josephson Rauschen gr er ist als die Konversion Liegen die Shapiro Stufen an denen das Josephson Rauschen maximal ist weit neben dem Konversions maximum des Mischers so liefert dieser Algorithmus keine brauchbaren Informatio nen Das Rauschen bei diesem Me verfahren ist gegen ber der Summenbildung auch wesentlich h her da das Maximum nur einer Einzelmessung entspricht Um den Me vorgang zu beschleunigen kann man eine Eigenschaft der Konversions kurve ausnutzen Durch die Stufe bei geringen Bias Spannungen entsteht bei nicht optimal eingestelltem Magnetfeld ein Signal das ein Ma f r den Josephson Effekt ist Somit reduziert sich der Me scan der gesamten Konversionskurve auf das Messen an zwei Punkten g nstigstenfalls an denjenigen die auch beim Zweipunktme verfah ren der Kennlinie benutzt werden Da diese Peaks relativ schmal ausgebildet sind setzt das allerdings voraus da der Symmetriepunkt genau bekannt st und n cht wan dert Die Bestimmung des Symmetriezentrums kann automatisch an der ungepumpten Kennlinie erfolgen Auch hie
4. nachgestimmt werden Eine weitere Aufgabe von p11 ist die Anbindung der LOs an die Steuersoftware des Fahrprogramms Uber die Kommunikationsschnittstelle werden LO Frequenzen tiber tragen die das Programm umrechnet und dem Programm setsynthe weitergibt welches wiederum die Synthesizer setzt p11 stellt au erdem einen Modus zur Verf gung der es erlaubt die Nummer der Harmonischen der Synthesizer auf die die PLL locken soll zu ver ndern und die ausgerechneten Frequenzen zu den Synthesizern zu geben So kann der Beobachter leicht die Harmonischen einstellen und dabei am Spektrumanalyser beobachten ob die Gunn Frequenz weiterhin gelockt ist B 2 4 beamrot Dies st das Interface zur Beamrotatorsteuerung Es kann zum einen die Position des Beamrotators auslesen und zum anderen eine neue einstellen Au erdem ist es mit dem gleichen Interface wie p11 ausgestattet das es ihm erlaubt mit der restlichen Software des Teleskop Me systemes zu kommunizieren So kann der Astra PC Win kelkorrekturen vorgeben die dann automatisch von der Software bernommen und eingestellt werden Das Programm erlaubt auch ein manuelles Einstellen der Position was f r Skriptprogrammierungen f r Testzwecke zum Vorteil ist 113 114 B Software Ist Position Ist Position Ist Position Soll Wert Abbildung 79 Ansteuerung des Beamrotators B 3 Kontinuumsmessungen B 3 Kontinuumsmessungen F r Kontinuumsmessungen stehen zwei Befehle z
5. i V V I exp dt V 0 cos cr exp 5 sin or dit Z E mi 4 Mit der Fourier Transformation co W a gt I Z 5 no 5 n oo und nach Werthamer kann der resultierende Tunnelstrom durch die Barriere ge schrieben werden als oo lt I t gt Im J do do W o W 0e ee 6 oo Die komplexwertige Funktion j V charakterisiert vollst ndig das physikalische Ver halten der Junction Sie h ngt nicht von der Wechselspannung ab daher k nnen die 3 2 SIS Junctions als Quantenmischer Mischereigenschaften der Junction berechnet werden ohne da man das Wechsel stromfeld kennt Mit einem zeitunabh ngigen Potential V t V Vro 0 wird der imagin re Teil von j V gleich der ungepumpten Kennlinie lt I t gt Im j V Ipc Vp Der Realteil von j V kann aus Jm j V mit Hilfe der Kramers Kronig Transformation berechnet werden i dV Inc V Rn IN ReGV P 1 p A F r gro e Spannungen wird der Gleichstrom durch V R gen hert wobei R der Nor malleitungswiderstand der Junction ist Nach Gleichung 6 und mit amp eV h erh lt man den Tunnelstrom der durch den Lokaloszillator induziert wird gt AR j v 8 I o t Im n oo Diese Gleichung wird als Fourier Reihe entwickelt aus der nur die Terme f r m 0 1 benutzt werden da alle h heren Harmonischen des LO kurzgeschlossen sind Dies ergibt Bolt lo
6. 100 3 m d O 2 Kennlinie gesamte Kennlinie 200 am Symmetriezentrum 8 6 4 2 0 2 4 6 8 Biasspannung mV Abbildung 23 Kennlinie und Konversionskurve eines mit 492 GHz gepumpten SIS Mischers Eingetragen sind die Bereiche anhand derer der Josephson Effekt bestimmt wurde Siehe dazu auch Abbildung 4 4 4 1 Bestimmung des Josephson Stroms anhand der Kennlinie Zur Bestimmung der Gr e des Josephson Effekts kann der kritische Strom bei e1 nem gegebenen Magnetfeld direkt gemessen werden Um ihn zu messen wird die Kennlinie um 200u V um das Symmetriezentrum herum aufgenommen oder mehrfach aufintegriert siehe Abbildung 27 Anschlie end wird an dem linken und dem rechten Ast eine Gerade angefittet Die Differenz der beiden Geraden am Mittelpunkt ist der kritische Strom der ein Ma f r die G te des Magnetfeldes darstellt Alternativ zur Aufnahme ganzer Teile der Kennlinie k nnen auch zwei gleich aber nicht allzuweit vom Symmetriezentrum entfernt gelegene Punkte gew hlt und der Strom dort durch Integration aufgemittelt werden Der Josephson Strom ergibt sich anschlie end aus der Subtraktion der Werte Diese Me methode ist schneller durch f hrbar als das eben beschriebene weil zum einen der Bias Wert weniger h ufig ver stellt werden mu und zum anderen ausschlie lich der Strom gemessen wird Die Bestimmung des Josephson Effekts anhand der Kennlinie hat den Vorteil da kei ne ZF Kette ben tigt wird Die Messungen
7. 51 C Schroeter Programming PCI Devices under Linux The Linux Lab Whitepa pers 1996 52 U Schwenk Charakterisierung von SIS Mischerelementen mit integrierten Ab stimmstrukturen im mm und submm Wellenl ngenbereich Diplomarbeit Uni versit t zu K ln 1994 53 OKI Semiconductor Microprocessor Data Book 1995 54 Entran Sensors and Electronics EG Beschleunigungsaufnehmer EGM S113 15 55 Lake Shore Model 218 Temperaturmonitor Manual 56 E S ever und S Spainhour Perl in a Nutshell O Reilly 1 Auflage 1999 57 S Stanko KOSMA Array Empf nger Steuerung Bedienungsanleitung 2001 58 S Stanko U U Graf und S Heyminck Automatic Tuning of SMART KOS MA s 490 810 GHz Array Receiver In Proceedings of the 13th International Symposium on Space Terahertz Technology Boston 2002 n prep 59 W R Stevens UNIX Network Programming Vol 1 Prentice Hall 2 Auflage 60 J Stutzki AOSOBS Dokumentation 2001 61 A S Tanenbaum Computer Networks Prentice Hall PTR 3 Auflage 1996 62 P Tien und J Gordon Multiphoton Process Observed in the Interaction of Mi crowave Fields with the Tunneling between Superconductor Films Phys Rev 129 1963 63 J R Tucker und M J Feldman Quantum Detection at Millimeter Wavelengths Rev Mod Phys 57 4 1985 64 T Van Duzer und C W Turner Principles of Superconductive Devices and Circuits Edward Arnold 1 Auflage 65 B Vowinkel et
8. Beim Unschalten der einzelnen Kan le gibt es keinerlei Einschwingverhalten was sehr wichtig f r diese Anforderung ist da insbesondere be Kontinuumsmessungen Cobac Messungen aber auch 1m nor malen Betrieb oft zwischen den einzelnen Kan len gewechselt wird A 2 2 Digitale Karte Bei der digitalen Ein Ausgabekarte sieht die Situation wie folgt aus F r die Aus steuerung der beiden analogen Kan le Bias Spannung und Magnetfeld werden nur jeweils drei TTL Signale ben tigt und zwar Up Down Signal Clock und Reset mit dem der Z hler n einen definierten Zustand gebracht werden kann Zus tzlich be n tigt man noch einige Leitungen f r die Freigabe der PC Box sowie die Auswahl des Kanals der abgestimmt werden soll Das Gros der Leitungen wird allerdings als Monitorleitung gebraucht um f r alle Kan le einzeln Zust nde abzufragen wie zum Beispiel den Ausschaltzustand der Junctions und den Ausschaltzustand und Fehler s gnale der IF Prozessoren Kompliziert wird die Verteilung der Signale auf diese 96 Ein und Ausg nge dadurch da die Hardware mit Intel 8255 Bausteinen best ckt ist Dadurch wird zwar das Ansprechen der Bauteile relativ einfach da der 8255 ein A 3 Phase Lock Loop PLL weit verbreitetes und gut dokumentiertes Bauteil ist allerdings m ssen bei der Pla nung der Hardware schon bestimmte Gruppen gew hlt werden da immer nur ganze 8 Bit Gruppen des 8255 als Ein oder Ausg nge gew hlt werden k nnen A
9. Betrieb der Software am geplanten Stratosph renflugzeug SOFIA wichtig da dort die ACE TAO Implementation von CORBA zum Einsatz kommen soll 24 5 4 Kontinuumssoftware Da dem Steuer PC s mtliche ZF Leistungssignale parallel zur Verf gung stehen liegt es nahe ihn als Me rechner f r den Labor und Teleskopeinsatz bei der Aufnahme nichtspektroskopischer Daten zu verwenden Nachdem alle Mischer abgestimmt sind bestehen seine Aufgaben nur noch in der Ubermittlung neuer Beobachtungsfrequen zen an die Synthesizer und in der Steuerung des Beamrotators Somit stehen fiir par allele Kontinuumsmessungen gen gend Ressourcen zur Verf gung Die Aufnahme von Kontinuumsdaten ist bei der Vermessung der Empf ngerkeule im Labor sowie bei Messungen von astronomischen Kontinuumsstrahlern am Teleskop n tig Hier ist insbesondere das On the Fly Me verfahren zu nennen 63 64 5 Der KOSMA Array Empfanger SMART Um die Signalqualita t zu erh hen werden Driften des Systems sowie schnelle Ver n derungen der Atmosph re bei astronomischen Messungen durch ein Signal Referenz Me verfahren herausgerechnet Im Labor werden dazu abwechselnd eine Hotload bei Raumtemperatur sowie eine Coldload bei 77 K gemessen Umgeschaltet werden die beiden Absorber mit Hilfe eines Chopper Rades Zur Messung am Teleskop wird ab wechselnd die astronomische Quelle und eine azimutal dazu verschobene astrahlungs freie Position beobachtet Die Umschaltung erfolgt
10. Fahrprogrammrechner und den Synthesizern setsynthe Setzt die Frequenzen der Synthesizer beamrot Steuert den Beamrotator Hat genau wie pll die Aufgabe Positionsbefehle vom Fahrprogramm an den Beamrotator zu senden B 2 1 rx3 Hierbei handelt es sich um das eigentliche Steuerprogramm Mit ihm k nnen Da ten ausgelesen und Werte eingestellt werden Au erdem ist in diesem Programm der Abstimmalgorithmus untergebracht F r weitere Berechnungen stehen externe Pro gramme zur Verf gung die rx3 aufruft Folgende Daten kann rx3 auslesen e Bias Sannungen der SIS Mischer e Bias Str me der SIS Mischer die anliegenden Magnetfeldstr me e die ZF Ausgangsleistung e eine Information die aussagt ob der Mischer ein oder ausgeschaltet ist die gleiche Information f r den Einschaltzustand der ZF Kan le e der Wert des variablen Abschw chers der ZF Aufbereitung gt Einschaltzustand des Zero Switches und des Kammgenerators e den berlaufindikator der ZF Aufbereitung diese Information steht nur f r den ausgew hlten Kanal zur Verf gung B 2 Steuersoftware e den eingestellten Kanal Folgende Werte k nnen eingestellt werden e Bias Spannung Magnetfeldstrom Variabler Abschw cher e Zero Switch und Kammgenerator e Kanal B 2 1 1 Aufnahme von Strom Spannungs Kennlinien Zur Charakterisierung der SIS Tunnelelemente werden Strom Spannungs Kennlinien aufgenommen Es stehen mehrere M glichkeiten zur Ver
11. Steuer PC Abbildung 36 Blockschaltbild der Array Empfanger Elektronik 51 52 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART Bei der Entwicklung der Elektronik f r den neuen Array Empfanger wurde insbeson dere auf die Modularisierung des Systems eine konsistente Bedienbarkeit sowie die Fernsteuerbarkeit Wert gelegt MeB Verstarker 12 Bit U Analoges Up Down Wandler Ausgangs Z hler Signal Enable Signal SEEE E E PC Logisches Feste Adresse Interface UND dieses Kanals 16 Bit Demultiplexed De Multi Plexer 4 Bit Multiplexed Adressbus Abbildung 37 Erzeugung von Analogspannungen mit Hilfe des Digitalpotentiome ters Auch der PC kann die Werte ver ndern indem er die Signale erzeugt die norma lerweise vom Stellrad und dem Resetschalter kommen Diese werden m PC mit der PCI DIO96 Digitalkarte erzeugt Die analoge Spannung wird mit einem Multimeter angezeigt und mit einem Kanal der ADC Karte gemessen 19 Durch diese Modularisierung wird das System bersichtlicher und leichter zu war ten Au erdem ist so ein teilweiser Betrieb nur der notwendigen Module m glich wenn w hrend der Entwicklungs oder Wartungsphase andere Module fehlen Die einzelnen Module sind in 19 Zoll Einsch ben untergebracht und unabh ngig vonein ander verwendbar Es handelt sich dabei um die Bias Ansteuerung die Steuerung der Magnetfeldstr me das Zwischenfrequenz Aufbereitungsmodul die Ansteuerung der Lokaloszillator
12. loe 9 E bezeichnet den Gleichstrom durch die Junction w hrend Z 10 l T i a die kom plexe Amplitude des Wechselstroms ber der Junction ist ho io alio v 10 nha lo MAPAD nt a 1I h Ho Do Mall dl a Ein Ersatzschaltbild das den Mischer bei einer Lokaloszillatorfrequenz zeigt wird in Abbildung 8 dargestellt Der LO kann als Stromquelle gesehen werden wobei er eine komplexe Amplitude 3 5 und eine Quellenadmittanz source admittance Y G np 1B hat Y wird aus der Einbettungsadmittanz des Hohlleiters und der emb 13 14 3 Heterodynempf nger mit SIS Mischern La Y e emb i B emb Abbildung 8 Ersatzschaltbild f r einen Mischer bei der LO Frequenz o integrierten Tuning Struktur berechnet und beinhaltet au erdem die geometrische Ka pazit t der Junction Nach diesem quivalenten Schaltkreis h ngen die Stromamplitude der Quelle 3 5 die Strom und Spannungsamplitude der Junction Iyo V o und die Einbettungsadmittanz des externen Kreises Y zusammen durch Sno lotYmPVro 13 Die Gro signalamplitude V o h ngt von der auftreffenden LO Stromamplitude 3 ab und kann aus einer terativen L sung der Gleichungen bis gewonnen werden Eingangsparameter sind die Einbettungsadmittanz Y die LO Eingangsleistung so wie Ipc und xx die aus der Messung der ungepumpten Kennlinie gewonnen wurden Damit ergibt Gleichung die in Abbildung 9 gezeigte gepum
13. welche einen gr eren Bereich als Abbildung 63 zeigt sieht werden in dem System nur in der z Richtung viele verschiedene Schwingungs moden angeregt was nicht verwundert da sich der Kolben innerhalb der Maschine auf dieser Achse bewegt Die anderen beiden Achsen zeigen recht starke Oszillationen bei etwa 60 Hz Eine D mpfung des Systemes m te also auf alle drei Achsen wirken 6 4 2 2 Senkrecht h ngende K hlmaschine Bei diesen Messungen wurden ebenfalls alle drei Achsen vermessen Das Koordina tensystem wurde relativ zur K hlmaschine beibehalten Der Vorteil dieser Aufh n gung ist da die relat v starren Heliumschl uche die Messung nicht mehr st rend be einflussen Die Fouriertransformationen deren Durchf hrung in Anhang DjJerl utert wird werden in Abbildung 05 gezeigt Man sieht Reaktionen des Systems bei einer Frequenz um 1 Hz in der x und der z Achse hervorgerufen durch die Bewegungen des Kolbens in der K hlmaschine In dieser Region gibt es keinerlei Reaktion in der y Achse da diese 8 88 6 Stabilit tsmessungen x Achse FFT mV FFT mV Frequenz Hz Abbildung 64 Fouriertransformation der Beschleunigungen an der waagerecht h n genden K hlmaschine x Achse FFT mV FFT mV FFT mV Frequenz Hz Abbildung 65 Fouriertransformationen der Beschleunigungswerte aller drei Achsen bei der senkrecht frei h ngenden K hlmaschine Ausschnitt aus Abbildung 66 6 5 Zusamme
14. 1000 1500 2000 2500 Counts am DAC Abbildung 76 Residuen der Messung Winkelvorgabe Schritte als Counts am DAC der den Winkel als Spannung vorgibt gegen die am ADC erhaltene tats chliche Posi tion nachdem eine gefittete Gerade abgezogen worden war Man sieht dal die Ver spannung der beiden Spindelmotoren noch nicht korrekt eingestellt war da das System beim Anheben noch nach einer Sekunde nachregelt und deswegen das OK Bit nicht immer aktiviert wird Das Error Signal gibt an an welchen Positionen berschwinger auftraten das System berschwinger zeigt An den Verlauf gemessener Winkel gegen eingestell ten Winkel wurde eine Gerade angefittet und die Residuen des Fits in den Abbildungen dargestellt Man sieht da im ersten Fall Abbildung 76 sowohl die Verspannung der Motoren als auch die Regelschleife selbst nicht optimal eingestellt waren W hrend des Anhebens der Spiegel zeigten sich sowohl berschwinger die als Error zu erkennen sind als auch Probleme beim Einregeln auf die Endposition die sich darin u ern da das OK Bit nicht gesetzt wird Nachdem das System optimiert wurde wurde die eben beschriebene Messung wie derholt und in Abbildung 77 dargestellt Man sieht da sowohl das OK Bit immer erscheint als auch da keinerlei berschwinger mehr auftreten Weiter sieht man in dieser Abbildung eine periodische Struktur die eine Periode von 128 Z hlerschritte am DAC aufweist Diese Struktur ist auf die diffe
15. 3 Phase Lock Loop PLL Die Phase Lock Loop PLL dient dazu den Gunn und damit den Lokaloszillator insgesamt phasenstabil zu einem Referenzsignal zu halten Das Prinzip einer PLL ist in Abbildung 13 dargestellt Am neuen KOSMA Array Empf nger sind zwei PLLs vorhanden da man mit zwei Frequenzen simultan beobachten kann A 3 1 Ansteuerung der PLL durch das PC Interface Anzeige Analog In rs AFC Digital In Gunn Error Error Digital In Lock Signal Synthe sizer Digital Out P Analog Out ae vant PC Gunn Bias j Gunn ein aus PLL ein a Loop G Bul far 5 S Ss o aa RS232 Abbildung 75 Schematischer Plan der Ansteuerung der PLL durch den PC Alle R ckgabesignale der PLL AFC Gunn Error Lock k nnen gleichzeitig an der PLL Anzeige und vom PC ausgelesen werden Die Steuersignale Gunn ein aus Gunn Bias k nnen entweder vom Benutzer manueller Modus oder vom PC Remote Modus vorgegeben werden Das Einschalten der gesamten PLL PLL ein aus und der Loop Gain der PLL k nnen nur manuell eingestellt werden Ein automatisches Einstellen dieser Parameter st allerdings auch nicht notwendig Beide PLLs werden getrennt vom PC angesprochen so da s ch d e Beschreibung der Hardware hier nur auf eine PLL bezieht 105 106 A Hardware Die PLL kann manuell oder vom PC gesteuert betrieben werden Alle Informatio nen die sie dem PC
16. 810GHz Array mechanischer Aufbau 27 liegen au erhalb des Dewars sind also ungek hlt und tragen daher zum Rauschen des Systems bei Trotz dieses Rauschbeitrages der in der Gr enordnung von 50 K liegt konnten mittlere Rauschtemperaturen um 220 K die in der Bandmitte bei etwa 150 K lagen 1m 490 GHz Kanal erreicht werden F r den 810 GHz Zweig liegen sie bei 700 bis 900 K Die Signale der Lokaloszillatoren LOs werden bei diesem System mit Hilfe eines Diplexers der im wesentlichen aus zwei Martin Puplet Interferometern besteht dem astronomischen Signal berlagert 5 2 Elektronik Um den Array Empf nger optimal betreiben zu k nnen war es notwendig die Steuer elektronik ganz neu zu entwickeln Wie bereits in den letzten Kapiteln beschrieben erfordert der Betrieb eines SIS Empf ngers da der Steuer PC eine Vielzahl von Para metern berwachen und ver ndern kann Diese m ssen sehr rauscharm und m glichst ohne Driften an die Elektronik bergeben werden Ein weiteres Kriterium war da das gesamte System nach Abschaltung des PCs vollst ndig manuell benutzbar blei ben sollte Au erdem wurde darauf geachtet da n den Ger ten keine permanenten Takt S gnale wie sie zum Beispiel in einem PC vorkommen vorhanden sind um St r s gnale auf den empfindlichen Analogleitungen zu vermeiden Um bei einer so gro en Anzahl von Kan len die Benutzerfreundlichkeit zu erhalten mu vom Benutzer oder 5 2 Elektronik Abbil
17. 96 o welches als Superuser mit dem Befehl insmod pcidio 96 o inden Kernel eingeladen und mit rmmod pcidio 96 o aus dem Kernel entfernt werden kann Nach dem Einladen des Treibers in den Kernel l t sich die Karte ber ein Device File mit Major Number 103 ansprechen Daf r ist es erforderlich ein entsprechendes Device File anzulegen mknod dev dio c 103 0 B 4 2 Benutzung der Karte Die Karte wird nach erfolgter Installation des Kernelmoduls mit hilfe von IO Control Befehlen angesprochen Eine Liste der Befehle ist in Tabelle 5 angegeben Als Bei spiel dient die Datei 1ibdio96 in dem der Treiber angesprochen wird Zu beachten ist insbesondere der PUT_CLK Befehl mit dem auf einer ausgew hlten Leitung ein kurzer HIGH LOW HIGH ausgel st werden kann B 4 Der PCI DIO 96 Treiber 119 Befehl PUT_BYTE 10_var port Port Nr Schreibt das Byte data auf Port port 1o_var data Data PUT_BIT 10_var o_bit Bit Pos Setzt oder l scht das Bit an 10o_var data Datenbit der Stelle Bit Pos 0 95 auf Bit O von data PUT_CLK 10_var 10_ bit Bit Pos Zieht das Bit an Stelle Bit Pos kurzzeitig auf 0 GET_BIT 10_var 10_bit Bit Pos Gibt den Wert des Bits an Stelle o_var data R ckgabe Bit Pos zurueck GET_BYTE 10_var port Port Gibt in data den Wert des Ports o_var data R ckgabe port zurueck PUT_8255_CONFIG 10_var port Baustein Schreibt das Control Byte f r 1o_var inout Control den 8255 Baustein mit Byte Nummer
18. Abbildung l5izeigt das Verhalten ohne Verkippung d h ohne Phasenversatz Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit dem Lokaloszillator beim Abstimmen des Empf ngers ist die Wahl der LO Leistung sichtbar an der H he der Pumpstufe in der Strom Spannungs Kennlinie vgl auch Abschnitt 3 2 Es ist darauf zu achten da der Mischer gen gend Pumpleistung erh lt ohne dabei allerdings berpumpt zu werden siehe dazu auch Abbildungen 16 und 17 An Einkanalempf ngern hat dies der Benutzer durch Betrachten der Kennlinie und der Konversionskurve in der die ZF Ausgansgsleistung gegen die Bias Spannung aufgetragen ist durchgef hrt Dazu wurde f r ein grobes Abstimmen die Pumpstufenh he die anhand der Kennlinie zu erkennen ist auf ein Viertel des Stromes an der Gapspannung eingestellt Die Feinein 4 2 Einstellen des Lokaloszillators IF Ausgang in Abh ngigkeit der Diplexerstellung Spiegelwinkel optimal eingestellt Junction 0 Junction 1 Junction 2 Junction 3 Bias Strom uA 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 Mikrometerstellung des Diplexers mm Abbildung 15 IF Ausgangsleistung der 492GHz Mischer in Abh ngigkeit vom Licht weg im Diplexer Der Diplexer wurde so optimiert da die Spiegel genau senkrecht stehen 300 optimale gepumpt berpumpt unterpumpt 200 100 100 Junctionstrom uA Konversion Counts 200 300 400 Biasspannung mV Abbildung 16 Kennlinie und
19. First Light Map of the sun at 460 GHz in sky chopped OTF made Sept H ath 1 Beam 2000 TAD Q 1000 2000 1000 g O00 Beam 2 Beam 3 1000 paisi 1000 Z00B 0 000 Q 1000 2000 1000 o0 Abbildung 69 Karte der Sonne mit allen vier 490 GHz Junctions gemessen 7 3 Kartierung der Sonne und des Jupiters mit dem Cobac 95 EL Offset arcsec 4 Beam Map of Jupiter at 490 GHz 100 200 300 800 600 400 AZ Offset arcsec Abbildung 70 Kontinuumskarte des Jupiter bei 490 GHz 96 7 Messungen mit dem abgestimmten System da diese Darstellung entsteht Die beiden u eren Beams erscheinen leicht oval was darauf zur ckzuf hren ist da die Derotation n cht korrekt berechnet wurde Der Abstand der Beams voneinander betr gt die erwarteten 110 Gemessen wurden die Daten mit Hilfe des Kontinuum Backends das die ZF Leistungssignale der einzelnen Empf ngerkan le kontinuierlich m t und aufsummiert 7 4 Spektroskopische Messung In Abbildung 7 1 wird eine erste spektroskopische Messung durchgef hrt mit SMART am KOSMA 3m Radioteleskop und dem K lner Array AOS 28 49 gezeigt Als astronomisches Objekt wurde die HII Region S106 im Sternbild Cygnus gew hlt In teressant ist diese Molek lwolke da hier die Entstehung von Sternen untersucht wer den kann 50 In Abbildung 72 sind die integrierten CI 492 GHz Daten aufgetragen In Abbildung 73 ist die simultan
20. Im folgenden wird beschrieben wie dies erreicht werden kann Da die Junctions des KOSMA Array Empfangers nicht in einem Helium Fliissig De war sondern mit einer zweistufigen K hlmaschine auf eine Arbeitstemperatur von 4 2 K gek hlt werden beobachtet man verschiedene Effekte die sich auf die Messun gen mit diesen Junctions auswirken k nnen Diese sind sowohl thermischer wie auch mechanischer Natur 36 Bei der Kiihlmaschine handelt es sich um eine zweistufi ge K hlmaschine des Typs RDK 415D mit einem wassergek hlten Kompressor des Typs CSW 71D von Sumitomo Heavy Industries Ltd Tokyo Japan Die Maschine 6 1 Stabilit t der ADC Karte ist spezifiziert f r eine Temperatur von 4 2 K bei einer K hlleistung von 1 5 W Mechanische Vibrationen wirken s ch auf das gesamte System aus insbesondere auf die LO Einspeisung Diese Ersch tterungen verursachen zus tzliches Rauschen des Systems Auch s mtliche Halter f r die Spiegel im Strahlengang des zu detektieren den S gnals sind diesen Vibrationen ausgesetzt Vom KOSMA Zweikanalempf nger ist bekannt da Ersch tterungen das Total Power ZF Signal beeinflussen Somit ist es w nschenswert diese mechanischen Schwingungen so weit wie m glich zu minimie ren Nach sind auch thermische nderungen Ausl ser f r erh htes Rauschen Dem nach ist die maximal tolerierbare Temperatur nderung bei einer Integrationszeit von Sekunde bei 1 GHz Bandbreite 200uK Die Spezifikationen der K
21. Konversionskurve einer optimal gepumpten berpump ten und unterpumpten Junction 29 26 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer Zusammenhang von Konversion und Pumpstufenh he 37000 36500 36000 Q E 35500 O O 35000 D ab E 34500 O X 34000 33500 33000 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Junctionstrom uA Abbildung 17 Konversion am Biaspunkt dargestellt in Abh ngigkeit der Pumpstu fenh he die als Mischerstrom aufgetragen ist Man sieht da die Konversion sowohl rechts als auch links des Maximums das etwa bei 90u A liegt schw cher wird stellung erfolgte anhand der Konversionskurve die zu maximieren war Dies ist bei einem Betrieb von bis zu acht Mischern pro Frequenz nicht mehr praktika bel da der Benutzer hier die Pumpstufenh he und die Konversionskurve aller Mischer die von dem einzustellenden Lokaloszillator gepumpt werden beobachten m te Al lerdings ist f r das Einstellen der Pumpstufenh he nicht die gesamte Kennlinie oder Konversionskurve erforderlich Vielmehr reicht es aus die Pumpstufenh he sowie die ZF Ausgangsleistung am Biaspunkt zu betrachten Besonders letztere reagiert sehr empfindlich auf eine nicht optimale Pumpleistung Diese Informationen k nnen am Array Empf nger parallel f r alle Kan le graphisch f r den Benutzer dargestellt wer den so da dieser die ZF Ausgangsleistung aller SIS Mischer maximieren kann In Abbildung 18Jist schematisch dargestellt wie ein Mi
22. Satelliteneinsatz vorteilhaft da f r den Abstimmvorgang des Mischers keine mechanischen Bauteile bewegt werden m ssen Nach der hier gegebenen Einleitung werden in Kapitel 3 die grundlegenden Eigen schaften eines Heterodynempf ngers der mit SIS Mischern betrieben wird vorge stellt Au erdem erfolgt die Beschreibung von SIS Tunnelkontakten als Mischer In diesem Kapitel werden die Parameter eingef hrt die beim Abstimmen eines solchen Systems von entscheidender Bedeutung sind Anhand der so gewonnenen Erkenntnissen wird in Kapitel 4 beschrieben wie diese Abstimmparameter automatisch eingestellt werden Dazu wurden Messungen der Pa rameterbereiche durchgef hrt die zeigen welche Besonderheiten diese aufweisen und wie dem durch einen Algorithmus Rechnung getragen werden kann 2 Einf hrung Kapitel 5 widmet sich dem KOSMA Array Empfanger SMART Sub Milimeter Array Receiver for Two Frequencies Die f r ein automatisches Abstimmen ange stellten berlegungen flossen in das Design der Elektronik dieses Empf ngers mit ein Diese spiegeln sich insbesondere in dem im Rahmen dieser Arbeit konstruier ten PC Interface wie auch in der Ansteuerung der brigen Hardware Komponenten wider Hier werden auch die Besonderheiten des Systems wie die Existenz von nur einem Lokaloszillator fiir bis zu acht Mischer und die variablen Abschwicher die fiir das automatische Abstimmen eines Mischers im allgemeinen nicht wesentlich fiir die speziel
23. Weg gew hlt Damit stand man vor dem Problem da Programme die auf einem Rechner laufen Informationen zu Programmen die auf anderen Rechnern laufen bermitteln k nnen m ssen In Erw gung gezogen und ausgetestet wurden die folgenden Protokolle l Schnelle Kommunikation zwischen den einzelnen Programmen ber eine Socket verbindung Diese kann ber entsprechende Implementierung m Sinne von 5 3 Kommunikation Wed Jan 16 12 24 09 MET 2002 pattern14_xy dat 220 Junction 0 Apertur 10 mm Junction 1 Levels 0 4 0 1 1 0 Junction 2 Junction 3 200 180 160 Position mm 140 120 100 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Position mm Abbildung 42 Der Beamrotator wurde um nominelle 50 gedreht und die Messung aus Abbildung 41 wiederholt Der hier bestimmte Winkel lautet 52 9 2 1 So wurde der Drehwinkel auch optisch bestimmt CORBA oder PVM Parallel Virtual Machine geschehen Der Vorteil liegt in der schnellen Daten bertragung Nachteilig sind die hohe Komplexit t des Systems bei der Programmierung die schlechte Nachvollziehbarkeit der gesen deten Daten sowie das die Kennungen der Programme bzw der Rechner auf denen die Programme gestartet sind bekannt sein m ssen 2 Langsamere Kommunikation ber Files die auf einem von allen Rechnern er reichbaren NFS Verzeichnis geschrieben und gelesen werden Der Nachteil ist hier die Verz gerung die der NFS Server auch bei optimaler Konfig
24. damit die Differenz aus Signal und Lokaloszillatorfrequenz in das Zwischenfrequenzband ZF Band f llt Bei einem SIS Mischer mu die Lokal oszillatorleistung au erdem so optimiert werden da die Junction weder ber noch unterpumpt wird F r das gerade beschriebenen Prinzip des Heterodyn Mischverfahrens ben tigt man zum Mischen der zu detektierenden Strahlung mit der Lokaloszillatorstrahlung ein gen gend schnelles nichtlineares Element den SIS Mischer Um einen m glichst ho hen Wirkungsgrad zu erhalten mu die Kennlinie eine hohe Nichtlinearit t aufweisen Diese Nichtlinearit t wird mit Hilfe von Kontakten erzeugt bei denen zwei Supraleiter durch eine d nne Isolationsschicht getrennt s nd Abbildung 4 Bandstruktur der Elektronen n einem normalleitenden Metall sowie der Quasiteilchen im Supraleiter nach 7 Der Supraleiter unterscheidet sich von einem Normalleiter dadurch da im Supra leiter eine Bandl cke von 2A auftritt siehe Abbildung 4 Um zu erm glichen da bei einem SIS Kontakt Elektronen von einem zum anderen Supraleiter tunneln k n nen verschiebt man die beiden B nder mit Hilfe einer Vorspannung der sogenann ten Bias Spannung Ist diese kleiner als 2A e so k nnen Elektronen trotzdem durch die Barriere tunneln allerdings nur bei einer Temperatur von T gt 0 Erst ab Span nungen von U gt 2A e sind die B nder so weit gegeneinander verschoben da ein Tunneln aus den besetzten Zust nden des ei
25. das Magnet feld eingeregelt werden soll Durch die eben genannten Spr nge die teilweise nur in einer Richtung auftreten wird das Feinabstimmen zus tzlich erschwert 4 4 3 Nichtreproduzierbarkeiten Das wohl gr te Problem bei der Abstimmung des Magnetfeldes liegt in den Nichtre produzierbarkeiten der einzustellenden Magnetfeldstr me d e dadurch zustande kom men da durch variable externe Magnetfelder in der Junction magnetischer Flu ein gefroren werden kan In Abbildung 21 sind sechs Magnetfeldscans an vier verschiede nen Tagen zu sehen Zwischen den Scans wurden keine Umbauten oder sonstigen Mo difikationen der Me apparatur vorgenommen Dennoch sieht man da sich die Scans 4 4 Abstimmen der Magnetfeldst rke 31 05 04 2000 06 04 2000 06 04 2000 2 07 04 2000 07 04 2000 2 30 03 2000 Josephsonstrom uA Spulenstrom mA Abbildung 21 Zu verschiedenen Zeiten aufgenommene Masnetfeldscans Zu beach ten ist da sich die Scans zum Teil sehr deutlich voneinander unterscheiden obwohl die Messungen nur in einer Richtung durchgef hrt wurden um die Hystereseeffekte zu unterdr cken Das gilt insbesondere f r die zu findenden Minima 32 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer zum Teil sehr deutlich voneinander unterscheiden Nach diesem Ergebnis scheidet ein Abstimmen nach Tuningtabelle aus Magnetfeldscan Magnetfeldscan nach Einfrieren von Fluss Josephsonstrom uA
26. der Wellenfunktion des Teilchens p ik und e der kinetische Impuls mv 3 3 Josephson Effekt Beide werden verkn pft ber die Beziehung mv p q A 19 wobei Masse des Teilchens Geschwindigkeit des Teilchens kanonischer Impuls A h p Ladung des Teilchens Vektorpotential rotA B DO BW lt _ 3 F r die Cooper Paare lautet diese Beziehung 2mv p 2eA 20 Variiert man nun A w hrend man p konstant h lt so ndert sich 2mv und damit auch die Stromdichte j H lt man hingegen 2mv konstant so f hrt eine Anderung von A zu einer Variation von p und damit gleichzeitig zu der Variation der Wellenl nge A h pl Um den Einflu eines Magnetfeldes auf den Josephson Strom zu quantifizieren be rechnet man zuerst die Phasendifferenz Ag 9 auf Grund des Magnetfeldes B in einer Spule 2 2 ds 2n F 1 1 In Gegenwart des Magnetfeldes wird die Phasendifferenz zu einer Funktion des Ortes in der y z Ebene Kennt man diese so kann man die Stromdichte j des Josephson Gleichstromes und durch Integration ber die y z Fl che auch den Josephson Strom bestimmen Voraussetzung daf r ist allerdings da man das Magnetfeld des Joseph son Stromes gegen ber dem u eren Magnetfeld vernachl ssigen kann Nun betrachtet man das Vektorpotential A das ber rotA B bestimmt ist und w hlt A 0 0 x By wobei B 0 B 0 gesetzt ist Dies gilt innerhalb des Bereiches eines homogenen Feldes x
27. des Lokaloszilla tors wird der Benutzer vom System unterst tzt da zur Einstellung der Frequenz und der Pumpleistung die Positionen der Backshorts am Gunn und an den Ver vielfachern durch Abstimmschrauben ver ndert werden m ssen so da dieser Vorgang noch nicht automatisiert weren kann Die Abstimmung eines SIS Empf ngers besteht im wesentlichen aus den folgenden Schritten 1 Einstellen des Lokaloszillators LO auf die zu beobachtende Frequenz wobei die Zwischenfrequenz beachtet werden mu 2 Optimierung des Diplexers durch den die Strahlung des Lokaloszillators mit der zu messenden Strahlung berlagert wird um maximale Signaltransmission zu erhalten 3 Einstellen eines Biaspunktes mit dessen Hilfe d e Junction abgestimmt werden kann 4 Einstellen des Magnetfeldes Dies ist der bei weitem aufwendigste Punkt f r den Vorarbeiten erledigt werden m ssen wie das Einstellen des Biaspunktes oder das Aussteuern des Zwischenfrequenz Ausgangs 5 berpr fen und ggf Nachstellen des Biaspunktes 4 2 Einstellen des Lokaloszillators Der Lokaloszillator besteht aus einem Gunnoszillator von dessen Ausgangsleistung ein kleiner Teil in den Harmonischenmischer eingespeist wird dessen Signal wieder um der Phase Lock Loop PLL zur Verf gung gestellt wird um den Gunn phasensta bil auf die eingestellte Frequenz zu regeln Der gr te Teil des Gunn Signals aber wird zu einer wesentlich h heren Frequenz vervielfacht und dem zu det
28. einer Vorzugsrichtung sensitiv ist wurden die drei Achsen der K hlmaschine getrennt gemessen Relativ zur Maschine wurde das in Abbildung 62 dargestellte Koordinatensystem festgelegt x Achse Richtung senkrecht zu den Anschl ssen der Heliumschl uche und senkrecht zur L ngsachse der Maschine Wenn die Heliumschl uche nach unten wegge hen zeigt die positive x Achse nach links y Achse Richtung parallel zu den Anschl ssen der Heliumschl uche z Achse Richtung der L ngsachse der Maschine Der Pfeil zeigt von den Heliuman schl ssen zum Ende des Kaltkopfes 85 86 6 Stabilitatsmessungen ee PITEN tet mie er iS Mag P es OS E eiren SN a 1A 2 0 Wes e el nn o Por ys yr eee cere DRE Abbildung 61 Senkrecht hangende K hlmaschine Abbildung 62 Koordinatensystem der K hlmaschine 6 4 Mechanische Tests x Achse 0 4 08 Z 0 25 02 ui 0 15 L 04 aes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 y Achse E gt LL LL E IE Li LL Frequenz Hz Abbildung 63 Fouriertransformation der Beschleunigungen an der waagerecht h n genden Kiihlmaschine Ausschnitt aus Abbildung 64 In Abbildung 63 sind die Spektren der mechanischen Schwingungen der drei Achsen bis 10 Hz dargestellt Danach schwingt das System in x und z Richtung bei der Be triebsfrequenz von 1 Hz Au erdem ist noch eine Eigenmode mit Amplitude l ngs der y und z Achse bei 4 7 Hz zu beobachten Wie man in Abbildung 64
29. entscheidend sind eingegangen Insbesondere der durch ein Magnetfeld zu unter dr ckende Josephson Effekt wird behandelt 3 1 Aufbau eines Heterodynempf ngers Verst rker Verstark Fil und variabler k erst rker ilter Abechwacher Spektrometer ingangs N ss ae Abbildung 2 Prinzip eines Heterodynempf ngers Um die Strahlung nachweisen zu k nnen bedient man sich des sogenannten Hetero dynprinzips Dabei wird das Signal mit der Strahlung eines Lokaloszillators mit Hilfe eines Diplexers berlagert und anschlie end gemischt Dazu kann prinzipiell jedes ausreichend schnelle Bauteil mit nichtlinearer Strom Spannungs Kennlinie verwendet werden Um das Verhalten eines Heterodynmischers zu untersuchen betrachtet man den Strom der sich ergibt wenn man den Spannungsarbeitspunkt mit einer bestimmten Frequenz 3 Heterodynempf nger mit SIS Mischern Leistun Frequenz O10 ZF LO ZF Abbildung 3 Das Heterodynprinzip Das Signal wird mit dem Lokaloszillator o gemischt Man erh lt ein Differenz und ein Summensignal variiert Dabei betrachtet man zur Vereinfachung die Signal und die Lokaloszilla torstrahlung als sinusf rmige Wellen Nach einer Taylorentwicklung des Stromes um den Spannungsarbeitspunkt erh lt man f r die nullte und erste Ordnung der Entwick lung die Ursprungsfrequenzen von Lokaloszillaor und Signalstrahlung Als zweite Ordnung erh lt man Terme die die Differenzfrequenz die S
30. gezeigt die die Verspan nung der Motoren untersuchten 99 60 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART Wed Jan 16 12 24 25 MET 2002 pattern13_xy dat Junction 0 Apertur 10 mm Junction 1 Levels 0 4 0 1 1 0 Junction 2 Junction 3 Position mm 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Position mm Abbildung 41 Eine Beampattern Messung aller vier 492 GHz Mischer Der Beamro tator war nominal auf Null eingestellt Jeder Beam wurde durch eine zweidimensionale Gau funktion und die so erhaltenen Punkte durch eine Gerade angefittet Die Steigung der Geraden entspricht dem Drehwinkel des Beamrotators der 2 2 betr gt Die Mes sungen wurden m Labor mit einer Cold Load die vor dem Empf nger positioniert wurde durchgef hrt 5 3 Kommunikation Bei einer komplexen Steuerung wie der eines ganzen Empfangssystems bei dem die Berechnung der Position des Teleskops d e Steuerung des Teleskops sowie die Steue rung diverser Subsysteme einschlie lich des Empf ngers eine zentrale Rolle spielen ist es notwendig den einzelnen Modulen die M glichkeit zu geben Informationen un tereinander auszutauschen F r die Wahl eines geeigneten Kommunikationssystems ist von entscheidender Bedeutung ob die einzelnen Subsysteme von einem zentra len Rechner aus gesteuert werden oder ob einzelne Rechner diese Aufgabe berneh men Im Rahmen der Modularisierung wurde f r die neue Steuerung des KOSMA 3m Radioteleskopes der letztere
31. hier durch das Bewegen des Tele skopes oder des Subreflektor Choppers In beiden F llen ergibt sich das gew nschte Me signal aus der Differenz der in beiden Schaltphasen gemessenen Signale Um diesen Anforderungen gerecht zu werden mu die Kontinuumssoftware nicht nur ZF Leistungssignale messen k nnen sondern auch entscheiden ob die gemessenen Daten der S gnal oder der Referenzphase zugeordnet werden Zu diesem Zweck wird nach jedem Auslesen der analogen Daten ein digitaler Eingang auf seinen Zustand ab gefragt An diesem l t sich das S R Signal des Chopperrades oder des Subreflektor Choppers anschlie en Zwischen zwei Phasenwechseln werden die Daten mit der ma ximalen Auslese und Berechnungsrate des Rechers aufsummiert Die so gemessenen Daten werden zusammen mit einer Zeitmark in eine Date geschrieben und k nnen mit der Teleskopposition korreliert werden 2000 Junction 0 Junction 1 Junction 2 Junction 3 Junction 4 Junction 5 Junction 6 Junction 7 1500 1000 On Off Counts 500 500 100 120 140 160 180 200 220 Position mm Abbildung 43 Messung der Antennenkeule mit der Kontinuumssoftware In Abbildung 43 st eine Messung mit der Kontinuumssoftware zu sehen Gemessen 5 4 Kontinuumssoftware wurde s e mit dem Programm pattern Der Chopper wechselte d e Phase zwischen Raumtemperatur und einer Coldload von 77 K mit einer Frequenz von 10 Hz Die Mes sung wurde mit Hil
32. im Labor oder am Teleskop wurde ein Kontinuumsmodus programmiert der zum Messen der Beam pattern und astronomischen Kontinuumsquellen dient Damit konnte der Empfanger beam im Labor vermessen werden au erdem wurden erste astronomische Messungen am KOSMA 3m Radioteleskop an der Sonne dem Jupiter und der Sternentstehungs region S106 durchgef hrt Abschlie end wurden an dem vollst ndigen System Tests durchgef hrt mit deren Er gebnissen man l ngere Stabilit tszeiten des Empf ngers erlangen kann Ausblick In Zukunft sollte die K hlmaschine entsprechend der in Abschnitt 6 durchgef hrten Stabilitatstests modifiziert werden um eine Reduzierung der thermischen Effekte zu erreichen Au erdem sollte aufgrund der Ergebnisse aus den Vibrationstests eine Mon tierung der K hlmaschine gew hlt werden die die mechanischen Ersch tterungen re duziert Ein weiterer Punkt f r die nahe Zukunft ist der Aufbau einer zweiten Elektronikeinheit f r die zweite Zeile des Empf ngers Der momentan eingesetzte PC ist nicht in der Lage zus tzlich diese Elektronik anzusteuern Daher mu ein zweiter PC mit einem weiteren Interface aufgebaut werden Dieser Rechner mu mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Kommunikationsmodule in das bestehende System eingebunden werden Eine l ngerfristige Aufgabe besteht n der Fernsteuerung der Diplexer und Lokaloszil latoren um so das gesamte System automatisieren zu k nnen 99 100 8 Zusammen
33. port 0 3 Tabelle 5 Befehle des PCI DIO 96 Kartentreibers 120 B Software B 5 Durchf hrung der Tests mit dem Kommunikationspro gramm knc2 und pvm3 Im Folgenden werden die Kommunikationstests beschrieben die mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten knc und der auf PVM3 bas erenden Testsoftware durchge f hrt wurden B 5 1 KNC F r den Kommunikationstest wurden 400 Wertepaare bertragen Die bertragenen Werte wurden multipliziert und das Produkt wieder zur ck bertragen F r den gesam ten Vorgang ben tigten zwei Pentium PCs 12 Sekunden Zur bertragung eines Wertepaares wurde dieses in eine Datei geschrieben Anschlie Bend wurde eine Ready Datei erzeugt Durch diese wird der knc Server dazu aufge fordert die Datei zu bertragen Das Protokoll arbeitet wie folgt 1 Client wartet bis die Datei cl_to_serv nicht mehr existiert 2 Client schreibt die Daten in die Datei cl_to_serv 3 Client erzeugt cl_to_serv A Server wartet bis die Datei cl_to_ serv existiert 5 Server liest cl_ to_ serv 6 Server l scht cl_to_ serv 7 Der Server berechnet das Ergebnis 8 Server wartet bis die Datei serv_to_cl nicht mehr existiert 9 Server schreibt das Ergebnis der Rechnung in serv_to_cl 10 Server erzeugt serv_to_cl 11 Client waret bis die Datei serv_to_cl existiert 12 Client liest die Datei serv_to_cl 13 Chent l scht serv_to_cl Das Ergebnis wurde aus der Datei serv_to_cl gelesen Di
34. sich der Ringstrom um das abnehmende Magnetfeld auszugleichen Ist eine Grenze erreicht so bricht dieser Strom ab und das den Josephson unterdr ckende Ma enetfeld wird instantan kleiner Bemerkbar macht sich dieser Effekt dadurch da sich beim berfahren eines bestimmten Magnetfeldbereiches der Josephson Strom sprung haft ndert wie an einem Beispiel in Abbildung 19 gezeigt wird Magnetfeldstr me die in den Magnetfeldscans Unstetigkeiten zeigen lassen keine stabilen Messungen zu da schon kleinste nderungen des Systems das Rauschen sprunghaft anheben k nnen 29 30 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer 4 4 2 Hysterese des Magnetfeldes Richtung LU Richtung UL Josephsonstrom uA er 30 20 10 0 10 20 30 40 Spulenstrom mA Abbildung 20 Zwei direkt aufeinanderfolgend aufgenommene Masnetfeldscans in zwei verschiedenen Richtungen Man sieht deutlich den Versatz der durch die Hyste rese des Magnetfeldes zustandekommt Ein weiteres Problem stellt die Hysterese des Magnetfeldes dar die dadurch entsteht da der Eisenkern n dem Elektromagneten der zur Unterdr ckung des Josephson Effekts um die Junction angebracht ist eine Restmagnetisierung besitzt siehe Ab bildung 20 Dieser Effekt w re prinzipiell umgehbar indem immer darauf geachtet wird da das Magnetfeld nur von einer Richtung angefahren wird Problematisch wird dies bei der Feinabstimmung innerhalb eines lokalen Minimums wenn
35. sollte mit Hilfe der hier vorgestellten Messungen berpr ft werden allerdings lieferten diese mit der eingebauten K hlmaschine keine zufriedenstellenden Ergebnisse da die Schwingungen der Maschine nicht von denen des angeregten Dewars unterschieden werden konnten so da weitere Tests an der frei h ngenden K hlmaschine durchgef hrt wurden Gemessen wurden die Vibrationen mit Hilfe eines Beschleunigungssensors 54 Das Signal das der Beschleunigungssensor erzeugt ist eine Modulation der Versorgungs spannung von 10 V und liegt in der Gr enordnung von einigen hundert mV Die Daten wurden mit Hilfe eines 3 Kanal Oszilloskops als AC Daten gemessen und vom Vor verst rkerausgang des ersten Kanals n den Eingang des ADCs gegeben So erh lt man eine wesentlich bessere Aufl sung des Signals Die Daten wurden mit dem PC be einer maximalen Samplingrate von 15000 Samples pro Sekunde gemessen Allerdings traten in den Datens tzen bei diesen Geschwindig keiten immer dann Aussetzer auf wenn der PC kurzzeitig andere Aufgaben wie das Schreiben der Daten auf die Festplatte durchf hren mu te Daher wurde ein Resamp ling der Daten notwendig Dazu wurden drei verschiedene Ans tze gew hlt l Resampling auf einem wesentlich gr eren Gitter Es w rd eine neue Zeitachse eingef hrt deren Sampling geringer st als das der Originaldaten Anschlie end wird zu jedem der neuen Zeitwerte der n chstliegende Datenpunkt gesucht Die se Met
36. von AQ die Phase ber die H he a des Tunnelkontaktes um 27 ge ndert wird Damit wird das Integral der Stromdichte ber dem Kontakt gleich Null da die Stromdichte nach Gleichung 18 gleiche Betr ge von links nach rechts und von rechts nach links liefert Dieser Fall ist in Abbildung 11 b dargestellt In den Abbildun gen 11 aund 11 c sind die Stromdichteverteilungen f r a 3 und a 5 dargestellt So entsteht das in Abbildung 12 gezeigte Bild 7 Eine exakte Rechnung liefert f r den maximalen Suprastrom als Funktion des magne tischen Flusses durch den Tunnelkontakt sin tB a Ts max B ae n a 30 a ist dabei der vom Feld B in der ganzen Tunnelanordnung erzeugte magnetische Flu und P das elementare Flu quant P u 2 10 Gau cm Wie in Abbildung 12 zu sehen ist ist das optimale Abstimmen der Magnetfeldst rke f r einen minimalen Suprastrom also ein geringes Eigenrauschen und damit eine gute Effizienz des Systems sehr wichtig Im praktischen Betrieb wird das Verhalten durch Flux Trapping weiter beeinflu t so da der Abstimmvorgang mit einem sehr hohen Aufwand verbunden ist 19 20 3 Heterodynempf nger mit SIS Mischern Is max Magnetfeld Abbildung 12 Maximaler Josephson Strom in Abh ngigkeit vom Magnetfeld 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer Nachdem im letzten Kapitel das Heterodynprinzip sowie der Einsatz von SIS Mischern beschrieben wurden und dabe aufg
37. zur Steuerung des Teleskopes st kann es die zu messenden Positionen im Gegensatz zu dem Programm array_cobac nicht selbst ndig anfahren Dies erfolgt von der Teleskop Steuersoftware Das S R Signal das extern erzeugt wird und den Subreflektor Chopper und so zwischen der Quellposition und einer quellfrei en Position am Himmel umschaltet wird ebenfalls von array_cobac gemessen Hier werden nicht prozentuale Anteile der jeweiligen Phasen verworfen sondern ei ne feste Zeit nach Umschalten des Signals in der der Subreflektor Chopper auf seine Position f hrt Diese Zeit wurde auf 100ms festgelegt Das Programm integriert nun f r jede Phase und versieht d e so erhaltenen Daten zus tzlich mit der Phaseninfor mation und einer absoluten Zeitmarke In einem vollst ndigen Me vorgang wird das Teleskop zwischen zwei Punkten mit gleichm iger Geschwindigkeit bewegt Dabei wird von der Teleskop Steuersoftware eine Liste von Positionen mit den dazugeh ri gen Zeitmarken erzeugt Die Zeitmarken in den beiden Dateien s nd anschlie end das Schl sselfeld um die Daten miteinander zu korrelieren So stehen anschlie end Daten zur Verf gung in der jeder Position eine gemessene Intensit t zuordnet ist Auf diese Weise wurden Karten der Sonne und des Jupiter gemessen 115 116 Positions Sende Position Generator an Verschiebetisch Addiere Kan le auf Phase gleich Signal Addiere Kan le auf Phase gleich Referenz
38. zur Verf gung stellt K nnen vom PC in beiden Modi abgefragt werden Diese Informationen sind das AFC Signal das Lock Signal sowie eine Feh lermeldung die angibt ob die Schutzschaltung f r den Gunn angesprochen hat Ist die PLL auf remote Betrieb eingestellt so kann der PC den Gunn aus und einschalten sowie die Gunn Vorspannung mit Hilfe der DACs vorgeben die auf der ADC Karte vorhanden sind Das Gunn ein aus Signal des PCs wird nicht tiber die Schutzschaltung des PC Inter faces gef hrt mit dem alle digitalen Ausgabeleitungen des PCs abgeschaltet werden k nnen Dies wurde eingerichtet da ansonsten die Gunns mit der Schutzschaltung ein und ausgeschaltet wiirden Da diese aber urspriinglich implementiert wurde damit der PC an der Einstellung der Bias Spannungen und Magnetstr me gehindert werden kann mu der Signalweg zur PLL erhalten bleiben Au erdem besitzen beide PLLs eine eigene Manuell Remote Schaltung Da aber auch Einschaltzust nde des PCs be r cksichtigt werden m ssen werden die Gunn Ein Ausschaltsignale 1m PC effektiv durch je zwei Ausgabeleitungen erzeugt die im PC Interface in einem XOR Gatter verglichen werden so da der Gunn nur dann eingeschaltet werden kann wenn diese zwei Leitungen unterschiedlichen Pegel haben A A Beamrotator Zur Derotation des Teleskopbeams ist im Strahlengang ein Beamrotator angebracht Dieser wird von zwei Schneckenmotoren angetrieben die immer leicht gegeneinan der verspannt
39. 10 Spulenstrom mA Abbildung 22 Magnetfeldscans zwischen denen der Empf nger auf 80K aufgew rmt und anschlie end mit einem angelegten Spulenstrom von 10 mA wieder abgek hlt wurde Um das Einfrieren von magnetischem Flu zu simulieren wurde der Empf nger kurz zeitig auf 80 K aufgew rmt und anschlie end mit einem Spulenstrom von 10 mA wie der abgek hlt Sowohl vorher als auch hinterher wurden Magnetfeldscans aufgenom men die in Abbildung 22 dargestellt sind Durch das Experiment konnte magnetischer Flu eingefroren was dadurch ersichtlich wird dal der sp ter aufgenommene Scan um etwa 8 mA gegen ber dem anderen verschoben ist 4 4 4 Bestimmung des Josephson Effekts Um die Masgnetfeldst rke die den Josephson Effekt unterdr ckt optimal einstellen zu k nnen mu dieser Effekt genau bestimmt werden Im folgenden wird beschrieben welche berlegungen man hinsichtlich der Stabilit t des Signals anstellen mu damit die zum Abstimmen ben tigten Voraussetzungen erf llt sind Anschlie end werden die zwei M glichkeiten vorgestellt mit denen der Josephson Strom letztendlich be stimmt werden kann n mlich anhand der Kennlinie und der Konversionskurve Siehe auch Abbildung 23 4 4 Abstimmen der Magnetfeldst rke 300 c b Kennlinie Konversionskuve Konversionskurve Konversion am Symmetriezentrum an der Biasspannung 200 h a gesamte T 100 F Konversionskurve 2 o 0 D 2 5 2 D
40. 769 1 27964 4 02219 13 176367 12 361638 18 259781 27 072134 29 242357 30 772508 32 5 L212 Tabelle 1 Optimale Magnetfelder abgeleitet aus der Konversionskurve Die Ergebnisse einer Messung sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt Die ber schriften der Tabelle bedeuten Strom gemessen Spulenstrom der durch die Minimumsuche gefunden wurde Gewicht Gewichtungswert nach dem die Eintr ge aufsteigend sortiert wurden RMS RMS des Fits eines Polynoms dritten Grades an das Mini mum Strom Fit Minimum das durch den Fit gefunden wurde Tiefe Ordinate des Minimums verglichen mit dem absoluten Ma ximum quivalenzbreite Fl che der Konversionskurve zwischen den beiden benach barten Maxima und dem Minimum In Abbildung 32 ist die Ableitung des Magnetfeldscans aus Abbildung 31 nach der Magnetfeldst rke gezeigt Die Spr nge im Magnetfeldscan bei 8 3 mA und 17 96 mA sind deutlich als Peaks zu sehen Der Sprung bei 30 7 mA ist wesentlich besser zu er kennen als im Magnetfeldscan Diese Information wird vom Algorithmus verwendet um die zugeh rigen Spulenstr me siehe Tabelle 2 als unbrauchbar markiert Das gleiche gilt f r die Abbildung Auch dort sieht man die Spr nge als Peaks bei 18 25 mA 27 1 mA 29 2 mA 30 8 mA sowie 32 8 mA Auch hier werden die zugeh rigen Str me vom Algorithmus als unbrauchbar markiert siehe Tabelle 1 Man sieht da die optimalen Magnetfeldstarken die anhand der Konversi
41. 777 14 4175 19 618 25 8493 13 0772 23 3919 35 3283 9 31423 9 42846 3 7212 18 9674 4 75367 31 7462 Tiefe Counts 2 14748e 09 2 14748e 09 34 40 2 14748e 09 25 43 Aquivalenz breite mA 3 84 2 96579 2 83333 2 95 2 944 3 12778 0 10 0 10 4 20862 7 12245 le 10 1 28 Tabelle 2 Optimale Magnetfelder abgeleitet aus der Kennlinie 2000 1500 1000 Gr e des Josephsoneffekts a u o1 oO oO 10 0 10 Spulenstrom mA 20 40 Abbildung 31 Magnetfeldscan Der Josephson Effekt wurde bestimmt indem der kritische Strom anhand der Kennlinie gemessen wurde 44 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer Ableitung des Magnetfeldscans a u 40 30 20 10 0 10 20 30 40 Spulenstrom mA Abbildung 32 Ableitung des S gnals aus Abbildung 10 mA geringere Dynamikbereich der Kennlinienmessung daf r da dort die gefun denen Minima in einer anderen Reihenfolge bewertet werden Bei der Auswertung der Kennliniendaten unterscheiden sich die Gewichtungen nicht wesentlich Faktor 2 wohingegen bei der Auswertung der Konversionskurve ein Faktor 10 erreicht wird Aufgrund der h heren Dynamik des ZF Leistungssignales sowie der Tatsache da e1 ne Bestimmung der Gr e des Josephson Effekts hier anhand der gepumpten Junction erfolgen kann wird dieser Modus daher f r das automatische Abstimmen verwendet 4 6 Feinabstimmung Die Feinabstimmung geschieht i
42. 9 25 H Herold Linux Unix Systemprogrammierung Addison Wesley 2 Auflage 1999 26 S Heyminck Entwicklung und Test von optimierten Phasengittern f r Submil limeter Mehrkanal Empf nger Diplomarbeit Universit t zu K ln 1999 27 S Heyminck Doktorarbeit Doktorarbeit Universit t zu K ln 2002 in prep 28 J Horn The Development of an Array Acousto Optical Spectrometer Doktor arbeit Universit t zu K ln 1997 29 H Ibach und H L th Festk rperphysik Springer 1995 30 Sumitomo Heavy Industries RDK 415D 4K Cold Head 2000 31 National Instruments PCI E Series User Manual 32 National Instruments PCI DIO 96 User Manual 1998 125 126 LITERATUR 33 T Koryu Ishi Handbook of Microwave Technology Vol I Academic Press 1 Auflage 1995 34 H Jakob Entwicklung einer neuen Teleskopsteuersoftware f r KOSMA Di plomarbeit Universit t zu K ln in prep 35 H Klein F Lewen R Schieder J Stutzki und G Winnewisser Precise Labo ratory Observation of the 3P 2 3P 1 Fine Structure Transitions of 12C and 13C Astrophysical Journal 494 February 1998 36 J W Kooi G Chattopadhyay M Thielman T G Phillips und R Schieder Noise Stability of SIS Receivers Intl Journal of Infrared and Millimeter Waves 21 5 2000 37 B K ster Ein Zweikomponenten Modell f r Photonendominierte Regionen Doktorarbeit Universit t zu K ln 1998 38 U Kotthaus Entwicklung su
43. Auswertung der Magnetfeldscans 4 6 Feinabstimmung 222 22mm nn 4 7 Zusammenfassung 2 ooo 11 14 15 16 li INHALTSVERZEICHNIS 46 5 1 Optischer Auibaul 5 amp amp sa s ke ade a 47 5 2 Elektronik 22222 2 a a a a a a 48 5 2 1 _ PC Interface 0 0 0 002 ee ee 54 5 2 2 Automatische Wahl des Abschwachers fur den ZF Ausgang 56 5 2 3 Lokaloszillatoren 0 00020 028 or 5 2 4 Beamrotator a a eee eee 58 5 3 Kommunikation 22 222 mn 60 5 3 1 Geschwindigkeitstests der Kommunikationssoftware 62 nn 63 5 4 Kontinuumssoftware 2222 2 oo on 63 66 6 1 Stabilit t der ADC Karte 2222 Emm a 67 6 2 Signalqualit t der Strom Spannungs Kennlinie 67 6 3 Thermische Tests 22 2 2 moon nn 69 6 3 1 Messung der Temperaturvariationen am Empf nger 69 3 2 Messung der Temperaturvariationen der Junction anhand der Gapspannung 2 22 222mm nenn 13 6 3 2 1 Kalibration der Gapspannung anhand der Tem peratur 2 222 Como 73 6 3 2 2 Temperaturvariationen gemessen anhand der Gapspannung aaa aa a a a 74 6 3 3 Temperaturvariationen der modifizierten K hlmaschine 75 6 3 3 1 Montierung der K hlmaschine Dioden und Hei Pee peeeneReeeaeewaee ee neo 76 6 3 3 2 Bestimmung der Ankopplung 76 6 3 3 3 D mpfung der Temperaturvariationen durch den Heliumbeh lter 2 2 2222 2 22 nn 77 6 4 Mechanische Tests 22
44. Design Realisierung und Verifizierung der Steuerung des Submillimeter Array Receiver for Two Frequencies SMART im Labor und Teleskopeinsatz Inaugural Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch Naturwissenschaftlichen Fakult t der Universit t zu K ln vorgelegt von Stephan Stanko aus K ln K ln 2002 Berichterstatter Prof Dr J Stutzki Prof Dr J Jolie INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassungen 1 1 ADS a eae 1 2 Zusammenfassung 0 ee 3 Heterodynempfanger mit SIS Mischern 3 1 Aufbau eines Heterodynempfangers 3 2 SlS Junctions als Quantenmischer 3 3 Josephson Effekt 2222222 Coon a 3 3 1 Der Josephson Wechselstrom 3 3 2 Der Josephson Gleichstrom 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer 4 1 Ber cksichtigte Abstimmparameter 4 2 Einstellen des Lokaloszillators 4 3 Einstellen des Biaspunktes 004 4 4 Abstimmen der Magnetfeldstarke 4 4 1 Spr nge in den Magnetfeldscans 4 4 2 Hysterese des Magnetfeldes 4 4 3 Nichtreproduzierbarkelten 4 4 4 Bestimmung des Josephson Effekts 4 4 4 1 Bestimmung des Josephson Stroms anhand der Kennlinie 2 2 2222 ee 4 4 4 2 Bestimmung des Josephson Effekts anhand der Konversionskurve 22 2 22 2 nn 4 5 Automatische
45. Erwartet als Argument den Kanal des abzustimmenden Mischers Ohne Argu ment f hrt er den Befehl f r alle eingeschaltete Kan le durch Der Befehl pr ft zuerst den Biaspunkt und die Pumpstufenh he und gibt bei zu hoher oder nied riger Pumpstufe eine Warnung aus Au erdem wird berpr ft ob der variable Abschw cher in der ZF Kette nicht mehr auf 31dB steht da ansonsten ein Ab schw cherwert gesucht wird Anschlie end wird das beschriebene Tuningver fahren einschlie lich Finetune durchgef hrt finetune Erwartet genau wie tune als Argument eine Kanalnummer Anschlie end wird eine Feinabstimmung an dem entsprechenden Mischer durchgef hrt Bei einem bereits abgestimmten System kann man diesen Befehl zum Nachstimmen verwenden Biaspunkt und Pumpstufenh he werden allerdings nicht berpr ft trec Mit Hilfe der Befehle hot cold und zero lassen sich eine Hot eine Cold Load sowie eine Zero Messung durchf hren Der Befehl trec gibt anschlie Bend die so gemessene Empf ngertemperatur zur ck B 2 2 tunelo Hierbei handelt es sich um ein X Windows bas ertes Programm dal dem Benutzer s multan f r alle eingeschalteten Kan le sowohl die Pumpstufenh he als auch die Kon version am eingestellten Biaspunkt grafisch darstellt Au erdem lassen s ch f r spe zielle Messungen wie zum Beispiel die Verkippung der Diplexerspiegel die Werte auf stdout schreiben Das Programm dient folgendem Zweck 1 Einstellen der Diplexerspiegel so
46. Fourier Gratings as Submillimeter Beam Splitters IEEE TransAP 49 4 April 2001 LITERATUR 17 U U Graf S Heyminck E A Michael und S Stanko KOSMA s 490 810 GHz Array Receiver In Proceedings of the 12th International Symposium on Space Terahertz Technology San Diego California 2001 18 U U Graf S Heyminck E A Michael S Stanko C E Honingh K Jacobs und J Stutzki SMART The KOSMA Sub Millimeter Array Receiver for Two Frequencies In Proceedings of the 13th International Symposium on Space Terahertz Technology Boston 2002 n prep 19 M Gr ber Entwurf und Test von Komponenten f r einen Submillimeter Array Empf nger Diplomarbeit Universit t zu K ln 1998 20 R G sten et al CHAMP The Carbon Heterodyne Array of the MPIfR In Thomas G Phillips editor Advanced Technology MMW Radio and Terahertz Telescopes Proceedings of SPIE Vol 3357 1998 21 S Haas Low Noise Fixed Tuned SIS Mixers for Astronomical Observations n the Submm Wave Region Doktorarbeit Universit t zu K ln 1998 22 O Hachenberg und B Vowinkel Technische Grundlagen der Radioastronomie B I Wissenschaftsverlag 1982 23 H Hafok Globale Eigenschaften der Linienemission niedriger CO Rotations berg nge in externen Spiralgalaxien Doktorarbeit Universit t zu K ln 2001 24 G M Heiligman et al The SOFIA Mission Control Subsystem Software Bulle tin of the American Astronomical Society 199
47. Lo on nn 79 6 4 1 Messung der Vibrationen des Gesamtsystems 81 INHALTSVERZEICHNIS 6 4 1 1 Unaufgepumpte K hlmaschinenhalterung 6 4 1 2 Aufgepumpte K hlmaschinenhalterung 6 4 2 Messung der Vibrationen der Kuhlmaschine 6 4 2 1 Waagerecht h ngende K hlmaschine 6 4 2 2 Senkrecht h ngende K hlmaschine 6 5 Zusammenfassung 2 222mm nn 7 Messungen mit dem abgestimmten System 71 Rauschtemperaturen 222 Common 7 2 Beampattern Messungen 000022 eee 7 3 Kartierung der Sonne und des Jupiters mit dem Cobac 7 4 Spektroskopische Messung 2 222 2 2 mm nenn 8 Zusammenfassung A 1 Adre bus A 2 PC Karten A 2 1 ADC Kartel 222 CC mon een A 3 Phase Lock Loop PLL 2 2 LE m nn A 3 1 Ansteuerung der PLL durch das PC Interface A 4 Beamrotator B 1 Allgemein B 2 Steuersoftware B 2 1 x3 B 2 1 1 Aufnahme von Strom Spannungs Kennlinien 81 82 85 85 87 89 91 91 93 93 96 99 101 102 102 102 104 104 105 105 106 109 109 110 110 111 INHALTSVERZEICHNIS B 2 1 2 Autotune 222 Coon 112 B 2 2 tunelo 2 2 oo 112 Bo EEE RE EEE 113 B 2 4 beamrot 2 0000 eee ee ee ee aa 113 B 3 Kontinuumsmessungen 0008022 e ae 115 B 4 Der PCI DIO 96 Treiber 118 B 4 1 Installation des Treibers 118 B 4 2 Benutzung der Karte
48. So kann die eigentliche Form der Konversionskurve n cht ohne weiteres von der Software erkannt werden Ein weiterer Nachteil gegen ber der Kenn linienmethode liegt darin da f r die Aufnahme der Konversionskurve grunds tzlich die gesamte ZF Kette zur Verf gung stehen mu Es m ssen also leicht quantifizierba re Me gr en der Konversionkurve gefunden werden anhand derer sich die Qualit t der Abstimmung beurteilen l t optimales Magnetfeld Nicht optimales Magnetfeld 55000 50000 45000 ZF Leistung Counts 40000 35000 Bias Spannung mV Abbildung 26 Konversionskurven einer nicht gepumpten 492 GHz Junction mit opti malen und nicht optimalen Magnetfeldern In Abbildung 26 sind die Konversionskurven gezeigt die simultan zu den Messungen in Abbildung 25 durchgef hrt wurden Die Plateaus entstehen dadurch da die Elek tronik bei 55000 Counts ges ttigt ist Allerdings sieht man an den Graphen da das bei der Bestimmung mit den Kennlinien eingestellte Magnetfeld keineswegs optimal war Erkennbar ist dies an den zwei kleinen Peaks n dem schmalen Bereich um den Ursprung Die einfachste M glichkeit Informationen ber den Josephson Effekt aus der Kon versionskurve abzuleiten besteht darin die Summe ber den gesamten Datensatz zu bilden F hrt man mit diesem Algorithmus einen Magnetfeldscan bei dem die Sum me gegen das eingestellte Magnetfeld aufgetragen wird so sieht man einige scharf
49. aber im typischen Temperaturbereich der molekularen Phase zwischen 5 K und 100 K nicht direkt beobachten l t Als mononukleares Molek l be sitzt H kein Dipolmoment und die Anregungstemperaturen der Quadrupol berg nge sind mit 509K h her als die typischen Temperaturen im Bereich der moleku laren Phase des ISM Daher wird das zweith ufigste Molek l Kohlenmonoxid CO beobachtet das von den Wasserstoffmolek len ber St e zu Rotations berg ngen an geregt wird Der Vergleich der beobachteten Intensit ten mit Simulationsrechnungen der Anregungsbedingungen erlaubt den R ckschlu auf die oben erw hnten Parame ter Bisher wurden daf r berwiegend die berg nge CO J 2 1 bei 230 GHz und CO J 3 2 bei 345 GHz genutzt Da aber berg nge bei h heren Energien empfindlicher auf die Anregungstemperaturen im Medium reagieren wurde SMART so konstruiert da die berg nge CO J 4 3 bei 460 GHz sowie CO J 7 6 bei 805 GHz nachge wiesen werden k nnen Neben der Beobachtung h herer CO berg nge kommt vor allem der Beobachtung der berg nge des atomaren Kohlenstoffs zentrale Bedeutung zu Diese sind wesentlich f r die Untersuchung von Photonen Dominierten Regionen in Sternentstehungsgebieten 37 Daher lassen sich die Feinstruktur berg nge von atomarem Kohlenstoff CI bei 492 GHz 48 und bei 809 GHz messen Ange merkt werden sollte da die CO J 7 6 und CI 809 GHz berg nge aufgrund der hohen Bandbreite des Systems
50. al The Cologne Dual Frequency Submillimeter Heterodyne Spectrometer In Astron Ges Abstr Ser 11 TU Darmstadt 1995 127 128 LITERATUR 66 B Vowinkel und U U Graf A Dual Channel SIS Receiver for Radioastronomy In Proceedings of the International Seminar on Terahertz Electronics Part 1 TU Darmstadt 1994 67 C Walker et al Pole Star An 810GHz Array Receiver for AST RO In Procee dings of the 12th International Symposium on Space Terahertz Technology San Diego California 2001 68 N Walsh Learning Perl Tk O Reilly 1 Auflage 1999 69 N R Werthamer Nonlinear Self Coupling of Josephson Radiation in Supercon ducting Tunnel Junctions Phys Rev 147 1966 Danksagung Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr J Stutzki der mir die M glichkeit gab diese Arbeit am I Physikalischen Institut der Universit t zu K ln durchf hren zu k nnen Ich habe w hrend dieser Zeit viel gelernt und konnte f r mich wertvolle Erfahrungen sammeln F r seine aufmerksame und beraus konstruktive Durchsicht des Entwurfs dieser Dissertation bedanke ich mich Bei Herrn Professor Dr J Jolie m chte ich mich f r die bernahme des Zweitgutach tens und bei Herrn Professor Dr B Tezkan f r die bernahme des Pr fungsvorsitzes bedanken Urs Graf m chte ich mich f r die gute Zusammenarbeit im Labor und am Rechner sowie f r die m hsame Arbeit des Korrekturlesens bedanken F r meine Probleme hatte er stets
51. alkamera gemessenen Winkels des Beamrotators durchgef hrt An jeden Beam der Karte wurde eine Gau funktion gefittet und so des sen Position bestimmt Anschlie end wurden alle so berechneten Punkte durch eine Gerade angen hert deren Steigung dem Drehwinkel des Beamrotators entsprach So wurde ein Winkel von 2 2 bestimmt Anschlie end wurde der Beamrotator um 50 gedreht und die Messung wiederholt Der so gefundene Winkel betrug 53 2 1 Die relative Bewegung des Beamrotators konnte also auch durch eine Messung mit dem Empf nger verifiziert werden Der absolute Offset von 2 2 wurde bei der Installa tion des Systems auf dem Gornergrat durch eine Neukalibration auf Null korrigiert Dazu wurden mit einer Pr zisionswasserwaage die Positionen bei 180 und 180 im PC abgespeichert Aus vorhergehenden Messungen mit einer Digitalkamera Ab bildung war bekannt da die Linearit t mit einem rms von 0 3 ausreicht um zwischen diesen beiden Positionen interpolieren zu k nnen Die Aufgabe des Steuer PCs hinsichtlich des Beamrotators besteht darin die vom Te leskopsteuerrechner kommenden Positionswinkel in f r die Hardware verst ndliche Werte umzurechnen mit Hilfe der Beamrotator PC Schnittstelle den entsprechenden Z hlerstand einzustellen und diesen nach der Fahrt des Beamrotators zu berpr fen Au erdem wurden mit dem System die oben gezeigten Testmessungen zur Linearitat durchgef hrt In Anhang sind zus tzliche Messungen
52. ann sondern an der Struktur die ihn h lt Die Temperaturschwankungen k nnen sich also maximal bis zu diesem Wert auf die Junction auswirken Verglichen mit den geforderten 200 WK er scheint dies als zu viel Daher wird im folgenden Abschnitt ein Verfahren beschrieben die Temperatur direkt anhand der Gapspannung der Junction zu bestimmen 6 3 2 Messung der Temperaturvariationen der Junction anhand der Gap spannung Auch bei diesen Tests wurde die nichtmodifizierte K hlmaschine im komplett montier ten Dewar betrieben Da d e Temperaturdiode nicht unmittelbar am Mischer sondern nur an dessen Halterung angebracht werden konnte sollte untersucht werden wie gro der direkte Einflu der Temperaturvariationen auf die Junction ist Dazu wurde die Abh ngigkeit der Gapspannung der Junction von der Temperatur ausgenutzt Zuerst wurde eine Kalibration durchgef hrt bei der die K hlmaschine im heruntergek hlten Zustand abgeschaltet wurde So konnten die Kalibrations Messungen ohne die st ren den Temperaturvariationen durchgef hrt werden Au erdem wurden sie nur einmal in der Sekunde durchgef hrt so da Junction und Temperaturme diode die gleiche Tem peratur haben sollten Mit dieser Kal bration wurden bei laufender K hlmaschine mit einer Datenrate von 12 3 Samples n der Sekunde die Temperaturvariationen direkt am Mischer gemessen 6 3 2 1 Kalibration der Gapspannung anhand der Temperatur Zur Kalibration von Gapspannung und Temperatu
53. annungen in den entspre chenden Modulen zu erzeugen Abbildung 37 anstatt den Ausgang einer DAC Karte des Steuer PCs zu verwenden Ein Z hler speichert diese Spannung getrennt f r jeden Kanal und gibt damit einem Digital Analog Converter DAC die Information um ei ne definierte Spannung zu erzeugen 19 Dies hat drei Vorteile Zum ersten k nnen die entsprechenden Spannungen in den Einsch ben wesentlich stabiler und rauschar mer erzeugt werden als im DAC eines PCs Zum zweiten ist man so unabh ngig vom PC denn dieser mu f r ein manuell betriebenes System nicht eingeschaltet sein Ein dritter Vorteil zeigt sich in Verbindung mit der Ansteuerung Ein vom PC eingestellter Wert kann durch den Benutzer korrigiert werden Dies war bisher nicht m glich da e1 ne analoge Spannung entweder vom PC oder vom Benutzer eingestellt werden konnte In der Praxis hie das da bei mi lungener Abstimmung durch den PC das System ausgeschaltet auf manuelle Steuerung umgeschaltet und anschlie end alle Einstellun gen vom Benutzer mit der Hand durchgef hrt werden mu ten Durch die oben beschriebene Art die Analogspannungen zu erzeugen werden in den einzelnen Modulen keine permanenten Takte erzeugt wie sie bei einem Prozessor b lich sind Nur bei der Ver nderung eines Parameters existieren Signale des Einstell rades oder des PCs die aber alle niederfrequent s nd So k nnen keine st renden hochfrequenten Impulse in die Analogelektronik durchspre
54. apr_50mV_524288 fft printf 2 transpose abs res close 2 E Reduktion der mechanischen Daten readbin pro Dient dem Einlesen von gebinnten Datenfiles in IDL Der Aufruf lau tet idl gt readbin x Der Dateiname mu wie bei allen hier vorgestellten IDL Skripten in den Quellcode eingetragen werden Sollten innerhalb eines IDL Laufes die Dateinamen ge ndert werden so mu das Skript anschlie end neu kompiliert werden idl gt compile a readtwo pro Dient dem Einlesen der eigentlichen Daten mit zwei Spalten Die Syntax lautet idl gt readtwo x y Auch hier mu der Dateiname in das Skript eingetragen werden readother pro Wie readtwo pro da zwei verschiedene Dateien zur gleichen Zeit eingelesen werden sollen box c Aufruf box Dateiname boxsize Es werden immer Daten innerhalb von 2 boxsize 1 aufgemittelt Die Daten werden symmetrisch um den aktuellen Datenpunkt genommen Es entsteht ein Datensatz der 2 boxsize kleiner ist als der urspr ngliche mean c Aufruf mean Dateiname step Summiert step Datenpunkte auf und speichert die Summe Anschlie end geht der Datenzeiger um step Schritte wei ter Die erzeugte Datei besitzt nur noch 1 step soviele Datenpunkte wie die urspr ngliche Date 123 124 LITERATUR Literatur 1 J Albers Entwicklung eines SIS Mischers f r 345GHz mit integrierten Ma gnetspulen Diplomarbeit Universit t zu K ln 1997 2 J Bardeen L N Cooper und J R Schrieffer Theory o
55. at 30 i 5 unction Levels 0 2 0 1 1 0 or Junction 2 Junction 3 20 Junction 4 Junction 5 Junction 6 Junction 7 Position mm O 20 30 40 20 0 20 40 Position mm Abbildung 68 Die einzelnen Beams des KOSMA Array Empfangers Man sieht eine Zeile die sowohl mit 490 GHz als auch mit 810 GHz Mischern best ckt ist Es liegen immer zwei Pixel mit unterschiedlicher Frequenz f r jede Position gut bereinander In Abbildung ist eine Messung der Empf ngerkeulen aller acht Mischer durch gef hrt mit dem pattern Programm zu sehen Man sieht deutlich die vier Beams der 490 GHz Mischer Junction 0 bis Junction 3 in einer Reihe Die vier 810 GHz Mischer liegen mit ihrer kleineren Antennenkeule dar ber Junction 4 bis Junction 7 7 3 Kartierung der Sonne und des Jupiters mit dem Cobac In Abbildung 69 wird die erste astronomische Messung mit SMART vorgestellt Dabei handelt es sich um eine Karte der Sonne gemessen am 9 September 2001 Bei den Strukturen die im unteren Teil der Sonne zu sehen sind handelt es sich um einen atmosph rischen Effekt da die Sonne bei den Messungen des unteren Teils schon sehr tief stand das Licht also eine gr ere Atmosph renschicht passieren mu te In Abbildung 70 ist die Kartierung des Jupiter im Kontinuum mit allen vier Beams bei 490 GHz zu sehen Bei der Messung war der Beamrotator um 45 gedreht so 93 94 7 Messungen mit dem abgestimmten System KOSMA 490 810 GHz Array
56. bare nderung des Eingangssignalpegels eines Empf ngers Tsys VAvT Da die Bandbreite Av durch die astronomische Quelle festgelegt ist l t sich eine Verkleinerung der Grenzempfindlichkeit nur erreichen indem die Systemtemperatur Tsys reduziert oder die Integrationszeit T erh ht wird AT 1 Die Reduzierung der Systemtemperatur Tsys ist nur m glich durch Verringerung des Eigenrauschens der einzelnen Komponenten Mischer Verst rker Spektrometer Da bei kommt insbesondere den ersten Elementen in der Signalkette also dem Mischer und dem Vorverst rker eine besondere Bedeutung zu da deren Rauschbeitr ge von den nachfolgenden Stufen in gleichem Ma e wie das Signal mitverst rkt werden Da die Wetterbedingungen die nutzbare Beobachtungszeit limitieren ist es notwendig die zur Verf gung stehende Zeit optimal zu nutzen M glich ist dies durch Verrin gerung des Empf ngerrauschens oder durch das Verwenden von Array Empf ngern Dabe werden ausgedehnte astronomische Objekte an mehreren Punkten gleichzei tig gemessen und so d e Me zeit an einem Teleskop parallel f r mehrere Positionen genutzt Dieses Prinzip wird bei optischen und Teleskopen m Infrarot Bereich mit Hilfe von hochintegrierten CCD Detektoren angewandt Allerdings ist der Aufbau e nes Array Empf ngers im submm Bereich wesentlich aufwendiger da viele einzelne Empf nger nebeneinander angeordnet werden m ssen Au erdem mu dort jeder Mi scher einzeln abges
57. chen Durch das Konzept der Modularisierung kann jeder SIS Mischer des Systems mit sei nen Hardwarekomponenten als ein eigenst ndiger Empf nger betrachtet werden Nur die Lokaloszillatoren die f r jede Frequenz nur einmal vorhanden sind m ssen kanal bergreifend abgestimmt werden Daher wurden alle Analogsignale d e der Benutzer der bersichtlichkeithalber nur kanalweise abrufen kann parallel zum PC gef hrt der 53 54 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART diese aufbereiten und graphisch darstellen kann 5 2 1 PC Interface Abbildung 38 Das PC Interface das den PC mit der gesamten restlichen Hardwa re verbindet Man sieht links den Schalter mit dem der PC von der Hardware ge trennt werden kann Weiter rechts befinden sich die Sub D Stecker f r die PLLs so wie die parallel dazu herausgef hrten zwei DAC Ausg nge und die ersten acht ADC Eing nge Diese k nnen zu Testzwecken verwendet werden wobei ADCO und ADC1 mit den PLLs und ADC2 mit dem Beamrotator verbunden sind Ganz rechts sieht man den Anschlu f r den Beamrotator Eigentliches Bindeglied zwischen den PC mit seinen Interface Karten und der Emp fangerelektronik ist die im Rahmen dieser Arbeit konzipierte und gebaute PC Box S mtliche Signale zum oder vom PC m ssen diese passieren was folgende Vorteile bietet e Kompakte und bersichtliche Verkabelung der Boxen Einheitliche Datenaufnahme Zentrale Schutzvorrichtung f r Analogleitungen dam
58. d 4 1 Ber cksichtigte Abstimmparameter Das optimale Einstellen der Parameter Magnetfeldst rke Bias Spannung sowie Pump leistung der Lokaloszillatoren erm glicht die beste Effizienz des Systems und damit das geringste Eigenrauschen All diese Parameter wurden bisher an SIS Empf ngern manuell eingestellt Da dies bei einem System mit acht oder sechzehn Mischern nicht mehr effizient erfolgen kann wurde das automatisierte Abstimmen entwickelt Die Parameter sind 1m einzelnen die Magnetfeldst rke die Bias Spannung sowie die Lo kaloszillatorleistung und frequenz Magnetfeldstarke Das Magnetfeld unterdr ckt den Josephson Effekt der zus tzli ches Rauschen hervorrufen w rde Ohne eine optimal eingestellte Magnetfeld st rke ist dieses Rauschen so hoch da ein sinnvolles Messen mit dem System nicht m glich w re Biaspunkt Der Biaspunkt bezeichnet die Vorspannung bei der der SIS Mischer be trieben wird um eine optimale Konversion zu erhalten Bei dieser Spannung ist die Rauschtemperatur des Empf ngers minimal 21 22 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer Lokaloszillatorleistung und frequenz Das zu detektierende Signal wird mit Hil fe des Lokaloszillatorsignals gemischt und so auf die Zwischenfrequenz umge setzt Der phasenstabilisierte Lokaloszillator mu also bei der richtigen Fre quenz schwingen und seine Leistung mu so optimiert werden da die Kon version des Mischers maximiert wird Bei der Abstimmung
59. da die Resonanzfrequenz der Beobachtungs frequenz entspricht der Diplexer also maximal transmittiert Dazu wird der eine Diplexerspiegel mit der Mikrometerschraube so lange verschoben bis die Pumpstufen der Mischer maximiert sind So passiert die maximale Leistung des Lokaloszillators den Diplexer Da der LO aber der Mittenfrequenz der Beobach tungsfrequenz entspricht wird auch diese durchgelassen 2 Einstellen der Pumpstufenh he so da die SIS Mischer weder ber noch unter pumpt werden Dazu wird die Anpassung des letzten Vervielfachers des LO so lange mit Hilfe der Mikrometerschraube verstimmt bis die Pumpstufe in einen optimalen Bereich fallt der gekennzeichnet ist Zur genaueren Justage richtet man sich dann nach der Konversion die maximal sein sollte B 2 Steuersoftware B 2 3 pll Der Befehl p11 steuert zum einen die beiden Phase Lock Loops PLL an Dies bein haltet das Fahren einer Gunn Spannungsrampe die erst dann unterbrochen wird wenn das AFC Signal der PLL kleiner als 1V geworden ist Damit l t sich die PLL einfach locken Au erdem gibt es einen Modus in dem die Gunn Spannung alle 5 Sekunden so angepa t wird da das AFC Signal minimiert wird Damit l t sich das AFC S gnal ber Stunden oder Tage minimieren Allerdings hat auch die PLL nur einen eingeschr nkten Arbeitsbereich Wird dieser mit der Gunn Spannung ber oder un terschritten so lockt die PLL trotzdem aus und die Frequenzschraube des Gunn mu
60. den Aufbau von Array Empf ngern die mehrere Punkte am Him mel gleichzeitig beobachten k nnen und so die Me zeit eines Teleskopes besser aus nutzen und dadurch da der Abstimmaufwand jedes einzelnen Kanals innerhalb des Empf ngers gleich geblieben ist st der Betrieb des Systems sehr arbeitsintensiv Die bisherige Erfahrung mit Array Empf ngern wie POLSTAR oder CHAMP hat gezeigt da diese sehr personalintensiv sind Daher wurde bei dem Bau von SMART darauf geachtet dal das System mit geringem Aufwand betrieben werden kann Das Design der Elektronik die Rechnerunterst tzung sowie das automatische Abstimmen tragen einen Gro teil dazu bei Aber auch in anderen Situationen ist ein solcher Algorithmus n tig So m ssen bei einem Interferometer mit mehreren Empfangssystemen n r umlich voneinander ent fernten Teleskopen s mtliche Empf nger abgestimmt werden Auch hier w re zwar ein manuelles Abstimmen m glich der zeitliche und personelle Aufwand jedoch nicht akzeptabel Ein m gliches Einsatzgebiet w re also zum Beispiel das Atacama Large Millimeter Array der ESO ALMA das als Interferometer mit 64 Einzelantennen auf der chilenischen Andenhochebene auf 5200 m ii NN geplant ist 5 Bei dem Einsatz eines Heterodynempf ngers an Bord des Satellitenobservatoriums HERSCHEL fr her FIRST mit dem HIFI Instrument muf der Empfanger auto matisch abgestimmt werden da hier der Eingriff des Menschen unm glich ist Zudem ist f r den
61. die sen kurz Um das System das der Versorgung nun den maximal m glichen Strom entnimmt nicht zu sehr und insbesondere nicht auf Dauer zu belasten wurde eine wei tere Schutzschaltung an der PLL implementiert die die Versorgungsspannung bei zu hohen Str men abtrennt Diesen Zustand wird optisch durch eine Leuchtdiode signa lisiert und auch dem PC gemeldet da man zum Wiedereinschalten der Versorgungs spannung diese erst aus und dann wieder einschalten mu Dies ist auch vom PC aus m glich Die PLL regelt die Frequenz des Gunns mit Hilfe der Versorgungsspannung Dabei ist es wichtig dem System eine Vorspannung Gunn Bias zu geben die von der PLL leicht variiert an den Gunn gegeben wird Um diese Vorspannung zu finden wurde ein Modus implementiert bei dem der PC die Gunn Spannung zwischen zwei Bereichen durchf hrt bis das Automatic Frequency Control Signal AFC Signal minimiert ist Die Lokaloszillatoren werden bei dem Array Empf nger nicht automatisch abgestimmt da die Backshorts und die Frequenzschraube mit denen die Pumpleistung eingestellt werden kann manuell zu bedienen sind Au erdem werden sie im Gegensatz zu den Mischern nicht einzeln eingestellt da f r jede Frequenz nur ein LO zur Verf gung steht Der Gangunterschied zwischen LO und Signalstrahlung im Diplexer m ssen 57 08 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART so abgestimmt werden da alle Mischer mit der ben tigten Pumpleistung versorgt werden Hi
62. dung 35 Das Elektronik Rack mit der gesamten Steuerelektronik f r den neu en KOSMA Array Empf nger Unten befindet sich der Steuer PC dar ber das PC Interface das den PC mit der restlichen Elektronik verbindet Es folgen d e beiden Synthesizer die das Referenzsignal zum Locken der Gunn Oszillatoren zur Verf gung stellen Den gr ten Platz nimmt die dar berliegende ZF Aufbereitung ein Hier wird das ZF Signal von 2 1GHz auf 1 5 GHz umgesetzt und verst rkt Au erdem befinden sich hier die variablen Abschw cher der Zero Schalter und die Kamm Einspeisung Dieser Einschub wird mit Hilfe eines Durchlaufk hlers den man links im Bild sehen kann auf 20 C temperiert um Gaindriften zu vermeiden ber dem ZF Prozessor be finden sich die Bias Ansteuerung und die Magnetstromversorgung Ganz oben dient ein Oszilloskop zur Darstellung von Kennlinien und Konversionskurven f r den aus gew hlten Kanal siehe auch Abbildung 36 49 50 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART PC ein Kanal ausgew hlt werden so da nur an diesem die Parameter ge ndert werden k nnen All diese berlegungen f hrten zu einem Design das vollkommen autark ohne einen Me rechner betrieben werden kann Dabei werden in den verschiedenen Subsystemen alle ben tigten Analogspannungen von DACs in den jeweiligen Modulen erzeugt Da die Bezugsspannungen durch Referenzspannungs ICs erzeugt werden k nnen Driften nahezu ausgeschlossen werden F r jeden Kanal wi
63. e bertragung der Dateien erfolgte mit dem Programm file_daemon das als Server und Client dienen kann 59 Dieses mu auf beiden Rechnern als Server und Client gestartet werden Es erm glicht die schnelle bertragung der Dateien Dazu berpr ft es alle IOms die Existenz der Lock Dateien die mit einem Punkt beginnen B 5 Durchf hrung der Tests mit dem Kommunikationsprogramm knc2 und pvm3 121 B 5 2 PVM3 Der Multiplikationstest wurde ebenfalls mit Hilfe eines PVM3 Protokolls durchge f hrt Die bertragung der 400 Wertepaare geschah in diesem Test in einer Sekunde da hier keinerlei Wartezeiten vorhanden waren Das entsprechende Testprogramm lau tet knc_pvm Wird es auf einem PC gestartet so d ent dieser Proze als Cl ent der die Daten verschicken und die Ergebnisse empf ngt Dieser Proze startet auf einem anderen Rechner den Server der die Wertepaare entgegenimmt und das Produkt zu r cksendet Voraussetzung ist da knc_pvm auf diesem Rechner ebenfalls vorhanden 1St 122 D Fouriertransformation der Vibrationsdaten C Konvertierung der Kennlinien zu Gapspannun gen Um die Daten in j1d_fluct dat und alle weiteren zu erzeugen wurde jede Kennlinien datei wie folgt behandelt siehe hierzu auch do_data sh 1 Bestimmung der Zeit aus dem Dateinamen der Kennliniendatei 2 Bestimmung der dazugeh rigen Temperatur durch Suche der gerade bestimmten Zeit in der Datei fast_temp dat 3 Ausrechnen der Gapspannung in Einheite
64. e Antennenkeule des Empf ngers vermessen Im September 2001 wurde der KOSMA Array Empf nger am KOSMA 3m Radioteleskop auf dem Gornergrat Schweiz installiert und in Be trieb genommen Im folgenden werden die ersten astronomischen Messungen vor gestellt die eine Kartierung der Sonne und des Jupiter sowie eine spektroskopisch gemessene Karte der Region S106 n Cygnus umfassen Abgesehen von den h er ge zeigten Rauschtemperaturmessungen und der Kartierung von S106 erfolgten alle Mes sungen mit Hilfe der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Kontinuum Me software Continuum Backend Cobac 7 1 Rauschtemperaturen Die Leistung des mit dem gesamten System empfangenen Signals setzt sich zusam men aus dem Signal des Empf ngers T und dem der Antenne T Die gesamte Sy stemrauschtemperatur ergibt sich also zu T T T 33 Zur Messung der Eigenrauschtemperatur Tp des Empf ngers benutzt man die Bezie hung T TR T c Pyp 34 indem man die Ausgangsleistung bei zwei verschiedenen bekannten Temperaturen mi t Ikt P hot Ir PER zu Pola 35 Mit 36 91 92 7 Messungen mit dem abgestimmten System erh lt man L y T l hot cold 37 y 450 Junction 0 Junction 1 N Junction 2 400 w Junction 3 350 KA lt A 300 Q 5 250 dp gt OO oc 200 150 100 600 800 1000 1200 1400 Kanal Abbildung 67 Empfangerrauschtemperaturen der vier 492 GHz SIS Misch
65. e Beobachtung des berganges CO J 7 6 sowie die CI 809 GHz Linie gezeigt Die CI und CO J 7 6 berg nge sind Sensoren f r das warme und dichte Gas n unmittelbarer N he der anregenden Sterne 7 4 Spektroskopische Messung 97 CO 4 3 line in 5106 KOSMA Sm Submillimeter Telescope 30 30 kms 5 15K T offsets in arcsec 27 5 grid no baselines subtracted 2 hours of observing time 26 27 October 2001 cf CIl map itaken at the KAO ae erben un inet ae ll un O0 SP eee ele 200 100 O Abbildung 71 Karte des CO J 4 3 berganges in S106 mit SMART 98 2 S106 CI 5 RA 20 25 55 802 D Unknown Tau 1 064 iS 7 Messungen mit dem abgestimmten System EC N 2198 I0 1099 492160 700 FO Tsys VO 7228 0 000 Time Df 1 041 Dv PO KOSMA 3M AOS O 13 DEC 2001 12 50 00 1950 0 Offs 217 1055 0 6340 Fi 495167 504 R 14 D 0 450 LSR EC 2001 Eq 40 75 bergang O Velocity km s Abbildung 72 Integrierte Daten des AOS Kanals 3 Zu sehen ist der CI 492 GHz 50 5 2 S106 Cl 5P2 3P1 KOSMA 3M A0 O 15 DEC 2001 R 14 DEC 2001 RA 20 25 33 802 DEC 37 12 50 00 1950 0 Offs 3 217 0 450 Eq Unknown Tau 1 484 Teves 15853 Time 1055 E
66. ein offenes Ohr F r die Durchsicht der Arbeit bedanke ich mich au erdem bei Heiko Hafok Maik Zielinsky Gabriele Klapper und David Rabanus Stefan Heyminck geb hrt mein Dank daf r da er es immer wieder geschafft hat alle optischen Elemente so aufzustellen da anschlie end eine gepumpte Kennlinie zu se hen war Bhaswati Mookerjea danke ich f r die Hilfe bei den Stabilit tsmessungen und den Linearit tstests des Beamrotators Ingo Poppe hatte nicht nur immer die richtige Idee wenn ein elektronisches Problem gel st werden mu te Nach seinem Weggang habe ich immer wieder das Aufbauende an seiner positiven Lebenseinstellung vermi t Netty Honingh geb hrt mein Dank f r die lehrreichen Gespr che f r die sie sich Zeit genommen hat Ein gro er Dank geb hrt auch Dieter Schneider Thomas F rster Herrn B Vowinkel und David Rabanus d e immer helfend zur Hand waren und f r eine gute Arbeitsat mosph re gesorgt haben F r das gute Klima m chte ich mich auch bei meinen Zimmerkollegen Petra Neubauer G nther Michael Caris J rg Stodolka Gabriele Klapper und Uwe Corneliussen be danken Heiko Hafok I Physikalisches Instut Uni K ln ich danke ich insbesondere f r seine Ehrlichkeit mit der er mich manchmal auch n den Wahnsinn getrieben hat Maik Zielinsky danke ich f r die fr hmorgentlichen aufbauenden Gespr che und die konspirativen Bibliothekstreffen Meinen Eltern m chte ich f r die Unterst t
67. ektierenden astro nomischen Signal berlagert so da der SIS Mischer die Differenz bzw die Summe der Frequenz bilden kann Anschlie end wird mit konventioneller Technik im Bereich von 2GHz gearbeitet In Abbildung l3list das Blockdiagramm des phasengelockten Gunnoszillators darge stellt Ein kleiner Teil des Gunnoszillatorsignals wird ausgekoppelt und im Harmoni schenmischer mit einer harmonischen Schwingung des Synthesizersignals gemischt 4 2 Einstellen des Lokaloszillators RF Harmonic Mixer mw Re A IF Amplifier Phase Detector Gunn 60MHz Synthesizer Gunn Bias a E Phase Lock Loop Control Voltage Abbildung 13 Blockdiagramm des phasengelockten Gunnoszillators Dieses niederfrequente Signal wird von der Phase Lock Loop als Regelsignal f r die Gunnoszillatorspannung verwendet die wiederum die Frequenz des Oszillators be stimmt Ein Gro teil des Gunnsignales wird frequenzvervielfacht und dem Me signal im SIS Mischer berlagert Wenn die Frequenz auf die der LO zu tunen ist Vro ist und der Vervielfacher die Frequenz um den Faktor mult erh ht dann mu der Gunn die Frequenz V LO V Gunn mult erzeugen Das Signal des Gunns wird fiir die PLL mit Hilfe des Harmonischenmi schers mit der Harmonischen harm des Synthesizers tiberlagert und so auf eine Fre quenz von 60MHz heruntergemischt Wenn Veynth die Frequenz des Synthesizers is
68. en die Ansteuerung des Beamrotators sowie das PC Interface das alle diese Module mit dem PC verbindet 5 2 Elektronik Jedes der Module ist aufgeteilt in einen allgemeinen Teil sowie in Submodule die jeden einzelnen Kanal ansteuern Die einzelnen Submodule sind untereinander aus tauschbar so da sie in jedem Kanal eingesetzt werden k nnen Defekte Submodule k nnen einfach identifiziert und ausgetauscht werden Au erdem bleibt das System trotz eines eventuellen Defekts in einem Kanal f r alle br gen weiter betriebsbereit Der allgemeine Teil stellt die Spannungsversorgung sowie allgemein notwendige Si enale zur Verf gung Da ein Arrayempf nger mit acht oder sechzehn Kan len sehr komplex ist wurde die Bedienung durch einen alle Module verbindenden Adre bus vereinfacht Per Adre bus wird ein Empf ngerkanal selektiert und die selektierte Kanaladresse an alle Mo dule verteilt So k nnen an einem Modul nur die Werte f r den Kanal abgelesen und eingestellt werden der gerade ausgew hlt st Da dieser Kanal gleichzeitig auch an allen anderen Modulen selektiert st K nnen auch dort nur d e dazu geh renden Para meter ver ndert werden Dies hilft im praktischen Betrieb Fehler zu vermeiden Die Wahl des Kanals kann an jedem Modul durchgef hrt werden w rd aber allen anderen ebenfalls mitgeteilt Aufgrund der Erfahrungen die man mit dem KOSMA Zweikanalempf nger 66 gesammelt hatte wurde entschieden s mtliche Analogsp
69. en der Bildfeld oder Beamrotator der das aus dem Tele skop kommende Bild derotiert sowie dessen Ansteuerung vorgestellt Der KOSMA Empf nger wurde f r den Betrieb am KOSMA 3m Radioteleskop ge baut Da der alte Steuerrechner nicht die n tigen Kapazit ten f r den Betrieb von bis zu sechzehn Empf ngern ausgelegt war wurde ein neues Steuersystem konzipiert 60 34 Da es sich dabei um ein verteiltes System mit mehr als drei PCs handelt wur den im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Software Systeme konstruiert und getestet die es Prozessen die auf verschiedenen Rechnern arbeiten erlauben miteinander zu kommunizieren Diese Tests werden am Ende dieses Kapitels besprochen 5 1 Optischer Aufbau In der ersten Ausbaustufe ist der KOSMA Array Empfanger mit einer von zwei Zeilen best ckt Das entspricht acht Mischern durch die entsprechend vier Positionen mit jeweils einem Detektor bei 490 GHz und bei 810GHz zur Verf gung stehen Das System ist zudem daf r ausgelegt da eine weitere Reihe mit 2 x 4 Pixel in einer parallel dazu liegenden Zeile eingebaut werden kann Aufgrund der beschr nkten Platzverh ltnisse am KOSMA 3m Radioteleskop war es notwendig einen kleinen Dewar zu konstruieren der die SIS Mischer die erste anpas sende Optik sowie die ersten Vorverst rker enth lt Alle weiteren optischen Elemente 47 48 at BRAD EN RE PIE Seer Beam rotator lt Telescope 45cm LO unit Abbildung 34 KOSMA s 490
70. enden Orten vorhanden deren Numerierung in der Reihenfolge erfolgte in der sie am Me ger t angeschlossen und so in den Spalten der Datenfiles abgespeichert wurden Diode 1 Befestigung des Mischerblocks Diode 2 Kaltkopf der K hlmaschine 69 70 6 Stabilitatsmessungen Junction Diode I Kaltkopf Diode ON Strahlungsschild Abbildung 46 Verteilung der Temperaturdioden im Array Empf nger Diode 3 Strahlungsschild Diode 4 Ankopplung aus hochreinem Kupfer der als W rmeableitung zwischen Mi scherblock und Kaltkopf dient Die gr ten Temperatur nderungen waren mit 0 11 K an der Diode 2 am Kaltkopf zu messen Die Ankopplungsstruktur dient als thermischer Tiefpa so da die nderun gen direkt an der Junction um einen Faktor von etwa 10 geringer ausfallen F r jeden Kanal wurden 200 bis 300 Perioden der K hlmaschine aufgenommen und anschlie end fouriertransformiert um anhand dieser die Frequenz sowie derern Har monische und im Falle der K hlmaschine auch Subharmonische der Temperatur nde rung genau bestimmen zu k nnen Die so bestimmte Frequenz entspricht dem Arbeit stakt der K hlmaschine von etwa 1 Hz Abbildung 47 Daneben sind die ersten drei harmonischen Schwingungen zu sehen Temperaturschwankungen mK Absolute Temperatur K Strahlungsschild lt 1 Mischerblock Ankopplung Kaltkopf Tabelle 3 Temperaturvariationen m Vergleich Mit der im vorigen Abschnitt ermittelten Fre
71. ennt den Josephson Strom an der Sprungh he am Ursprung der Kennlinie Gibt man ein Signal in Form von Lokaloszillatorstrahlung mit der Frequenz v o auf die Junction so berdecken die Pumpstufen den Effekt bei dem ein Sprung am Ursprung der Kennlinie entsteht Stattdessen treten in der Kennlinie die sogenannten Shapiro Stufen auf 64 Diese entstehen bei den Spannungen nhv V 31 Daher ist das Abstimmen eines gepumpten Mischers anhand der Kennlinie nicht durch f hrbar Aus diesem Grund wird f r die Grobeinstellung bei einem ungepumpten Mischer die Kennlinie verwendet Aus Zeitgr nden wird der Weg gew hlt bei dem der Strom an zwei Punkten unweit des Symmetriezentrums gemessen wird Bei einem gepumpten Mischer kann dieses so nicht vorgegangen werden Dort wird das folgende Verfahren angewandt 4 4 4 2 Bestimmung des Josephson Effekts anhand der Konversionskurve Neben der M glichkeit die Gr e des Josephson Effekts anhand der Stufe am Ur sprung der Kennlinie zu bestimmen ist es auch m glich die Konversionskurve also 35 36 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer die ZF Leistung gegen die Bias Spannung aufgetragen heranzuziehen Diese reagiert wesentlich empfindlicher auf ein nicht optimal eingestelltes Magnetfeld Allerdings k nnen f r die automatische Auswertung nicht all die Eigenschaften der Konversi onskurve genutzt werden die von einem Benutzer am Oszilloskop aufgenommen und verarbeitet werden
72. er nach dem automatischen Abstimmen Man sieht da die Rauschtemperaturen bei drei der vier Mischer stellenweise unterhalb 150 K liegen Der vierte Mischer Junction 3 lag wegen eines Produktionsfehlers etwa 80 K dar ber Das Ansteigen der Rauschtempe raturen zu den R ndern entstand durch den Bandpa des Diplexers In Abbildung 67 ist die mit dem Akusto Optischen Spektrometer gemessene Rausch temperatur des automatisch abgestimmten 492 GHz Empf nger Arrays zu sehen Die Rauschtemperaturen wurden mittels der im Teleskop eingebauten Hot und Cold Load gemessen die bei 290 K und 77 K Temperatur lagen Bei drei der vier Mischer liegt diese stellenweise unterhalb von 150 K Die Rauschtemperatur des vierten Mischers lag wegen eines Produktionsfehlers etwa 80 K dar ber Au erdem sind in der Abbildung der Bandpa und die Mittenfrequenz des Diplexers zu erkennen die in diesem Fall so eingestellt war da sie mit dem Mittenkanal 1024 des AOS bereinstimmte So liegt die optimale Rauschtemperatur in der Mitte des Spektrometers Denkbar w re auch ein Verschieben dieser optimalen Frequenz des Diplexers in die Randbereiche des Spektrometers um so zwei spektroskopische Linien einer astromonischen Quelle gleichzeitig beobachten zu k nnen wobei die optimale Rauschtemperatur dann auf das Zentrum der schw cheren Linie verschoben werden w rde 7 2 Beampattern Messungen 7 2 Beampattern Messungen Thu Nov 8 18 51 43 MET 2001 pattern_810_21_xy d
73. er wird ausgenutzt da der PC alle analogen Signale s mtlicher Kan le insbesondere das ZF Ausgangssignal sowie die Str me die durch die Junctions flie en parallel auslesen kann So k nnen mit hoher Wiederholungsrate Bias Strom und Zwischenfrequenz Leistung aller Mischer gleichzeitig graphisch dargestellt wer den was den Benutzer beim Abstimmen der LOs und der Diplexer unterst tzt In Anhang A 3lwird die hardwarenahe Ansteuerung der PLL beschrieben 5 2 4 Beamrotator Beim Einsatz eines Array Empf ngers tritt ein Problem auf das bei einem Ein Pixel Empf nger nicht vorhanden ist Aufgrund der Himmelsrotation dreht sich das Bild feld des Teleskops n der Fokalebene Eine Software Derotation ist durch die geringe Sampling Dichte der Messungen nicht praktikabel Die Bilddrehung kann man kor rigieren indem man entweder den gesamten Empf nger der rotierenden Quelle nach dreht was bei den Gr enverh ltnissen am KOSMA 3m Radioteleskop nicht m glich gewesen w re oder das aus dem Teleskop kommende Bildfeld mit Hilfe eines Beam rotators dreht Der Beamrotator besteht aus drei Spiegeln K Spiegel 6 die sich auf der optischen Achse hinter dem Nasmythport des Teleskops befinden und so angebracht sind dab eine Drehung um 180 der Achse an der die Spiegel befestigt sind eine Bilddre hung von 360 ergibt Damit das mechanische System kein Spiel hat werden zwei Schneckenantriebe verwendet wobei die elektronische Ansteuerung da
74. ezeigt wurde welche Parameter zu dessen Ab stimmen eingestellt werden m ssen wird in diesem Kapitel gezeigt wie ein SIS Empf nger mit Hilfe eines Steuerrechners welcher im Fall des SMART Empfangers ein Linux PC ist automatisch abgestimmt wird Dabei wird der Abstimmvorgang ei nes einzelnen Mischers beschrieben Das Abstimmen eines Empf nger Arrays erfolgt dadurch da der Algor thmus nacheinander auf alle Einzelelemente angewandt wird Der KOSMA Array Empf nger weist zudem einige Besonderheiten wie das Vorhan densein von nur einem Lokaloszillator f r bis zu acht Mischer oder die Wahl des Stu fenabschw chers auf die in Kapitel 5 beschrieben werden und die f r die allgemeine Beschreibung der Abstimmung eines Mischers nicht von Bedeutung sind Die im vorigen Kapitel vorgestellte Theorie zeigt da sich SIS Junctions durch ih re Nichtlinearit t hr geringes Eigenrauschen und hren geringen LO Leistungsbedarf gut als Heterodynmischer f r astronomische Empf nger eignen Dabei tritt der Jo sephson Effekt auf der kompensiert werden mu Dies ist durch das Anlegen eines Magnetfeldes m glich Allerdings mu die Magnetfeldst rke optimal gew hlt werden Um eine m glichst effiziente Konversion des Mischers zu erhalten mu die vom Lo kaloszillator eingestrahlte Leistung und damit die Pumpstufenh he optimiert werden Au erdem ist die Vorspannung bei der die Junction betrieben wird so zu w hlen da die Konversion maximal wir
75. f gung die Kennlinien zu messen So ist die Auswahl der Bias Versorgung nicht stufenlos m glich Der ge samte Bereich von 5mV bis SmV ist in 4096 Schritte unterteilt Das entspricht einer Schrittweite von etwa 0 25uUV Der gr te Zeitfaktor bei der Aufnahme der Kennlinien liegt nicht bei der Einstellung des Bias Punktes sondern bei der analogen Datenaufna me da die Analog Digital Converter eine gewisse Konvertierungszeit ben tigen Die Gesamtaufnahme der Kennlinie nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch und so wurden verschiedenen Betriebsmodi implementiert um den einzelnen Aufgaben gerecht zu werden sweep Im normalen Modus wird die gesamte Kennlinie n jeder Richtung einmal vom positiven zum negat ven Ende und umgekehrt aufgenommen fastsweep In diesem Modus wird die Kennlinie nur einmal vom positiven zum negati ven Ende durchlaufen Dabei wird zus tzlich nur jeder n te Wert aufgenommen Dies beschleunigt die Datenaufnahme wesentlich da der gr te Zeitverlust wie oben erw hnt von der Konvertierungszeit der ADCs stammt fastnsweep Bei dieser Variante von fastsweep wird die Kennlinie n mal abgefahren Da es s ch um statistisches Rauschen handelt wird es durch das Aufintegrieren verringert Wirken alle nur auf den ausgew hlten Kanal 111 112 B Software B 2 1 2 Autotune Das automatische Abstimmen erfolgt wie 1m Kapitel Abstimmalgorithmus darge stellt Dazu stehen folgende Befehle zur Verf gung tune
76. f r sorgt da grunds tzlich ein verspannendes Drehmoment vorliegt Die beiden Schneckenantriebe werden von zwei analogen Regelschleifen angesteuert Das Soll S gnal wird genau wie in den anderen elektronischen Ansteuerungen mit ei nem DAC erzeugt der an einen Z hler angeschlossen ist Der entsprechende Z hlwert kann sowohl manuell als auch vom PC aus ver ndert werden Sowohl der Benutzer als auch der PC erhalten Informationen aus dem Ist Winkel des Beamrotators und m ssen anhand dessen entscheiden wie viele Schritte in welche Richtung gefahren werden soll Der Ist Wert wird mit Hilfe eines Drehpotentiometers mit sehr hoher Linearitat auf genommen Dabei handelt es sich um ein absolut messendes System das Anfahren einer Referenzposition ist also nicht n tig Die Linearit t des Systems wurde mit Hilfe einer optischen Kamera berpr ft siehe Abbildung 40 Ein Schritt entspricht einer Bildfelddrehung von 0 16 In den Abbildungen 41 und 42 werden Beam Messungen gezeigt die mit Hilfe des Pattern Programmes das die Aufnahme und Aufsummierung von kontinuierlichen Daten erm glicht an den vier 492 GHz Mischern des Array Empf ngers durchgef hrt wurden Die erste Messung wurde bei der nominalen Null Position des Beamrotators 5 2 Elektronik Gemessener Winkel Grad Residuen Grad 200 150 100 50 0 50 100 150 200 Eingestellter Winkel Grad Abbildung 40 Linearitat des eingestellten Winkels und des mit der Digit
77. f Superconductivity Phys Rev 108 1957 3 R Baruch und C Schroeter Writing Character Device Driver for Linux 1994 4 C P Bean und J D Livingston Surface Barrier in Type II Superconductors Phys Rev Letters 12 1964 5 R Brown und R Kurz ALMA Project Book 2000 6 M Br ll Entwicklung und Optimierung eines Bildfeldrotators f r einen Zwei Frequenz Mehrkanalempfanger am KOSMA Teleskop Diplomarbeit Universi t t zu K ln 2000 7 W Buckel Supraleitung Grundlagen und Anwendungen VCH Verlags gesellschaft 5 Auflage 1993 8 T Christiansen und N Torkington Perl Kochbuch O Reilly 1 Auflage 1999 9 U Corneliussen und U Schwenk Das KOSMA Observatorium und seine Hard ware 1997 10 T de Graauw und F P Helmich HERSCHEL HIFI The Heterodyne Instrument for the Far Infrared In Proc Symposium The Promise of the Herschel Space Observatory Toledo Spain 2000 11 J E F Friedl Mastering Regular Expressions O Reilly 1 berarbeitete Aufla ge 1998 12 A Geist PVM Parallel Virtual Machine A Users Guide and Tutorial for Networked Parallel Computing Massachusetts Institute of Technology 1994 13 VS Vision Systems GmbH Serielle Ports unter Linux einrichten 2001 14 WORK Microwave GmbH SSG 7 Programmierbarer Mikrowellen Signalgene rator 5 GHz Benutzerhandbuch 1998 15 U U Graf KOSMA file io Manual 2000 16 U U Graf und S Heyminck
78. fassung Das n chste Einsatzgebiet der Steuerung wird STAR SOFIA Terahertz Array Receiver im Frequenzbereich von 1 6 THz bis 1 9 THz sein der vom I Physikalischen Institut entwickelt wird Auf dem Stratospharenobservatorium SOFIA mu das Umtunen des Systems sehr schnell erfolgen weil die Me zeit auf achtstiindige Fl ge begrenzt ist und diese Zeit m glichst effektiv ausgenutzt werden mu Daher sollte auch hier die automatische Abstimmung eingesetzt werden Anhang In dem nun folgenden Anhang werden die wesentlichen Hardware und Softwarekom ponenten des KOSMA Array Empf ngers dokumentiert F r weitergehende Informa tionen insbesondere bez glich der Bedienung der Software wird auf verviesen Der erste Teil des Anhangs beschreibt die Hardware des Systems Im zweiten Teil wer den die wichtigsten Softwaremodule sowie der PCI DIO 96 Linux Treiber vorgestellt Der Anhang wird mit Detailangaben zur Konvertierung und Fouriertransformation der Stabilit tsmessungen abgeschlossen 101 102 A Hardware A Hardware Um e n komplexes System w e einen Mehrkanal Heterodyn SIS Empf nger automa tisch abstimmen zu k nnen ben tigt man nicht nur den dazugeh rigen Abstimmal gorithmus sondern auch die entsprechenden Hard und Softwaremodule um die ver schiedenen m glichen Me werte aufzunehmen und die daraus bestimmten Stellgr en ausgeben zu k nnen Im folgenden werden zun chst d e Anforderungen beschrieben die an die Ha
79. fe eines Verschiebetisches durchgef hrt wobei ausschlie lich ho r zontal verfahren wurde Man erkennt deutlich die vier Antennenkeulen der 492 GHz Mischer Junction 0 bis Junction 3 Die Abst nde der Beams zueinander sind aquidi stant Deutlich schw cher sind die vier Antennekeulen der 810 GHz Mischer Junction 4 bis Junction 7 zu sehen Sie liegen jeweils im Zentrum der zugeh rigen niederfre quenten Mischer 65 66 6 Stabilitatsmessungen 6 Stabilit tsmessungen Bei astronomische Messungen mit einem submm Empf nger handelt es sich um Inte grationen ber l ngere Zeitr ume da nach der Radiometerformel dadurch das Eigen rauschen des Systems verringert und somit die Detektionsempfindlichkeit gesteigert wird siehe Abschnitt 2 Die Me zeit betr gt etwa 1 Sekunde bei S R Messungen bei denen zyklisch mit dem Subreflektor Chopper zwischen Signal und Referenzpha se gewechselt wird bzw 20 Sekunden oder mehr bei einer sogenannten Total Power Messunge bei der zwischen S gnal und Referenz mit dem gesamten Teleskop umge schaltet wird Das erfordert da das gesamte System ber diese Zeit hinweg stabil ist Diese Stabilit tszeiten werden unter anderem durch die Umgebungsbedingungen beeinflu t 36 In diesem Kapitel werden die an dem System durchgef hrten Sta bilit tstests beschrieben Sie umfassen den Test der ADC Karte der Aufnahme von Kennlinien und Konversionskurven und damit der Gesamtelektronik sowie thermische und
80. gef hrt werden Sollte im Zuge der weiteren Entwicklung des Fahrprogrammes eine schnellere Kommunikation notwendig werden dann ist koc2 ideal um die durch NFS entstandenen Zeitverluste zu minimieren So genie t man die Vorteile der reinen Socketverbindung ohne die Ei genschaften der einfachen Implementierung des NFS basierten Systems zu verlieren 5 3 2 Schlu folgerung f r das neue Fahrprogramm Zur Zeit kommunizieren die neuen Steuerprogramme am KOSMA 3m Radioteleskop ber die in Punkt 2 vorgestellte NFS L sung Dabei wird eine am I Physikalischen In stitut entwickelte Softwarebibliothek benutzt 15 die einen konsistenten Datentrans fer gew hrleistet Die oben beschriebenen Nachteile in Form von Verz gerungen k n nen in Kauf genommen werden da die zeitkritischen Elemente wie die Ansteuerung des Teleskops durch den neuen Astra PC und das Auslesen der Spektrometer DSPs durch den arrayaos PC lokal durchgef hrt werden Sollten diese Verz gerungen durch h here Anforderungen in der Zukunft einmal nicht mehr tolerierbar sein so ist pro blemlos ein Umstieg auf Methode 3 durch den Server koc2 m glich Da alle Pro gramme ber die oben erw hnte Bibliothek kommunizieren ist auch eine Einbindung von CORBA in das System m glich ohne da die benutzten Programme ge ndert werden m ssen N tig ist sinzig das ndern der Bibliothek und das neue Einbinden derselbigen in die gesamte Software Dies ist insbesondere auch in Hinsicht auf den
81. h ge trennt f r jeden Kanal in Werten zwischen OdB bis 31 dB in 1 dB Schritten manuell oder PC gesteuert einstellen Mit Hilfe der Abschw cher lassen sich die Signale an den Spektrometern optimal aussteuern Dies ist ein Vorgang den der Benutzer ma nuell durchf hren mu Allerdings befinden sich die Me dioden die das ZF Signal gleichrichten und so dem PC die M glichkeit geben ein Leistungssignal zu detektie ren ebenfalls hinter diesen Abschw chern Zum Abstimmen der Mischer st man auf dieses Leistungssignal angewiesen das einerseits gut ausgesteuert sein sollte um mit dem so gewonnenen Dynamikbereich die Gr e des Josephson Effekts messen zu k n nen das andererseits aber n dem daf r interessanten Bereich des Magnetfeldstromes nicht bersteuert sein sollte F r das Abstimmen der Mischer m ssen die Abschw cher also ebenfalls optimal eingestellt werden Der dazugeh rige Algorithmus arbeitet nach folgendem Schema Einstellen eines Biaspunktes e Setzen des Abschw chers auf 31 dB maximale Abschw chung e Setzen des Magnetfeldes auf 0 mA Verringerung des Abschw chers bis die ZF Ausgangsleistung den ADC Eingang des PCs s ttigt Erh hung des Magnettfeldes bis ein Tal der ZF Ausgangsleistung durchlaufen ist Verringerung des Abschw chers bis die S ttigung wieder erreicht ist Erh hung des Abschw chers um 2 dB 5 2 Elektronik Das Suchen des Magnetfeldstromes bei dem die Ausgangsleistung der ZF minim
82. handen ist aber ansonsten Moden des Gesamtsystems im Bereich oberhalb von 18 Hz angeregt werden 81 82 6 Stabilitatsmessungen 0 018 0 016 0 014 0 012 FFT mV Frequenz Hz Abbildung 56 Fouriertransformation der Beschleunigung Die K hlmaschine war senkrecht h ngend in den Empf nger Dewar eingebaut und es wurde in Richtung der L ngsachse der K hlmaschine gemessen 6 4 1 2 Aufgepumpte K hlmaschinenhalterung Anschlie end wurden Messungen mit aufgepumpter Halterung an drei verschiedenen Orten sowohl parallel als auch orthogonal zur z Achse der K hlmaschine durchge f hrt Die dabei aufgenommenen Datens tze sind in Tabelle 4 aufgelistet Die Daten wurden an der K hlmaschine direkt oben an dem Kragen der die K hlmaschine h lt kra gen sowie am Empf nger Dewar selbst topf gemessen Die Messungen die senk recht zur Bewegungsrichtung des Kolbens in der K hlmaschine durchgef hrt wurden wurden mit dem Zusatz orto versehen In den Abbildungen 57 58 sowie 59 sind die Fouriertransformationen der Messun gen mit der aufgepumpten K hlmaschinenhalterung zu sehen Die Amplituden der Vibrationen unterscheiden sich nicht von denen die aufgenommen wurden als die Halterung nicht aufgepumpt war Abbildung 56 Dies ist darauf zur ckzuf hren da durch den Dichtungsring der die Luft zwischen den zwei Kammern der Halterung hal ten soll die Federung zu star
83. hat Auf diese Besonderheit wird bei der Beschreibung des Array Empf ngers eingegangen Weiterhin wurde festgelegt in welcher Reihenfolge die Abstimmung vorgenommen werden mu Schlie lich wurde der Einflu der Lokaloszillatorleistung untersucht da diese vom Benutzer manuell eingestellt werden mu 46 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART In diesem Kapitel wird SMART der SubMilimeter Array Receiver for Two Fre quencies vorgestellt 17 18 58 Abbildung 33 zeigt ein Bild des Empf ngers am linken Port des KOSMA 3m Radioteleskops das vom I Physikalischen Institut der Universit t zu K ln auf dem Gornergrat bei Zermatt Schweiz betrieben wird Mit dem KOSMA Array Empfanger ist es m glich s multan bis zu sechzehn Pixel zu messen Dabei liegen je zwei Pixel auf der gleichen Position und beobachten nur eine Polarisationskomponente des Signals Abbildung 33 SMART SubMilimeter Array Receiver for Two Frequencies Zu Beginn erfolgt die Beschreibung des optischen Aufbaus und der besonderen Be schaffenheit dieses Empf ngers die f r jede Frequenz nur einen Lokaloszillator zum Pumpen aller Mischer n t g macht Dies stellt besondere Anforderungen an den Ab stimmvorgang da die Pumpstufenh hen nicht individuell gew hlt werden k nnen Anschlie end wird die Elektronik mit hren einzelnen Komponenten vorgestellt Die 5 1 Optischer Aufbau Ansteuerung der Elekt
84. he Temperatur To eingef hrt der ber cksichtigt da sich die Temperatur am Mischer von der an der Temperaturdiode unterscheidet Die Differenz betrug 0 05 K Die anschlie enden Messungen wurden mit eingeschalteter K hlmaschine in deren Arbeitsbereich von etwa 4K durchgef hrt Dort kann zur schnelleren Auswertung der Datens tze die obige Funktion durch eine Gerade der Steigung 6 67 Counts mK approximiert werden 6 3 2 2 Temperaturvariationen gemessen anhand der Gapspannung Nachdem es einen kalibrierten Zusammenhang zwischen der gemessenen Gapspan nung und der Temperatur der Junction gab wurde die Messung mit eingeschalteter K hlmaschine und h herer zeitlicher Aufl sung wiederholt um die Auswirkungen der Temperatur nderungen auf die Junction messen zu k nnen Bei diesem Me verfah ren wurde nur ein kleiner Bereich der Kennlinie gemessen da man bei den geringen Temperatur nderungen sicher sein konnte d e Kennlinie immer am Gap zu messen 6 3 Thermische Tests Durch diese Vorgehensweise wird eine erheblich h here Zeitaufl sung erreicht so da 12 3 Samples n der Sekunde aufgenommen werden konnten Trotz geringer Samp lingrate war der PC durch die Messung sehr stark belaste was dazu f hrte da nur ein Teil der Daten quidistant gesampelt war und zur Fouriertransformation verwendet werden konnte Der Vorgang mit dem die Gapspannungen aus den Daten gewonnen wurden ist n Anhang C beschrieben Auswirkungen der ther
85. hlmaschine sagen aber Schwankungen von bis zu 500 mK voraus 6 1 Stabilit t der ADC Karte Da mit der Analog Digital Karte auch die Bias Spannung der Strom durch die Junc tion sowie das breitbandige Leistungssignal gemessen werden war es notwendig Sta bilitatsmessungen an ihr vorzunehmen So wurde in ersten Tests sichergestellt da der analoge Multiplexer der den Analog Digital Converter mit dem entsprechenden analogen Eingang verbindet nach dem Wechsel eines Kanals keine Restinformationen der vorherigen Messung hinterl t Der in Abbildung 44 dargestellte Graph zeigt keine Restinformationen nach Umschal ten des Kanals Bei der Messung wurden zwei Eing nge der ADC Karte mit zwei verschiedenen Spannungsquellen verbunden Anschlie end wurden abwechselnd 100 Messungen mit dem einen oder dem anderen Kanal gemacht und die entsprechenden Daten in eine Datei geschrieben Mit dieser Messung wurde au erdem festgestellt da das Eigenrauschen des ADC ein rms von 0 62 Bit hat Dies deckt sich mit den Informationen des technischen Datenblattes Die Datenrate betr gt 15000 Samples in der Sekunde Diese ist zum einen durch die Konvertierungszeit und andererseits durch die Geschwindigkeit des PCI Busses des PC limitiert Wichtig ist die Ausleserate insbesondere f r den Betrieb der Karte als Kontinuumsdetektor bei der Messung von Beampattern und astronomischen Quellen zur Bestimmung des Pointings des Teleskopes 6 2 Signalqualit t der Stro
86. hode verspricht nur dann Aussicht auf Erfolg wenn die L cken in den Da tenpunkten kleiner als die neue Samplingrate sind Da die entstandenen L cken etwa 400 ms entsprechen kann das Verfahren nicht angewendet werden 2 Auff llen der Daten in einer L cke durch Interpolation Auch diese M glichkeit scheidet wegen der zu gro en L cken aus 3 Auff llen der Daten n einer L cke durch Kopieren F r diese Methode ist es erforderlich die Periode der gemessenen Daten zu kennen Diese ermittelt man durch Fouriertransformation eines Teilbereiches der Daten in denen die Mes sungen ohne Unterbrechung erfolgten Anschlie end wird jede L cke in einem Datensatz durch Daten der allerersten phasenrichtigen Periode ersetzt Durch 6 4 Mechanische Tests dieses Vorgehen erh lt man einen gro en zusammenh ngenden Datensatz der allerdings in kleinen Teilen aus kopierten Daten besteht Da be den Messungen bedingt durch das Betriebssystem des Me PC durchweg gr Bere Me pausen auftraten aber m glichst gro e Bereiche der gemessenen Daten zur Fouriertransformation genutzt werden sollten wurde das dritte Resamplingverfahren gew hlt 6 4 1 Messung der Vibrationen des Gesamtsystems Bei diesen Tests wurde die nichtmodifizierte K hlmaschine im h ngenden Empf nger dewar betrieben Da die Maschine so aufgebaut ist da ein Kolben in ihrem Inneren durch einen Motor in z Richtung bewegt wird wurde sie so in den Dewar eingebaut da man
87. ie E hat eine innere Frequenz v h E Ein Cooper Paar System kann man auch mit einem schwingenden Pendel vergleichen Sind beide Supraleiter schwach gekoppelt so k nnen sie Cooper Paare austauschen wobei die Wahrscheinlichkeit daf r sehr gering ist ndern sich nun die Zust nde der beiden Systeme zeitlich so ist f r die Richtung und die Gr e des Cooper Paar Austausches die Phasendifferenz der beiden Systeme ausschlaggebend F r einen Tun nelkontakt gilt Is re sin P u Q 17 wobei Sm den maximalen Josephson Gleichstrom durch den Kontakt bezeichnet Seine Gr e ist ausschlie lich durch die physikalischen Eigenschaften der Isolier schicht z B Dichte und H he des Isoliermaterials bestimmt und sind die Phasen der beiden Cooper Paar Systeme Gleichung 17 kann f r die Stromdichte umgeschrieben werden zu Js Js max P2 P1 18 F r die Phasendifferenz Ag gilt da im Fall von 0 lt A lt m Strom vom ersten zum zweiten Supraleiter flie t und bei 7 lt A lt 27 in die andere Richtung Wenn Ago 0 7 gilt so flie t kein Strom Im folgenden wird der Einflu eines Magnetfeldes auf die Phasenbeziehung zwischen den Cooper Paar Systemen beschrieben Zur Bestimmung des Einflusses des Magnetfeldes verwendet man die quantenmecha nische Regel wonach bei der Bewegung eines geladenen Teilchens im Magnetfeld zwei impulsartige Gr en unterschieden werden m ssen e Der Impuls p
88. ie Halterung war aufgepumpt Zur Illustration ist der orthogonale Graph um 0 02mV verschoben 0 04 0 035 0 03 0 025 0 02 FFT mV 0 015 0 01 hee We Wye NM wu w mit ye ur H yiu Dewar Dewar orthogonal 0 02mV i f it i l H i i i hi I wi an iH i ai i O nie N Tare In I NE Ad I l N na iM vin it MN An Ma g miii A An out n N Ma x a N an i fA PAN ei An We Ww Me MA wows wre AW Vie ir Nr I VU Yy AWAM WAL al 10 20 30 40 50 60 70 80 Frequenz Hz Abbildung 59 Fouriertransformation der Beschleunigung Der Beschleunigungssen sor war am Dewar befestigt Die Halterung war aufgepumpt Zur Illustration ist der orthogonale Graph um 0 02mV verschoben 6 4 Mechanische Tests tung der Maschine gemessen wurden unterscheiden Um trotzdem die Vibrationen der K hlmaschine untersuchen zu k nnen wurden Messungen an der frei h ngenden Maschine durchgef hrt w e m folgenden beschrieben 6 4 2 Messung der Vibrationen der K hlmaschine Zur Messung der Eigenschwingungen der K hlmaschine wurde diese sowohl waage recht w e auch senkrecht n einer sehr weichen Halterung aufgeh ngt Anschlie end wurden die Beschleunigungen in alle drei Richtungen gemessen ea N ey Bu u a E wm _ a wy we ws wm m A m N Abbildung 60 Waagerecht h ngende K hlmaschine 6 4 2 1 Waagerecht h ngende K hlmaschine Da der Beschleunigungssensor nur in
89. iert wurde erh ht die Empfindlichkeit bei der anschlie enden Messung Dadurch sind zwar weite Bereiche beim Durchfahren des Magnetfeldes in der S ttigung der ADC Karte allerdings sind diese nicht von Interesse 5 2 3 Lokaloszillatoren Das Lokaloszillator System des neuen Array Empf ngers wurde so konzipiert da al le Mischer einer der zwei Frequenzen von nur einem Lokaloszillator gepumpt werden k nnen Somit sind f r das gesamte System nur zwei Lokaloszillatoren notwendig was allerdings erfordert da das Signal eines LOs mit Hilfe von Fourier Gittern 26 auf acht Beams aufgeteilt wird Dies erleichtert einerseits das Abstimmen des Empf ngers da f r jede Frequenz nur ein Lokaloszillator eingestellt werden mu An dererseits mu gew hrleistet sein da die Lokaloszillatorleistung gleichm ig auf die SIS Mischer aufgeteilt werden Jeder der Lokaloszillatoren wird mit Hilfe einer Phase Lock Loop phasenstabil auf ein Referenzsignal synchronisiert Als Referenzquelle dient eine frequenzvervielfach te harmonische Schwingung eines Synthesizers der zwischen 5 GHz und 7 GHz ab stimmbar ist Der Synthesizer selbst wird seinerseits durch das 10 MHz Signal einer Atomuhr phasenstabilisiert Ein Lokaloszillator besteht aus einem Gunnoszillator dessen Ausgangssignal anschlie Bend frequenzvervielfacht wird Da der Gunn empfindlich auf Uberspannungen ist schlie t eine Zenerdiode die parallel zum Gunn liegt bei zu hohen Spannungen
90. in Enable Signal generiert Nur wenn dieses aktiv ist werden alle anderen Ausgabeleitungen durchgeschaltet An die Enable Logik ist zudem der Manuell Remote Schalter angeschlossen Der Hauptzweck des PC Interfaces ist die Pufferung der digitalen Ausgabeleitungen Dies hat zum einen den Vorteil da die so verst rkten S gnale sauberer zur Verf gung stehen was insbesondere bei gr eren Kabelwegen von einem bis zwei Metern not wendig ist Des weiteren k nnen s mtliche Ausgabekan le des PCs durch eine Steu erleitung vom restlichen System abgetrennt werden So kann der PC m Bedarfsfall 99 56 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART offline geschaltet werden damit der Benutzer alle Vorgaben mit der Hand vorneh men kann Diese Abschaltlogik schaltet den Steuerrechner nur dann online wenn zwei von ihm erzeugte Bits unterschiedlichen Pegel haben XOR Logik Damit ist sichergestellt da der PC nur dann mit der Hardware kommunizieren kann wenn er eingeschaltet st und ein Programm die PC Interface Box aktiviert hat Eine weitere Aufgabe des Interfaces ist es die empfindlichen Analogeing nge der PCIMIO E Karte vor berspannungen zu sch tzen Dazu sind ein Tiefpa und eine Zenerdiode die ab 13 V den Strom zur Masse abfl e en l t in der Zuleitung ange bracht 5 2 2 Automatische Wahl des Abschwachers f r den ZF Ausgang Die var ablen Abschw cher befinden s ch in der ZF Kette und lassen sic
91. ing of SMART KOSMA s 490 810 GHz Array Receiver Proceedings of the 13th International Sym posium on Space Terahertz Technology Boston Graf U U Heyminck S Michael E A Stanko S 2001 KOSMA s 490 810 GHz Array Receiver Proceedings of the 12th International Symposium on Space Terahertz Technology San Diego Graf U U Heyminck S Michael E A Stanko S Honingh C E Jacobs K Stutzki J 2002 in prep SMART The KOSMA Sub Millimeter Array Receiver for Two Frequencies Proceedings of the 13th International Symposium on Space Terahertz Technology Boston Geburtsdatum Geburtsort Staatsangeh rigkeit 1978 1982 1982 1983 1983 1991 06 1991 1991 1992 10 1992 03 1995 05 1997 07 1998 12 1998 LEBENSLAUF Stephan Stanko 3 September 1971 K ln deutsch Schulausbildung St dtische Grundschule An den Kaulen K ln Gymnasium Dormagen Gymnas um Schulstra e K ln Pesch Zeugnis der allgemeinen Hochschulreife Zivildienst Zivildienst im Krankenpflegeverein K ln 6 Studium Beginn des Physikstudiums an der Universit t zu K ln Vordiplom Diplompr fung Abschlu der Diplomarbeit am I Physikalischen Institut Beginn der Dissertation Anstellungen am Physikalischen Institut 08 1997 07 1998 08 1998 12 1999 seit 01 2000 Studentische Hilfskraft Wissenschaftliche Hilfskraft Wissenschaftlicher Mitarbeiter
92. it berspannungen nicht bis zum PC durchdringen e Pufferung der digitalen Ausgabeleitungen um die Signale sauber zum Me sy stem zu leiten 5 2 Elektronik e Zentrale Abschaltlogik um die Ausgabeleitungen des PCs im Bedarfsfall zu unterbrechen damit manuell gearbeitet werden kann e Initialisierungsschutz Solange der PC kein aktives Einschaltsignal zur Box sen det werden s mtliche Ausg nge zur Empf ngerelektronik hochohmig also in aktiv geschaltet So k nnen unberechenbare und unvorhersehbare Signale die der PC im ausgeschalteten oder noch nicht gebooteten Zustand erzeugen K nnte nicht zu Sch den n der restlichen Elektronik f hren Daneben gibt es noch die Daten die ber die serielle Schnittstelle gesendet werden um die Temperatur und den Druck auszulesen oder die Synthesizer f r die Phasensta bilisierung der Lokaloszillatoren anzusteuern Analog out Analog in m ea Digital in Tiefpa und Schutzschaltung l 2 64 41 Manuell Remote l Schalter Hardware Abbildung 39 Schematischer Aufbau des PC Interfaces Die zwei Analogausgabe leitungen der PCI E 6031 Karte und alle digitalen Eingabeleitungen sind durchge schleift Die analogen Eingabeleitungen sind gegen berspannung durch eine Zener diode und gegen Spannungs berschl ge durch einen Tiefpa abgesichert Von den digitalen Ausgabeleitungen gehen sieben ungepuffert auf den Adre bus und auf das Exklusiv Oder Gatter das aus der Information e
93. k nnen schneller durchgef hrt werden insbesondere wenn keine M glichkeit vorhanden ist das ZF Signal kontinuierlich zu messen Allerdings reagiert das Verfahren nicht so empfindlich auf eine nicht exakt eingestellte Magnetfeldst rke wie das im folgenden beschriebene Bestimmen des Ef fekts anhand der Konversionskurve 33 34 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer U N Spulenstrom mA Spulenstrom mA Spulenstrom mA d Gr e des Josephsoneffektes a u Gr e des Josephsoneffektes a u _ Gr e des Josephsoneffektes a u e Junctionstrom uA Junctionstrom uA nd Spulenstrom mA Spulenstrom mA Abbildung 24 Magnetfeldscans der in Abbildung 23 gezeigten Kennlinie und Kon versionskurve Graph a zeigt die Auswertung der gesamten Konversionskurve die Graphen b und c die Auswertung in einem Bereich um den Biaspunkt bzw das Symmetriezentrum herum In den unteren Graphen wurden zur Auswertung die ge samte Kennlinie d bzw der Josephsonstrom ohne angelegte Bias Spannung e her angezogen 4 4 Abstimmen der Magnetfeldst rke optimales Magnetfeld Nicht optimales Magnetfeld a gt er zrr N Strom uA 0 4 0 2 E 0 2 0 4 Bias Spannung mV Abbildung 25 Kennlinie einer 492 GHz Junction mit optimalen und nicht optimalen Magnetfeldern Man erk
94. k erfolgte Zudem werden durch die K hlmaschine sehr viele Eigenmoden des gesamten Systems angeregt was daran zu erkennen ist dab sich die orthogonalen Ersch tterungen nicht wesentlich von denen die in Arbeitsrich Wobei orto als die schnellgeschriebene Version von ortho zu verstehen ist 6 4 Mechanische Tests Daiensatzl nge oben dat topf dat kragen dat oben _orto dat topf_orto dat kragen_orto dat Tabelle 4 Gemessene Dateien nach Aufpumpen der K hlmaschinenhalterung Die mit orto versehen Datens tze wurden orthogonal zur z Achse der K hlmaschine ge messen FFT mV Frequenz Hz Abbildung 57 Fouriertransformation der Beschleunigung Der Beschleunigungssen sor war direkt auf der K hlmaschine befestigt Die Halterung war aufgepumpt Zur Illustration ist der orthogonale Graph um 0 02mV verschoben 83 84 0 035 0 03 0 025 0 02 FFT mV 0 015 0 01 0 005 6 Stabilitatsmessungen Kragen Kragen orthogonal 0 02mV i 1 1 I 4 l i IM i i i N i ae ioa y N 1 al i Hit U si Pih it i re ENU Hiha i A ha in I i in J V my u an ey May ayn wae UMN y aii ANIA A A un Inn Ar mA naith NM An N 11 i su wy Ae ay ys eh Dy Ve Wo ANZ SEES UVES UU j EN van 40 50 60 70 80 Frequenz Hz 10 20 30 Abbildung 58 Fouriertransformation der Beschleunigung Der Beschleunigungssen sor war an der K hlmaschinenhalterung befestigt D
95. l 40 73 Ne 2039 107 1029 VO 0 000 Dv 0 3878 LSR FO 809344 600 Df 1 047 Fi 8065355 90 2 1 of Ve run al 1 ji I O 100 Velocity km s Abbildung 73 Integrierte Daten des AOS Kanals 7 200 Im gemessenen Spektrum sind die beiden berg nge CO J 7 6 rechts sowie CI 809 GHz links zu sehen 8 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde ein System entwickelt mit dem ein SIS Empf nger automatisch abgestimmt werden kann Dazu wurde ein PC Interface konstruiert das den ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Steuer PC mit der restlichen Elek tronik verbindet Zur Ansteuerung der Elektronik mu ten neben der Hardware auch neue Treiber f r d e Interface Karten des PCs geschrieben oder bereits vorhandene Treiber modifiziert werden Die Verteilung des neuen Fahrprogrammes auf verschie dene Linux Rechner erforderte eine Kommunikationsm glichkeit der einzelnen Mo dule miteinander Hierf r wurden verschiedene L sungsans tze getestet Mit dem so entwickelten System wurden den Parameterraum verdeutlichende Mes sungen an einem Testempf nger und sp ter auch an dem Array Empf nger durchge f hrt Auf dieser Grundlage wurde ein Algor thmus zur Abstimmung der Parameter entwickelt implementiert und getestet Au erdem wurden Programme geschrieben die die einzelnen Komponenten des Systemes wie etwa den Beamrotator die Phase Lock Loop oder die Synthesizer ansteuern Zur praktischen Messung
96. le Software des SMART Empf ngers aber von Bedeutung sind beschrieben Au erdem werden die Kommunikationstests besprochen die f r die Entwicklung ei nes neuen Fahrprogrammes f r das KOSMA 3m Radioteleskop entscheidend waren da der neue Empf nger auch eine neue Steuersoftware n tig machte In Kapitel 6 werden die elektrischen thermischen sowie mechanischen Stabilit ts messungen vorgestellt die im Rahmen dieser Arbeit an dem Empf nger durchgef hrt wurden Es folgen in Kapitel 7 erste Labor und astronomische Messungen mit dem automa tisch abgestimmten System sowie eine Zusammenfassung und ein Ausblick Ein Anhang der die wesentlichen Hardware und Softwarekomponenten des KOSMA Array Empf ngers dokumentiert sowie die Einbindung des PCI DIO 96 Treibers be schreibt schlie t die Arbeit ab 3 Heterodynempf nger mit SIS Mischern In diesem Kapitel w rd der Aufbau eines Heterodyn SIS Empf ngers dargestellt Dazu wird zuerst auf das Heterodynprinzip m klassischen Fall eingegangen das darauf be ruht da das zu messende S gnal auf einem schnellen Bauteil mit n chtlinearer Strom Spannungs Kennlinie mit einem lokalen Signal gemischt und so auf eine wesentlich geringere Frequenz herabgesetzt wird wo es mit konventioneller Technik weiterverar beitet werden kann Anschlie end werden die SIS Junctions als Mischer in einem Heterodynsystem vor gestellt Hier wird auf die verschiedenen Parameter die zum Abstimmen des Systems
97. legt werden n der zu einer vorgegebenen Frequenz der entsprechende Biaspunkt relat v zur Nullposition der Kennlinie angege ben wird Da es einen Algorithmus zum Finden dieser Mitte unter Ausnutzung der Punktsymmetrie der Kennlinie gibt kann der Punkt also immer fehlerfrei angefahren werden Ist f r eine zu beobachtende Frequenz kein Eintrag vorhanden so wird zwischen zwei benachbarten Werten interpoliert Entscheidend ist an dieser Stelle des Abstimmver fahrens da der Mischer in einem zentralen Bereich auf der Pumpstufe betrieben wird da die nachfolgenden Algorithmen die den Stufenabschw cher siehe Abschnitt 5 2 2 und das Magnetfeld einstellen in einem Bereich innerhalb der Konversionskurve ar beiten der auch f r den sp teren Betrieb g ltig ist 4 4 Abstimmen der Magnetfeldstarke Ein wesentlicher Parameter f r den SIS Mischer st das an hn angelegte Magnet feld zur Unterdr ckung des Josephson Effekts Dieses Magnetfeld mu wie in Ab schnitt 3 3 beschrieben eingestellt werden Zur Kontrolle kann man sowohl Effekte die durch einen falsch eingestellten Spulenstrom innerhalb der Kennlinie w e auch der Konversionskurve entstehen ausnutzen M chte man das Magnetfeld an einem nichtgepumpten SIS Mischer einstellen so mu man den Josephson Strom der sich auf der Kennlinie als Sprung am Symmetriezen trum und in der Konversionskurve als Rauschen in dessen N he zeigt unterdr cken Bei dem Betrieb eines SIS Empf nge
98. leitung kurz der Pegel ge wechselt Das so verschickte Adresse wird nun von allen anderen Systemen sowie von dem System das die Adresse gesendet hat gelesen So ist gew hrleistet da auch bei bertragungsfehlern alle Systeme die gleiche Adresse empfangen A 2 PC Karten Wie bereits im vorigen Abschnitt beschrieben werden an die PC Karten die f r die Kommunikation mit der Hardware verantwortlich s nd ganz bestimmte Anforderun gen gestellt Aus diesem Grund fiel die Wahl auf eine 96 Kanal digitale O Karte A 2 PC Karten 103 bernahme Bustreiber Abbildung 74 Der Adre bus im PC Interface Rechts sind die f nf Treiberbausteine f r die RS485 Schnittstelle zu sehen Vier Leitungen sind f r die Adre information Adressen 0 bis 15 vorgesehen und eine Leitung dient als bernahmesignal Soll vom PC aus eine neue Adresse eingestellt werden so wird diese an den vier Baustei nen angelegt und anschlie end mit Hilfe des in der oberen Mitte sichtbaren Monoflops das bernahmesignal erzeugt Auch dieses wird auf den Bus gegeben so da alle beteiligten Systeme die Adresse bernehmen Dies gilt auch f r den Sender Die ein gestellte Adresse kann dann jederzeit aus dem mittleren Baustein ausgelesen werden Durch einen Vergleich mit der vorgegebenen Adresse kann die bertragung berpr ft werden 104 A Hardware PCI DIO 96 und eine hochwertige 64 Kanal Analog In Karte PCI 6031E 31 beide von der Firma National Inst
99. lt A Bezeichnet man die Phasendifferenz zwischen 1 und 2 bei z 0 mit AQ dann sind ot fs AQ 1 p i pds und 22 2n AQ pds 23 h Jo 17 18 3 Heterodynempf nger mit SIS Mischern Abbildung 10 Tunnelkontakt im Magnetfeld Den Integrationsweg w hlt man so da der in p auftretende Term mv keinen Beitrag liefert So erh lt man 4 AQ TEAB und 24 Arte AQ AByz 25 F r die Ladung mu 2e eingesetzt werden da es sich um Cooper Paare handelt F r die von dem Magnetfeld verursachte Phasendifferenz ergibt sich also Atte D z Ag 2 Apte 27 Po wobei z der Flu ist der durch die Fl che F z 2Az geht ist das Flu quant By 4 Die Stromdichte wird somit bestimmt durch 20 2 Js Js max Sin 49 a2 eo 28 3 3 Josephson Effekt Die vom Magnetfeld bedingte maximale Phasendifferenz betr gt 27 2e Ap A Pla 29 wobei a die maximale Ausdehnung der Junction in z Richtung bezeichnet a b C 1 2 z P 24 3 2d Suprastromdichte 0 s 0 s 0 s Abbildung 11 Variation der Josephson Suprastromdichte l ngs eines Kontaktes mit Magnetfeld 7 Liegt an dem Kontakt in Gegenwart eines Magnetfeldes eine Spannung U an so rich tet das System seine Phasen so ein da der maximale Suprastrom flie en kann den das jeweilige Magnetfeld zul t F r P a PE kann kein Josephson Gleichstrom flie en da unabh ngig
100. m KOSMA Radioteleskop betrieben Bei der anderen wurde die K hlmaschine durch eine modifizierte ersetzt die einen zus tzlichen Heliumtank am Kaltkopf besitzt um so Temperaturschwankun gen zu d mpfen Letztere konnte f r d e Temperaturmessungen nur in einem Testde war ohne Junctions betrieben werden Zur Messung der in diesem Kapitel vorgestellten Daten wurden ein Temperaturmonitor von Lakeshore und einige Kan le der National Instruments Karte verwendet Der Temperaturmonitor 218 von Lakeshore gestattet es bis zu acht Temperaturdioden bis zu 33 mal n der Sekunde auszulesen Man kann diese 33 Lesezyklen auf mehrere Dioden verteilen oder zur Messung einer einzelnen nutzen Die erhaltenen Daten k n nen anschlie end mit Hilfe einer RS232 Schnittstelle ausgelesen werden Die maxi male bertragungsgeschwindigkeit betr gt 9600 Baud 55 Die Antwort des Ger tes besteht einschlie lich abschlie ender Zeichen aus acht Zeichen mit Start und Stop bit sind dies insgesamt 80 Bit Zuz glich acht Zeichen f r die Anfrage ben tigt ein Auslesevorgang also 160 Bit Es w re somit m glich bis zu 60 Datenpunkte in einer Sekunde auszulesen Die Auslesung ist demnach nicht durch die Daten bertragung limitiert 6 3 1 Messung der Temperaturvariationen am Empf nger Die ersten Messungen der Temperaturvariationen wurden am vollst ndig montierten und evakuierten Empf nger vorgenommen Im System waren insgesamt vier Tempe raturdioden an den folg
101. m Spannungs Kennlinie Um einen SIS Empf nger s nnvoll abstimmen zu k nnen mu eine ausreichende Sig nalqualit t zur Verf gung stehen In Abbildung 45 ist illustriert welchen Aufwand 6 68 6 Stabilit tsmessungen 57800 ADC Signal nach Kanalwechsel o WwW 57796 ADC Wert Counts 57794 57792 57790 0 0065 0 007 0 0075 0 008 0 0085 0 009 0 0095 0 01 Zeit s Abbildung 44 S gnalantwort eines ADC Kanals nach Umschalten des Kanals Es wurden je 100 Messungen pro Kanal aufgenommen Man sieht kein Einschwingver halten f r den Kanal 50 fach integriert 30 fach integriert ohne Integration Josephsonstrom uA 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 Biasspannung mV Abbildung 45 Kennlinien nichtintegriert drei igfach und fiinfzigfach integriert zur Verdeutlichung um 3u A versetzt 6 3 Thermische Tests man diesbez glich bei einem System mit einer aktiven K hlmaschine betreiben mu Es wird ein einfach gemessener ein drei igfach und ein f nfz gfach integrierter Kenn linienausschnitt gezeigt Man sieht wie die Signalqualit t mit wachsender Integrati onszeit ansteigt Schon bei drei igfacher Integration ist die Stufe deutlich zu erken nen 6 3 Thermische Tests Zur Messung der thermischen Effekte der K hlmaschine standen zwei Konfiguratio nen zur Verf gung Die eine bestand aus einem h ngenden Dewar und einer original K hlmaschine Auf diese Weise wird das System auch am 3
102. mechanische Tests die notwendig sind da die K hlmaschine Vibrationen und Temperatur nderungen hervorruft Die ADC Karte wird auf ihre Stabilit t hin untersucht da sie eine gro e Rolle bei der Abstimmung der SIS Mischer spielt da sie parallel Informationen auslesen mu Hier ist insbesondere wichtig wie sie sich bei einem schnellen Wechsel zwi schen den Kan len verh lt Nur so ist eine sinnvolle Aufnahme von Kennlinien oder Konversionskurven m glich Aber auch das Auslesen aller Mischer Pumpstufenh hen gleichzeitig zur graphischen Darstellung ist zu nennen Desweiteren wird sie f r Kon tinuumsmessungen m Labor zur Vermessung der Empf nger Beams sowie am Tele skop zur Kontinuumskartierung und dabei insbesondere f r das Pointing des Teleskops verwendet Hier ist eine hohe Geschwindigkeit bei der Messung analoger Daten ge fordert was auch in der dritten Anwendung der Karte eine gro e Rolle in der sie f r alle weiteren Stabilit tstests eingesetzt wurde Bei der automatischen Abstimmung des SIS Mischers ist ein wesentlicher Parame ter die Magnetfeldst rke Die Abstimmung dieser bedingt eine genaue Messung der Gr e des Josephson Effekts da dieser unterdr ckt werden mu Dies kann wie in Abschnitt 4 4 beschrieben sowohl anhand der Strom Spannungs Kennlinie als auch an der Konversionskurve erfolgen Da sich der Effekt aber auf die Form der Kennlinie nur gering auswirkt mu diese mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden
103. miert werden konnte Zudem wurden Programme f r den praktischen Betrieb des Systems entwickelt und getestet Hierbei handelt es sich um Software zur Durchf hrung von Beampattern und Kontinu umsmessungen sowie der Ansteuerung des Beamrotators und der Phase Lock Loops 2 Einf hrung PLLs Hinzu kamen Entwicklung und Tests von Kommunikationssoftware die als Basis f r die Steuerungssoftware des neuen KOSMA 3m Radioteleskopes dient Mit dem so aufgebauten System wurden m Rahmen dieser Arbeit elektrische mechani sche und thermische Stabilitatstests sowie erste astronomische Messungen durchge f hrt 2 Einf hrung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Abstimmverfahren f r SMART dem Sub Mili meter Array Receiver for Two Frequencies am K lner Observatorium f r Submillime ter Astronomie KOSMA entwickelt ein Empf nger der die simultane Beobachtung von zwei Frequenzb ndern dem von 462 498 GHz und 806 860 GHz erlaubt Bei der Beobachtung mit dem KOSMA 3m Radioteleskop und diesem Empf nger ste hen interstellare Molek lwolken und die damit assoziierten Sternentstehungsgebiete im Zentrum des Intresses Anhand der empfangenen Intensit ten sollen die wesent lichen Parameter Dichte Temperatur und Zusammensetzung des Gases abgeleitet werden die den physikalischen Zustand bei der Entstehung von Sternen und eventuell Planeten bestimmen Das molekulare interstellare Med um besteht haupts chlich aus Wasserstoff H der sich
104. mischen Effekte auf die Gapspannung der Junction Fouriertransformation Temperatur mK 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 Frequenz Hz Abbildung 52 Fouriertransformierte der Temperaturinformation die aus der Gapspan nung der Junction gewonnen wurde In Abbildung 52 ist die Fouriertransformierte des Termperaturverlaufes dargestellt Man sieht das Rauschen mit einem RMS Root Mean Square von 0 5 mK Die Berei che um 1 Hz und 2 Hz heben sich nicht vom Rauschen ab Die Junction reagiert also innerhalb des RMS nicht auf die Temperaturvariationen 6 3 3 Temperaturvariationen der modifizierten Kuhlmaschine Obwohl die obigen Messungen zeigen da sich die Temperaturvariationen von 110 mK am Kaltkopf der K hlmaschine was 15 mK an der Montierung des Mischers bedeu ten nicht auf die Gapspannung und damit auf die Junction an sich auswirken wurde gt Der PC mu te zur Aufnahme eines Datenpunktes die Temperatur ber die serielle Schnittstelle abfragen einen Teil der Kennlinie aufnehmen und anschlie end die Bias Spannung wieder auf den ur spr nglichen Wert zur ckstellen Anschlie end wurde die Kennlinie in einer eigenen Datei gespeichert und der Temperaturwert einer globalen Datei angeh ngt 15 76 6 Stabilitatsmessungen eine K hlmaschine getestet die baugleich mit der bereits untersuchten aber mit einem zus tzlichen Beh lte
105. n Minimum K Maximum K Differenz mK ohne He im Beh lter 2 556 2 647 9 mit He m Beh lter 2 997 3 033 36 F r die Fouriertransformationen lie en sich die Daten aufgrund der geringen Samp lingrate und der dadurch bedingten geringen Auslastung des PCs ohne Resampling behandeln Zur Fourieranalyse des Datensatzes wurde ein 8192 Datenpunkte umfas sender Ausschnitt gew hlt Bei den Messungen ohne Helium im zus tzlichen Beh lter am Ende des Kaltkopfes ergibt ein Fit an die Zeitmessungen eine Samplingrate von 33 33 Samples pro Sekunde ras 78 6 Stabilitatsmessungen Temperaturschwankungen Ohne Helium Mit Helium Temperatur K Zeit s Abbildung 54 Temperaturschwankungen mit und ohne Heliumbef llung des Beh l ters am Kaltkopf Zur besseren Illustration wurde der Graph der den Temperaturver lauf mit Helium zeigt um 0 415K verschoben so da er in den Bereich des anderen Graphen f llt 6 4 Mechanische Tests 79 Die Peaks ohne und mit Heliumbef llung des Beh lters sind im Frequenzspektrum an folgenden Positionen zu finden Peak Nr Position Position Maximum Maximum Counts Hz ohne He K mit He K 0 008 0 001 0 00042 Ohne Helium Mit Helium FFT Temp K Frequenz Hz Abbildung 55 Fouriertransformationen der Temperatur nderunge
106. n Man sieht in Abbildung 55 sowohl ohne wie auch mit Helium im Ausgleichsbeh lter da die Temperaturvariationen von 1 Hz sowie deren Harmonische bei 2 Hz liegen Zwar hat die Variation nach dem Bef llen auf etwa ein Drittel abgenommen doch reicht dieses Ergebnis nicht aus einen Umbau f r diese K hlmaschine zu rechtferti gen da durch den zus tzlichen Heliumbeh lter die Halterung die zur Aufh ngung und zur D mpfung der mechanischen Vibrationen dient modifiziert werden mu um dem verl ngerten Kaltkopf Platz im Dewar zu geben 6 4 Mechanische Tests Die m Arrayempf nger eingesetzte K hlmaschine erzeugt neben den bereits bespro chenen Temperaturschwankungen mechanische Ersch tterungen Diese wirken sich 80 6 Stabilitatsmessungen sowohl auf den Empf nger aus da durch ein Vibrieren der Spiegel die LO Einkopplung und auch die vom Teleskop empfangene Strahlung variert als auch auf das Teleskop als Ganzes da die Ersch tterungen durch die Aufh ngung des Empf ngers das ge samte System schwingen lassen Diese Vibrationen f hren zu Schwankungen des ZF S gnals und das damit verbundene erh hte Rauschen zu einer schlechteren Empf n gertemperatur 36 Diese Effekte waren bereits vom KOSMA Zweikanal Empf nger her bekannt der ebenfalls mit einer K hlmaschine betrieben wird Aufgrund dieser Erfahrungen wur den der Dewar mit einer Luftfederung auf der die K hlmaschine schwebt versehen Die Wirksamkeit der D mpfung
107. n sollte e Modularisierung e Stabilit t e M glichkeit der Kommunikation mit externen Systemen e Protokollierung von Daten Herz des Systems ist das Steuerprogramm das ber Treiber mit der Hardware und so mit der PC Box kommunizieren kann So kann die externe Elektronik angesprochen werden und Analogdaten aufgenommen werden Dieses wird unterst tzt von externen Programmen die verschiedene Berechnungen wie das Auswerten der Magnetfelds cans oder das Auslesen der erstellten Tabellen durchf hren Da es sich dabei um ber Systemaufrufe gestartete Programme handelt kann dort jegliche Software verwendet werden die unter dem jeweiligen Betriebssystem lauff hig ist Dies schlie t auch Shell oder Perl Skripte 56 8 nicht aus Dadurch lassen sich mit Hilfe von Perl Tk auch einfach Benutzeroberfl chen programmieren Insbesondere k nnen so Da tens tze einfach mit Techniken wie Regular Expressions bearbeitet werden 110 B Software B 2 Steuersoftware Die Steuersoftware ist modular aufgebaut und gliedert sich in die folgenden Module rx3 Eigentliche Steuersoftware die mit der Biasbox der Magnetbox und der IF Box kommuniziert Hier wird au erdem das automatische Abstimmen durchgef hrt tunelo Zusatzprogramm das das Einstellen der LOs und der Diplexer vereinfacht in dem es die Pumpstufenh he und die Konversion am Biaspunkt grafisch darstellt pll Steuerung der PLLs Dient au erdem als Kommunikationsbr cke zwischen dem
108. n und mechanischen Effekte der K hlmaschine beschrieben Dabei sieht man da die ADC Karte mit ihrem Eigenrauschen sowie ihrer Sprungantwort den Anforderungen entspricht 89 90 6 Stabilit tsmessungen Die thermischen Schwankungen an der Kaltfl che werden durch die Ankopplung zur Mischer Halterung hin reduziert Die direkt am Mischer auftretenden Temperatur variationen liegen bei unter 500uK Die modifizierte K hlmaschine w rde nur eine Verbesserung der Schwankungen an der Kaltfl che um den Faktor 2 bringen was den Aufwand eines Umbaus nicht rechtfertigt Die durch die K hlmaschine vorhandenen mechanischen Vibrationen wurden am Emp fanger auch durch den luftgepolsterten Haltering kaum ged mpft Daher wurden Tests an der frei h ngenden K hlmaschine durchgef hrt die deutlich machen da eine D mpfung nur in z Richtung der Maschine nicht ausreichend w re Hier ist eine ber arbeitung der Aufh ngung n tig die eine D mpfung mechanischer Ersch tterungen in allen drei Raumrichtungen erm glicht Dadurch w rden sowohl die Vibrationen der Lokaloszillator Einstrahlung wie auch die des gesamten Teleskopsystems verringert 7 Messungen mit dem abgestimmten System Nachdem das System mit dem Abstimmalgorithmus abgestimmt worden ist wurden Messungen zu dessen Charakterisierung durchgef hrt In der Zeit von Februar bis August 2001 wurden im Labor Rauschtemperaturmes sungen durchgef hrt und mit Hilfe eines Verschiebetisches di
109. n von Counts in der Kennliniendatei siehe dazu auch boxdiff sh 4 Ausgabe der gerade berechneten Werte n der aufgef hrten Reihenfolge boxdiff sh bestimmt die Gapspannung aus der gemessenen Kennlinie wie folgt 1 Der Datensatz wurde durch boxing mit einer Box der Gr e 51 gegl ttet box 25 2 Anschlie end wurde der Datensatz sortiert und alle Zeilen gel scht die die glei che Bias Spannung haben um die Problemen bei der Bildung des Differenzen quotienten zu umgehen 3 Der Differenzenquotionten wurde gebildet diff sh 4 Das differenzierte Signal wurde wie in l gegl ttet 5 Zum Schlu wurde nach dem Maximum gesucht find_max sh D Fouriertransformation der Vibrationsdaten Die Fouriertransformation der Daten wurde wie folgt durchgef hrt am Beispiel von accl_y_O5apr_50mV dat 1 Umwandeln des Datensatzes n eine besser lesbare Form awk NR time0ssztlse 95r537r print NR Parla Gr o Ine 21 lt accl y Usapr_5S0mV dat gt accl y USapr_50mV_ gt dar 2 Eintragen des letzten Dateinamens in b pro 3 Starten von IDL idl 4 Einlesen der Daten b n t y 5 Linearer Fit an die Daten und Bilden der Residuen fit linfit n t f fltarr ANZAHL_MESSWERTE f fit 0 fit 1 nund resid f Ta 6 Anzeigen der Residuen mit plot n resid 7 Fouriertrafo durchf hren res fft y 200000 200000 524287 1 8 Anzeigen der FFT plot abs res 1 500 9 Speichern der FFT openw 2 accl_y_05
110. n worden ist W hrend des Durchlaufes werden die Werte au erdem mit dem Startwert verglichen Sollten s e dar ber ansteigen so st davon auszugehen da ein Sprung m Verhal ten der Junction aufgetreten ist Das hei t da das vorher ausgew hlte Magnetfeld ungeeignet war In diesem Fall wird die n chste Magnetfeldst rke aus der vorher ge nerierten Liste der automatisch ausgewerteten Magnetfeldscans als Startwert gew hlt und d e Feinabstimmung erneut gestartet Sollte keines der vorher bestimmten optimalen Magnetfelder zu einem Ergebnis f h ren so werden ein neuer Magnetfeldscan aufgenommen und die optimalen Magnet feldst rken bestimmt Dies kann n tig sein wenn sich aufgrund von eingefrorenen 45 Magnetfeldern die n tigen Magnetfeldstr me stark verschoben haben siehe Abschnitt 4 4 3 4 7 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde die automatische Abstimmung des KOSMA Array Empf n gers vorgestellt Es wurden verschiedene Arten der Abstimmung vorgestellt Insbeson dere das Messen der Gr e des Josephson Effekts und das daraus resultierende Ein stellen der Magnetfeldst rke zu dessen Unterdr ckung standen dabei im Vordergrund Es zeigte s ch da d e Kennlinie f r den Abstimmvorgang nicht empfindlich genug reagiert Daher stellt der Abstimm Algorithmus die Magnetfeldst rke anhand des Lei stungssignals ein Dieses mi t der Steuer PC bei dem KOSMA Array Empf nger nachdem es den variablen Abschw cher passiert
111. nempf nger mit SIS Mischern die anziehende Wechselwirkung zwischen Elektronen im Festk rper erkl rt Diese Ei genschaft erm glicht es den Ladungstr gern sich zu sogenannten Cooper Paaren zusammenzuschlie en Unterhalb der kritischen Temperatur T bilden diese ein Bose Einstein Kondensat mit makroskopischer Besetzung des Grundzustandes Der Grund zustand wird von dem ersten angeregten Zustand durch eine Energiel cke A getrennt die auch Gap genannt wird Da die beiden Supraleiter bei einer SIS Junction nur schwach miteinander gekoppelt sind k nnen Cooper Paare bzw die daraus entstehenden Quasiteilchen Anregungen nur durch Tunneln durch die von der Isolatorschicht erzeugte Barriere von einem in den anderen Supraleiter gelangen Die Gro signalanalyse betrachtet den Einflu der Wellenform des Lokaloszillators LO auf das Tunnelelement 63 62 47 Das Signal vom Lokaloszillator wird als Wechselspannung mit der Frequenz des LO beschrieben Dabe ber cksichtig man da wegen der gro en geometrischen Kapazit t des SIS Kontaktes alle h heren Har monischen kurzgeschlossen werden Die Spannung ber der mit der Frequenz gepumpten Junction ist gegeben als V t V V ocos t 3 Dabei ist V die Gleichspannung Bias Spannung und V die Amplitude der Wech selspannung Setzt man die Wechselspannung in die Funktion ein die die Phasenmo dulation des Einteilchen Operators beschreibt so erh lt man f r diese
112. nen Supraleiters in die unbesetzten Zu st nde des anderen m glich ist siehe Abbildungen 5 und 6 Die so entstehende 10 3 Heterodynempf nger mit SIS Mischern Strom Spannungs Kennlinie ist in Abbildung 7 dargestellt Da der Quasiteilchen Tunnelstrom bei 2A e schlagartig einsetzt kann man diesen hochgradig nichtlinearen Proze zum Heterodyn Mischen verwenden E N T 0 s Abbildung 5 B ndermodell eines SIS Kontaktes f r U lt 2A e bei der Temperatur T 0K nach Buckel 7 O lt T lt T Abbildung 6 B ndermodell eines SIS Kontaktes f r U lt 2A e bei der Temperatur 0 lt T lt To nach Buckel 7 Zur Unterdr ckung des im folgenden besprochenen Josephson Effekts wird ein Ma gnetfeld an die Junction angelegt 1 Der daf r ben tigte Mangetfeldstrom ist eben falls ein Parameter der zum optimalen Betrieb des Empf ngers abgestimmt werden mu Um die beiden B nder der supraleitenden Kontakte so gegeneinander zu verschieben da das von den einfallenden Photonen angeregte Tunneln erm glicht wird mu der Kontakt mit einer Vorspannung betrieben werden Die daf r n tige Spannung wird auf 3 2 SIS Junctions als Quantenmischer KU T Te I T 0 0 lt T lt Te T 0 2A T 0 e U Abbildung 7 Schematischer Graph einer ungepumpten Kennlinie f r d e Temperatur am absoluten Nullpunkt T 0 unterhalb der kritischen Temperatur 0 lt T lt T sowie bei der kritischen Temperatur T T der St
113. net sich die Phasendifferenz der Wellenfunktionen der Cooper Paare auf beiden Seiten der Barriere durch d 2eU ie 2 15 dr n F r U 0 herrscht bei Str men die unterhalb des kritischen Stroms liegen eine kon stante Phasendifferenz Im Fall U 0 ergibt sich ein Wechselstrom mit der Frequenz 2eU V ur Steigt der Strom auf einen Wert oberhalb des kritischen Stroms Z so entspricht die Kennlinie einem verlustbehafteten Strom durch einen ohmschen Widerstand Dieser Strom wird von Quasiteilchen Anregungen aufrechterhalten Sie entstehen wenn die Spannung ausreicht um durch Tunneln von einer Seite des Kontakts auf die andere die n tige Energie zum Aufbrechen eines Cooper Paares aufzubringen 16 15 16 3 Heterodynempf nger mit SIS Mischern 3 3 2 Der Josephson Gleichstrom Durch eine d nne Isolierschicht kann ein Suprastrom flieBen Hier betrachtet man insbesondere den Einflu eines u eren Magnetfeldes parallel zur Isolierschicht Die Nullstellen des Stromes treten gerade bei den Magnetfeldern auf f r die in der Tun nelanordnung ganzzahlige Vielfache des elementaren Flu quants vorliegen Dies l t sich folgenderma en erkl ren 7 Betrachtet man zwei Supraleiter die schwach gekoppelt und gleich gro s nd so be finden sie sich vollkommen getrennt in einem wohldefinierten quantenmechanischen Zustand Dieser Zustand wird mit der Energie E beschrieben Jeder quantenmecha nische Zustand mit der Energ
114. nfassung durch die Heliumschlauche relativ stabil gehalten wurde Erst bei 2 8 Hz bzw 4 6 Hz sieht man dort Schwingungen Wie zu erwarten ist das Maximum der Schwingungen in der z Richtung zu finden in die sich der Kolben bewegt Allerdings sind auch die Schwankungen in den anderen Richtungen nicht zu vernachl ssigen so da man nicht von einer eindimensionalen Bewegung reden kann die durch eine Luftfederung in einer Achse zu kompensieren w re x Achse FFT mV 9068 809 ooooP au ONKROO NA 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y Achse FFT mV O_O0_O_O_O OPO MmPwPR OOO HwWO AG FFT mV DOSESSS SO O NWWAUIMNO Lada aaa MN a ANNMENM ULM MAMA A MA INA WALA 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Frequenz Hz Abbildung 66 Fouriertransformationen der Beschleunigungswerte aller drei Achsen bei der senkrecht frei h ngenden K hlmaschine Wie man in Abbildung 66 sieht wird bei der K hlmaschine nicht wie erwartet nur die z Achse zu Schwingungen angeregt Wenn auch die Vibrationen in den anderen beiden Achsen nur einen Teil der in z Richtung ausmachen so zeigen diese Messungen doch da eine reine D mpfung in z Richtung nicht ausreichend w re Somit mu nach einer anderen L sung zur mechanischen D mpfung gesucht werden die in der Lage ist Schwingungen in allen drei Raumrichtungen abzufedern 6 5 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurden die Stabilit tsmessungen der Analog Digital Karte sowie der thermische
115. nittes der Kennlinie sieht man deutlich den Sprung bei der Bias Spannung 0 mV den der Josephson Effekt bei einem Betrieb des Mischers ohne Magnetfeld verursacht Die Unterschiede der Kennlinien 3 38 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer 16 28m 16 89mA optimal Strom uA 0 4 0 2 0 0 2 0 4 Biasspannung mV Abbildung 27 Bestimmung der Gr e des Josephson Effekts Dargestellt sind Aus schnitte von Kennlinien bei verschiedenen Magnetfeldst rken Der gro e Sprung wird ohne angelegtes Magnetfeld sichtbar Bei allen anderen Magnetfeldern unterscheiden sich die Kennlinien nicht wesentlich 4 4 Abstimmen der Magnetfeldst rke 39 45000 17 45mA 16 89mA optimal 40000 35000 30000 ZF Leistung Counts 25000 20000 8 6 4 2 0 2 A 6 8 Biasspannung mV Abbildung 28 Bestimmung der Gr e des Josephson Effekts Hier werden die Kon versionskurven gezeigt die bei den gleichen Magnetfeldstr men wie in Abbildung 27 gemessen wurden Man s eht da die Konversionskurve wesentlich empfindlicher auf ein leicht verstelltes Magnetfeld reagiert als die Kennlinie Die Konversionskurve die ohne Magnetfeld aufgenommen wurde wurde zur besseren bersichtlichkeit nicht dargestellt 40 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer bei den vier anliegenden Magnetfeldstr men sind anhand des Graphen kaum auszu machen Die Konversionskurven zeigen allerdings deu
116. nkopplung zwischen der K hl maschine und der Temperaturdiode In Abbildung 53 sind die Temperaturen darge stellt die die Diode mi t wenn man die am K hlkopf angebrachte Kupferplatte mit einer definierten Leistung heizt Die W rme wird in Konfiguration A nicht gen gend abgef hrt und auch bei Konfiguration B reichte der W rmeflu nicht aus Erst Kon figuration C zeigt ein Verhalten das die anschlie enden Messungen m glich machte Wie man in Abbildung 53 sieht steigt die Temperatur bei einer Belastung von ber 700 mW nicht auf ber 4 K an was ungef hr der Spezifikation der K hlmaschine ent spricht 6 3 Thermische Tests Konfiguration A Konfiguration B x Konfiguration C Temperatur K 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Leistung mW Abbildung 53 Ankopplung des Heizwiderstandes und der Temperaturdiode an den Kaltkopf Nur Konfiguration C zeigt das f r die K hlmaschine spezifizierte Verhalten so da hier von einer guten Ankopplung ausgegangen werden kann 6 3 3 3 D mpfung der Temperaturvariationen durch den Heliumbeh lter An der Konfiguration C wurden anschlie end Messungen mit hoher Geschwindigkeit durchgef hrt Die Datenrate betrug 33 Samples pro Sekunde wie bereits in Abschnitt 6 3 beschrieben Wie man in Abbildung 54 sehen kann nehmen die Temperaturschwankungen beim Bef llen des Heliumbeh lters auf etwa ein Drittel der urspr nglichen Schwankungen ab Diese s nd m einzelne
117. nnerhalb eines lokalen Minimums Die Gr e des Josephson Effekts wird ebenso wie bei der Messung der Magnetfeldscans bestimmt Allerdings wird dort das Magnetfeld innerhalb eines gewissen Bereiches durchgefah ren und anschlie end offline ausgewertet wohingegen hier auf eine nderung direkt eingegangen wird Voraussetzung f r das Verfahren ist da bereits eine Liste mit Stromst rken f r ein den Josephson Effekt unterdr ckendes Magnetfeld vorliegt und ein solches eingestellt wurde Durch die bereits beschriebenen Effekte wie Hysterese und Nichtreproduzier barkeiten wird dieses Magnetfeld nicht optimal sein aber als Startwert genutzt werden k nnen In einem n chsten Schritt wird der Josephson Effekt mit einem leicht ver sr erten bzw verkleinerten Magnetfeld verglichen und f r das weitere Vorgehen die 4 7 Zusammenfassung Richtung gew hlt n der der Effekt kleiner geworden ist Nun wird das Magnetfeld in zehn Schritten in der angegebenen Richtung ver ndert und jeweils die Gr e des aktuell gemessenen Josephson Effekts mit dem vorhergehenden verglichen Nur wenn mindestens 70 der Werte ein g nstigeres Verhalten zeigen wird der Vorgang als Fortschritt gewertet und ein weiteres mal durchgef hrt Sollte dies nicht der Fall gewesen sein so wird der Vorgang mit weniger Schritten wiederholt Ergibt sich keine Verbesserung mehr so wird der Algorithmus beendet und mit dem Wert verglichen der beim Start der Feinabstimmung gemesse
118. nsvorgang bedeutet Ber cksichtigt man nun weiterhin da jeder Proze in einem Linux System eine minimale Zeitscheibe von 10 ms erh lt so sieht man dal die Daten bertragung in diesem Fall keine Auswirkung hat Um das System mit einer reinen Socket Kommunikation zu vergleichen wurde das gleiche Problem bei dem zwei Zahlen multipliziert werden mit Hilfe von pvm3 formuliert PVM ist eine Kommunikationssoftware die Verteiltes Rechnen zum L sen von parallelisierbaren Problemen auf verschiedenen Rechnern mit verschiedenen Be triebssystemen zur Verf gung stellt F r die 400 Wertepaare ben tigten zwei Rechner nun nur noch 1 Sekunde Der Einsatz der Socketverbindung ist bei Problemen bei denen kleine Antwortzei ten n tig sind sinnvoll Allerdings sind die Implementation und das Debuggen eines solchen Systemes mit wesenlich gr erem Aufwand verbunden als die Kommunikati on ber NFS basierte Dateien wo sich Daten mit betriebssysteminternen Mitteln wie 5 4 Kontinuumssoftware einem Editor einsehen und manipulieren lassen Diese L sung die sich leicht auf das Lesen und Schreiben von Dateien reduzieren und damit in jedes Programm im plementieren l t ist immer dort vorzuziehen wo Verz gerungen von maximal einer Sekunde tolerierbar sind Dies ist bei dem neuen Fahrprogramm f r das KOSMA 3m Radioteleskop der Fall da hier alle zeitkritischen Elemente wie die Steuerung des Te leskopes rechnerintern oder von Zusatzkomponenten durch
119. o do beam pattern and continuum scans and to control the beam rotator and the phase lock loops PLLs Communcation software on which the con trolling of KOSMA s 3m radiotelescope depends on have been developed and tested Finally mechanical and thermal stability tests and initial astronomical observations have been carried out 1 2 Zusammenfassung Bei astronomischen Messungen im submm Bereich ist man auf Empfangssysteme mit sehr geringem Eigenrauschen angewiesen Moderne Mischer die das Herz eines astro nomischen Empfangers darstellen arbeiten bereits am Rande der physikalischen Gren ze dem Quantenlimit Um die Beobachtungszeit an einem Teleskop dennoch besser auszunutzen werden Arrayempf nger gebaut die aus mehreren dieser Mischer auf gebaut sind Um die so gewonnene Performancesteigerung nicht dadurch wieder zu verlieren da jeder der Empf ngerkan le aufwendig abgestimmt werden mu wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zum automatischen Abstimmen von SIS Empf ngern f r den astronomischen Einsatz entwickelt und getestet Dies erm glicht ein Hardware Interface ber das die gesamte Empf ngerelektronik durch einen Steuer PC angespro chen werden kann Die hierf r notwendige Treibersoftware sowie Software f r die An steuerung der einzelnen Empf nger Module wurden ebenfalls entwickelt und getestet Die anschlie enden Testmessungen ergaben die Grundlagen anhand derer ein Algo rithmus zum Abstimmen eines SIS Empf ngers program
120. onskurve ermittelt wurden auch in der Auswertung der Kennlinie wiederzufinden sind Aller dings sorgt der in den interessanten Bereichen unterhalb von 10 mA und oberhalb von 42 Gr e des Josephsoneffekts a u 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer 2e 06 1 5e 06 1e 06 500000 40 30 20 10 0 10 20 30 40 Spulenstrom mA Abbildung 29 Magnetfeldscan Der Josephson Effekt wurde anhand der Konversions kurve gemessen Gesondert gekennzeichnet sind die Bereiche in denen zur besseren Charakterisierung der Minima Parabeln angefittet wurden Ableitung des Magnetfeldscans a u 1 5e 06 1e 06 500000 500000 1e 06 1 5e 06 40 30 20 10 0 10 20 30 40 Spulenstrom mA Abbildung 30 Ableitung des Signals aus Abbildung 29 4 5 Automatische Auswertung der Magnetfeldscans Strom Gewicht gemessen mA 13 417495 18 618025 24 849263 12 077163 24 557906 34 328328 8 314227 8 428462 2 721708 17 967409 3 753673 30 746244 Counts 16 52 17 1984 22 8082 23 0513 25 1759 29 3671 1 79769e 308 1 79769e 308 1 79769e 308 1 79769e 308 1 79769e 308 1 79769e 308 rms Counts 5 95574 5 93589 5 41126 3 95067 4 90229 4 67945 0 24377 0 1541 T2012 12 4911 0 09861 8 64
121. praleitender Mischerelemente mit integrierten An paBstrukturen f r radioastronomische Heterodynempf nger Doktorarbeit Uni versit t zu K ln 1993 39 C Kramer und J Stutzki Atmospheric Transparency at Gornergrat Technical Memorandum No 5 1990 40 J D Kraus Radio Astronomy Cygnus Quasar Books 2 Auflage 1986 41 P Lena F Lebrun und F Mignard Observational Astrophysics Springer Verlag 2 Auflage 1995 42 C Mathas Vermessung der Strahlcharakteristik von Dammann Gittern im sub mm Wellenl ngenbereich Diplomarbeit Universit t zu K ln 1996 43 H Messmer PC Hardwarebuch Addison Wesley Publishing Company 3 Auf lage 1995 44 Hittite Microwave Corporation HMC110C14 Datenblatt 2000 45 I Poppe Elektronik des KOSMA Array Empfangers Dokumentation 2001 46 S Radford Chajnantor Site Data http www tuc nrao edu mma sites Cha jnantor data c html 2001 47 P Richards und Shen Quasiparticle Heterodyne Mixing in SIS Tunnel Junctions Appl Phys Lett 34 1980 48 K Rohlfs und T L Wilson Tools of Radio Astronomy Springer Verlag 2 Auflage 1996 LITERATUR 49 R Schieder et al The Cologne Acousto Optical Spectrometers Experimental Astronomy Vol I 1989 50 N Schneider R Simon C Kramer J Stutzki und G Winnewisser Submm and FIR observations of the S106 Photon Dominated Region In The Physics and Chemistry of the International Medium 1998
122. pte Kennlinie Die H he und Breite der in der Abbildung gezeigten Pumpstufen h ngt von der Lokalos zillatorleistung und frequenz ab Die H he der Pumpstufe bestimmt die Konversion und mu daher auf einen optimalen Wert abgestimmt werden Die Frequenz des Loka loszillators und damit die Breite der Pumpstufe sind durch die Beobachtungsfrequenz vorgegeben Allerdings ver ndert sich mit einer ge nderten Pumpfrequenz auch die Vorspannung bei der der Mischer betrieben werden mu Diese Parameter flie en mit in die automatische Abstimmung ein und werden dort n her besprochen 3 3 Josephson Effekt Man unterscheidet zwischen Josephson Wechselstrom und Gleichstrom Beide Ef fekte erh hen das Mischerrauschen und werden daher im folgenden besprochen Ihre Unterdr ckung mit Hilfe eines Magnetfeldes sind von entscheidender Bedeutung f r den rauscharmen Betrieb des SIS Mischers 3 3 Josephson Effekt KU Gleichstromkennlinie U Abbildung 9 Schematischer Graph einer mit der Frequenz v gepumpten Kennlinie 3 3 1 Der Josephson Wechselstrom Bei der Betrachtung des Stroms der durch die Junction flie t unterscheidet man zwei Bereiche Ist der Strom der durch den Kontakt flie t kleiner als der kritische Strom Ic so f llt ber dem Kontakt keine Spannung ab Dieser verlustfreie Strom wird von durch die Barriere tunnelnden Cooper Paare erzeugt Der verlustfreie Tunnelstrom ist nach Josephson I lp sing 14 Dabei berech
123. quenz wurden die Daten aller Perioden phasenrichtig gemittelt Das Ergebnis wird in den Abbildungen 8 49 und 50 gezeigt Man sieht den Arbeitstakt der K hlmaschine bis zu der Temperaturdiode die sich an der Halterung des Mischers befindet wenn auch mit abnehmender Amplitude 6 3 Thermische Tests 0 03 Spektrum der Temperaturfluktuation am Kaltkopf 0 025 0 02 0 015 FFT K 0 005 Frequenz Hz Abbildung 47 Fouriertransformation der Temperaturkurve des Kaltkopfes Man er kennt die Peaks bei etwa 1 Hz sowie deren Harmonische 3 12 Kaltkopf 3 1 3 08 3 06 3 04 Temperatur K 3 02 2 98 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Zeit s Abbildung 48 Gemittelte Temperaturkurve des Kaltkopfes 71 72 Temperatur K Temperatur K 6 Stabilitatsmessungen 3 495 Ankopplung 3 49 3 485 3 48 3 475 3 47 3 465 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 Zeit s Abbildung 49 Gemittelte Temperaturkurve der Ankopplung 3 864 Mischer 3 862 3 86 3 858 3 856 3 854 3 852 3 85 3 848 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 Zeit s Abbildung 50 Gemittelte Temperaturkurve des Mischers _ 6 3 Thermische Tests In diesem Experiment wurde f r die Temperaturvariationen am Mischerblock eine obere Grenze von 15 mK gemessen Es handelt sich um eine obere Grenze da die Temperaturdiode nicht am SIS Mischer selbst angebracht werden k
124. r am Kaltkopf ausgestattet ist welcher im Betrieb mit Helium aus dem K nhlkreislauf geflutet werden kann um so die Temperaturschwankungen zu re duzieren 6 3 3 1 Montierung der K hlmaschine Dioden und Heizer Zur berpr fung der thermischen Ankopplung der Temperaturdiode wurden mit Hil fe eines Heizwiderstandes drei Me reihen mit jeweils verschiedenen Konfigurationen durchgef hrt Allen war gemeinsam da es nicht m glich war den Heizer und die Temperaturdiode direkt auf dem Kaltkopf zu montieren Au erdem war der Kaltkopf durch den zus tzlichen Helium Beh lter so lang geworden da d e gesamte K hlma schine nicht mehr unter den Strahlungsschild des Testdewars montiert werden konnte Die drei Konfigurationen waren Konfiguration A Ankopplung durch eine 3mm dicke Kupferplatte wobei Heizwi derstand und Temperaturdiode konstruktionsbedingt auf der gleichen Seite des Kaltkopfes lagen Konfiguration B Gleiche Ankopplung wie bei Konfiguration A au er da auf den Kontaktfl chen zwischen den einzelnen Elementen Indium plaziert wurde Konfiguration C Ankopplung durch eine 10mm dicke runde Kupferplatte Die Di ode und der Heizer konnten auf unterschiedlichen Seiten der K hlmaschine an gebracht werden Diesmal wurde an allen Auflageflachen Indium verwendet 6 3 3 2 Bestimmung der Ankopplung Um die Temperaturschwankungen die durch die K hlmaschine verursacht werden messen zu k nnen ben tigt man eine gute thermische A
125. r wurde die K hlmaschine bei einer Temperatur von 3 9 K ausgeschaltet Um die Gapspannung zu bestimmen wurde der Wendepunkt der Kennlinie am Gap benutzt Dazu wurden simultan je eine Kennli nie aufgenommen und die dazugeh rige Temperatur gemessen Die Datenrate betrug 1 Sample pro Sekunde Um das Rauschen das den gemessenen Kennlinien berla gert war gen gend zu reduzieren wurden diese durch ein Boxing Verfahren gegl ttet Anschlie end wurde die Kennlinie nach der Spannung abgeleitet und wieder gegl ttet Dann wurden das Maximum gesucht und die entsprechende Position als Gapspannung in Counts der zu dieser Kennlinie geh renden Temperatur zugeordnet Der so ermit telte Datensatz ist in Abbildung 51 zu sehen Die Gr e der Energiel cke ist von der Temperatur abh ngig Oberhalb der Sprung temperatur ist die Supraleitung aufgehoben weil dort die Energiel cke verschwindet Die Temperaturabh ngiskeit der Energieliicke und damit der Gapspannung kann an gegeben werden durch 52 73 74 6 Stabilitatsmessungen Gapspannung in Abhangigkeit der Temperatur AT 2 65 2 6 2 59 2 9 2 45 Gapspannung mV 2 4 2 39 2 3 3 5 4 4 5 5 5 5 6 Temperatur K Abbildung 51 Kal bration der Gapspannung mit der Temperatur A T TTN 300 a ze o Diese Funktion wurde an den Datensatz angefittet So erhielt man A 0 2 76mV und To 8 45K Bei dem Fit wurde au erdem noch ein additiver Term f r die Kritisc
126. r zeigen sich die Vorteile die f r das schnelle Me ver fahren der Kennlinie gelten Da nur zwei Bias Punkte angefahren werden kann die Zeit effektiver f r das Integrieren der ZF Leistung genutzt werden Neben der eben ganannten M glichkeit der Messung am Symmetriezentrum bietet es sich an die Konversionskurve in einem kleinen Spannungsbereich um den Arbeits punkt herum oder gar ausschlie lich bei diesem zu messen und auszuwerten So wird zum einen garantiert da das Rauschen am Biaspunkt an dem anschlie end gemessen wird minimiert wird und zum anderen wird auch hier nur ein kleiner Bias Spannungsbereich gemessen so dal die Messung in einer geringen Zeit durchgef hrt werden kann Selbst Integrationen von 200 oder 300 Me werten sind unter Beibe haltung der hohen Geschwindigkeit m glich da das Verstellen und Messen der Bias Spannung weefallt Um sicherzustellen da der Josephson Effekt am Arbeitspunkt unterdr ckt ist wird bei gepumpter Junction das Me verfahren verwendet bei dem n einem kleinen Be reich um den Arbeitspunkt herum gemessen wird In den Abbildungen 27 und 28 sieht man die Bestimmung der Gr e des Josephson Effekts anhand der Kennlinie am Ursprung und der Konversionskurve Daf r wurden die beiden Graphen bei verschiedenen Masgnetfeldst rken und einmal ohne Magnetfeld aufgekommen Letztere wird bei der Konversionskurve nicht dargestellt da das ZF Signal vollst ndig ges ttigt war Anhand des Aussch
127. rd der Einstellwert in einem Z h ler gespeichert Der Ausgang des Z hlers liegt an dem DAC der die entsprechende Spannung erzeugt Der Z hler selbst kann entweder vom Benutzer direkt mit Hil fe eines Handrades oder vom PC aus ver ndert werden wobei der PC das Protokoll des Handrades simuliert Ein Signal wird erzeugt das anzeigt ob der Z hler herauf oder herabgez hlt werden soll Ein zweites Signal das sogenannte Clock Signal ver ndert den angeschlossenen Z hler dann tats chlich um den gew nschten Schritt Da hier nur zwei Signale zur Steuerung n tig sind ist es leicht diese entsprechend dem ausgew hlten Kanal an den richtigen Z hler weiterzuleiten Die so eingestellten Analogs gnale k nnen mit Hilfe der im PC eingesetzten Analog Digital Karte ADC Karte d e 64 Kan le besitzt zur ckgelesen werden Neben den eben beschriebenen Analogleitungen gibt es noch eine Reihe von digitalen Signalleitungen die den Zustand des Systems dem PC melden Insbesondere sind dies die Einschaltzust nde jedes einzelnen Mischers und jedes ZF Kanals So kann der PC entscheiden ob ein Kanal akt v geschaltet wurde Alle hier beschriebenen Eigenschaften der Me einrichtung legen die n tigen Voraus setzungen f r den PC fest Er mu zum einen mit einer Reihe von Analogeing ngen ausgestattet sein Dies erlaubt ihm das Monitoring aller Parameter des Systems auch derjenigen Junctions die zur Zeit nicht ausgew hlt sind Zum anderen sind
128. rden mu Anschlie end werden die ver nderten Dateien bertragen 5 3 1 Geschwindigkeitstests der Kommunikationssoftware Um die Praxistauglichkeit der oben vorgestellten Kommunikationsl sungen zu bewer ten wurden Geschwindigkeitstests mit den verschiedenen Varianten durchgef hrt In einem ersten Versuch wurde ein Test Client Server System f r zwei PCs program miert das 400 Wertepaare die in Dateien gespeichert wurden bertrug Der Server empfing je ein Wertepaar multiplizierte die dar n enthaltenen Zahlen und schickte das Produkt auf dem gleichen Weg zur ck Die Programme arbeiteten auf dem ge mounteten Verzeichnis eines der beiden Rechner Als Programm wurde knc verwen det welches rudiment re Kommunikationsm sglichkeiten ber Dateien zur Verf gung stellt 400 Wertepaare wurden innerhalb von 1200 Sekunden bertragen und zur ck geschickt In einem weiteren Test wurden die Werte nur in eine Richtung bertragen Es zeigte sich da pro Wert grunds tzlich 1 Sekunde ben tigt wird Dies ist darauf zur ckzuf hren da die Inode Tabelle des Dateisystemes die nderungszeiten der Da teien nur auf Sekundenbasis abspeichert Der NFS D mon also nur innerhalb dieses Zeitrasters Dateien bertragen Um das zu Verifizieren wurde der erste Test auf nur einem Rechner durchgef hrt So wurden nur Plattenzugriffe aber kein NFS D mon verwendet Die 400 Wertepaare ben tigten nun 12 Sekunden was 30 ms pro doppel tem Kommunikatio
129. rdware gestellt werden Darauf folgen die Beschreibung des Me sy stems Dazu geh ren der Me PC und die PC BOX die als Schnittstelle zwischen der eigentlichen Me elektronik und dem PC dient Hier werden auch die Sicherheitssyste me beschrieben die implementiert wurden um die empfindlichen Junctions vor einer Fehlfunktion des PCs zu sch tzen Es folgt die Beschreibung des Adre busses der so wohl im manuellen als auch im automatischen oder remote Betrieb f r die Auswahl der zu tunenden Junction verantwortlich st Am Ende wird noch auf d e Hardwa re eingegangen die per serieller Schnittstelle angesprochen werden mu Au erdem werden Reset und Einschaltzust nde beschrieben A 1 Adre bus Der Adre bus zieht sich durch s mtliche Subsysteme der Empf nger Elektronik und ist daf r verantwortlich da an jedem Punkt im System die gleiche Kanalnummer vorliegt und diese auch von jedem Punkt aus f r das ganze System verstellt werden kann Herz des Systems ist ein Vier Bit Bus mit einer zus tzlichen bernahmeleitung Alle f nf Signale werden ber ein RS485 Protokoll bertragen Dabei wird jedes Signal ber zwei Leitungen vorzeichengesteuert gesendet was eine geringere St ranf lligkeit garantiert Au erdem handelt es sich um ein System bei dem es einen Sender und viele Empf nger gibt Wird nun an einem Subsystem eine neue Adresse gew hlt so w rd diese auf den Adre bus angelegt und anschlie end auf der bernahme
130. reite des Minimums wird die Giite des Magnetfeldes bestimmt Diese Aquiva lenzbreite ist als Flache der Kurve zwischen den beiden benachbarten Maxima und dem Minimum definiert Ist das Minimum sehr breit so wirken sich kleine nderungen des Magnetfeldes nicht st rend aus und das so eingestellte Magnet feld ist zeitlich stabiler 6 Mit Hilfe der Aquivalenzbreite der Tiefe und des Absolutwertes des Magnet stroms am Minimum ein Gewichtungswert festgelegt Gewicht 1 abs Strom Tiefe Aquivalentsbreite 7 Die einzelnen Minima werden nach der Gewichtungsfunktion sortiert So erh lt man eine Liste mit Magnetfeldern die anschlie end der Reihe nach eingestellt und mit Hilfe des Finetuning Algorithmus bewertet werden k nnen 4 5 Automatische Auswertung der Magnetfeldscans Strom gemessen mA 18 607015 24 740626 Gewicht Counts 641261 817363 rms Counts 290 827 355 48 19 607 25 7406 Tiefe Counts 124053 114759 Aquivalenz breite mA 1 43869 1 30612 24 572975 34 153719 1 10865e 06 1 33457e 06 5 28938e 06 7 32613e 06 1 79769e 308 1 79769e 308 1 79769e 308 1 79769e 308 1 79769e 308 167 244 76 1547 325 469 372 138 1068 14 861 146 872 823 1308 77 1019 95 235 373 35 1537 14 1764 13 3616 19 2598 28 0721 30 2424 31 7725 33 8121 161559 139400 1 22658e 06 1 57944e 06 811170 714209 809516 133396 328443 1 38878 1 34829 1 08071 8 29802 3 72258 3 49146 4 5
131. rentielle Nichtlinearit t des DACs zur ckzuf hren der intern aus drei 8 Bit Bl cken aufgebaut ist Jede Sprungstelle bedeutet da die zwei niederwertigen Bl cke auf 0 und der h chstwertige Block um einen Schritt weiter gestellt werden Da der ADC mit 16 Bit Aufl sung 4 Bit mehr 107 108 A Hardware Residuen Counts am ADC 0 500 1000 1500 2000 2500 Counts am DAC Abbildung 77 Die gleiche Messung wie in Abbildung 76 Hier war die Steuerelektro nik korrekt eingestellt Das OK Bit ist nach einer Wartezeit von weniger als 1 Sekunde gesetzt und es treten keine berschwinger auf Hier sieht man auch die Nichtlinearit t des DACs hat als der DAC kann man mit diesem die Nichtlinearit t zu 16 Counts 4 Bit am ADC und somit zu 1 Bit am DAC bestimmen Dies entspricht der Spezifikation des eingesetzten DACs 109 B Software B 1 Allgemein PC BOX Synthesizer Digital IO Analog IN Serielle Treiber Treiber Schnittstelle Berechnung der Magnetfelder Ansteuerung Ansteuerung Auslesen der Tabellen 7 File Kommuni KOSMA file io kation ber NFS Verzeichnis Batchsteuerung aus Shell Bestimmung des Biaspunktes Vorgabe von Beamrotator Skripten Frequenzen Positionen Abbildung 78 Schematischer Aufbau der Software Zur Steuerung des Empf ngersystems wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Steue rungssoftware entwickelt die folgenden Anspriichen Rechnung trage
132. rhalb von 100 GHz zur Verf gung stehen wird das Signal nach dem Heterodynprinzip auf ei ne wesentlich geringere Frequenz umgesetzt Der Signalstrahl wird dazu mit einem Lokaloszillatorstrahl an einem Bauteil mit nichtlinearer Kennlinie gemischt z B Schottky Dioden SIS Mischer wobei unter anderem die Differenzfrequenz zp W die sogenannte Zwischenfrequenz entsteht Die geringe Intensit t der einfallenden Radiostrahlung verlangt ein Empfangssystem von h chster Empfindlich keit d h m glichst niedriger Eigenrauschtemperatur Dies stellt besonders hohe An forderungen an das erste Bauelement den Mischer der zum Gro teil d e Empf n gerrauschtemperatur bestimmt Im mm und submm Wellenl ngenbereich konnten 2 Einf hrung in letzter Zeit durch die Verwendung von supraleitenden Mischerelementen erheb liche Fortschritte erzielt werden Diese Mischer basieren auf dem Tunneleffekt in Supraleiter Isolator Supraleiter berg ngen SIS Junctions auf Niob Basis Die Vor teile des SIS Mischerelements gegen ber der herk mmlichen Schottky Diode lie gen in der geringen Eigenrauschtemperatur dem m glichen Konversionsgewinn und dem geringen Bedarf an Lokaloszillatorleistung Die untere Grenze des Rauschens eines Detektors ist durch das Quantenlimit T hv k gegeben Bei SIS Mischern be west sich das Eigenrauschen nahe am Quantenlimit Nach der Radiometerformel ist die Grenzempfindlichkeit also die kleinste noch nach weis
133. rom Spannungs Kennlinie Biaspunkt genannt und ist ebenfalls ein Abstimmpa rameter In Abbildung 2 sind noch zwei R ckgabewerte des Systems eingezeichnet Zum einen kann der Strom der durch die Junction flie t gemessen werden womit Strom Spannungs Kennlinien aufgenommen und die Pumpleistung des Lokaloszillators ber pr ft werden k nnen Zum anderen kann das Leistungssignal detektiert werden Dies erm glicht die Bestimmung der Konversion oder gegen die Spannung aufgetragen der Konversionskurve Damit lassen sich im praktischen Betrieb zum Abstimmen die Gr e des Josephson Effekts und die Rauschtemperatur bestimmen sowie die Emp f ngerkeule und astronomische Kontinuumssignale messen 3 2 SIS Junctions als Quantenmischer In diesem Abschnitt wird vorgestellt wie ein SIS Kontakt als Mischer dienen kann Im Gegensatz zum klass schen Fall wo der Strom der angelegten Spannung instantan folgen kann ist hier der Strom eine nichtlokale Funktion der Spannung Der Tunnel strom berechnet sich nicht nur aus dem Stromwert am jeweiligen Spannungsarbeits punkt sondern es m ssen auch Stromanteile ber cksichtigt werden die sich von der Vorspannung um ganzzahl ge Vielfache der Photonenenergie dividiert durch die Ele mentarladung ho e unterscheiden Die quantenmechanische Beschreibung der Supraleitung wurde zuerst 1957 von Bar deen Cooper und Schrieffer ver ffentlicht 2 Der supraleitende Zustand wurde durch 11 12 3 Heterody
134. ronik durch den Steuer PC mit Hilfe des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten PC Interfaces steht dabei im Mittelpunkt da erst diese ein au tomatisches Abstimmen des Empf ngers erm glicht Es mu te auch eine Elektronik aufgebaut werden die eine simultane manuelle wie ferngesteuerte Bedienung er laubt Das dazu n tige Digitalpotentiometer wird ebenfalls n diesem Abschnitt vorgestellt In dem darauffolgenden Abschnitt wird auf eine Besonderheit der Empf ngerelektro nik eingegangen Die Abschw cher die sich in der ZF Kette befinden wirken auch auf das Leistungssignal das f r die automatische Abstimmung ben tigt wird Daher mu te ein Algorithmus entwickelt werden der die Abschw cher f r diesen Vorgang automatisch abstimmt Au erdem werden die Lokaloszillatoren besprochen die da hier Mikrometerschrau ben mechanisch bewegt werden m ssen manuell abgestimmt werden wobei der Be nutzer aber durch den PC unterst tzt wird Dies ist n tig da ein Lokaloszillator bis zu acht Mischer pumpen kann so da der Benutzer parallel sowohl alle Zwischenfrequenz Leistungen sowie alle Pumpstufenh hen beobachten k nnen mu Die Elektronik wur de so entwickelt da dem PC s mtliche Analogsignale parallel zur Verf gung stehen Durch diesen Punkt unterscheidet sich das System von einem Einkanalempfanger da ein Element hier der Lokaloszillator f r eine Frequenz f r bis zu acht Mischer verwendet wird Am Ende des Kapitels werd
135. rs liegt der Grund daf r da f r seine Abstim mung ein komplexer Algor thmus ben tigt wird m Einstellen des Magnetfeldes Auf srund der drei folgenden Effekte ist dies nicht durch Abstimmen anhand von Tabellen m glich 1 Durch Flux Trapping entstehen Spr nge in den Magnetfeldscans 4 2 Durch Remanenz Magnetisierung wird eine Hysterese des Magnetfeldes hervor gerufen 4 4 Abstimmen der Magnetfeldst rke 3 Eingefrorene magnetische Fl sse im supraleitenden Material sind daf r verant wortlich da die Magnetfeldscans als Funktion des Spulenstroms nicht repro duziert werden k nnen Die drei Problemf lle werden im folgenden n her erl utert Anschlie end wird das Verfahren vorgestellt anhand dessen eine automatisierte Abstimmung erfolgen kann 4 4 1 Spr nge in den Magnetfeldscans Josephsonstrom uA 40 30 20 10 0 10 20 30 40 Spulenstrom mA Abbildung 19 Magnetfeldscan anhand der Kennlinie Man sieht deutlich die Spr n ge bei 8 mA 29 mA und 30 mA Spulenstrom Au erdem sind im Bereich zwischen 28 mA und 18 mA mehrere Spr nge zu erkennen Die Spr nge die in den Magnetfeldscans sichtbar werden werden durch Flux Trapping 64 verursacht Magnetflu quanten k nnen von St rstellen im Supraleiter eingefan gen werden Im klass schen Bild sind dies Ringstr me um St rstellen die dieses Ma snetfeld erzeugen Verringert man nun das von au en anliegende Magnetfeld so ver gr ert
136. ruments Texas die am PCI Bus betrieben werden 43 Zur Kommunikation mit den Synthesizern der Temperatur und Druckauslesung werden bis zu acht serielle Schnittstellen ben tigt die in der VS 800HS der Firma VS Comm vorhanden sind Mit Hilfe dieser seriellen Schnittstelle wird ebenfalls der Verfahrtisch gesteuert mit dessen Hilfe im Laborbetrieb eine Cold Load an ver schiedenen Orten vor dem Empf nger positioniert wird um so den Empf ngerbeam vermessen zu k nnen A 2 1 ADC Karte Prinzipiell sind f r das Monitoring eines einzelnen Empf ngerkanales vier Analoglei tungen notwendig Bias Spannung Strom durch die Junction an die Junction angeleg tes Magnetfeld sowie ZF Signal Da aber alle Junctions gleichzeitig berwacht werden sollen unabh ngig davon welcher Kanal aktuell ausgew hlt wurde kommt man bei einem 8 Kanal Empf nger auf 32 Analogwerte Da noch einige weitere Systempara meter abgefragt werden m ssen stehen die brigen 32 Kan le n cht mehr vollst ndig zur Verf gung Im Falle der Erweiterung des Empf ngers auf die 16 Kan le w re also eine weitere Karte dieses Typs notwendig Die zwei auf der Karte befindlichen analogen Ausg nge werden f r die Ansteuerung des PLL Phase Lock Loop des LOs ben tigt S mtliche ADC Kan le werden mit 16Bit Aufl sung ausgelesen Die Samplingrate betrat maximal 20 kS s Kilo Samples pro Sekunde die allerdings durch die Ge schwindigkeit des PCs auf 15 kS s reduziert wird
137. s multan gemessen werden k nnen Ein wesentliche Einschr nkung der Beobachtungszeit ist das Wetter Bei der Beob achtung im submm Bereich absorbiert vor allem der Wasserdampf in der Atmosph re die aus dem Weltraum kommende Strahlung Entsprechend werden Standorte wie der Gornergrat in der Schweiz der Mauna Kea auf Hawaii oder die chilenische An denhochebene als Standorte f r diese Teleskope gew hlt da sich dort ein besonders geringer ausf llbarer Wasserdampfgehalt befindet Aber selbst an Standorten wie dem Gornergrat sind die Perioden bei denen sich nur geringe Wasserdampfmengen in der Sichtlinie des Teleskopes befinden auf wenige Wochen im Jahr begrenzt 39 46 Atmospheric Transmission 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Frequency GHz Abbildung 1 Atmosph rische Transmission am Standort Gornergrat Schweiz wo das KOSMA 3m Radioteleskop des I Physikalischen Institutes der Universit t zu K ln betrieben wird Eingezeichnet sind die beiden Empfangsb nder von SMART sowie wichtige Molek llinien Daher ist es wichtig die Beobachtungszeit so effektiv wie m glich auszunutzen Er reicht werden kann dies durch die Nutzung von Array Empf ngern Allerdings steigt der Aufwand der zum Betrieb eines solchen Empf ngers n tig ist mit der Anzahl der Kan le Aufgrund all dieser Faktoren ist ein automatisches Abstimmen notwendig Da zur Zeit keine rauscharmen Verst rker f r hochfrequente Strahlung obe
138. scher abgestimmt wird Dies umfa t das Einstellen des Biaspunktes und des Magnetfeldes Die einzelnen Punkte werden m folgenden besprochen 4 3 Einstellen des Biaspunktes Als Biaspunkt wird die Spannung gew hlt bei der die Konversion der Junction maxi mal und damit das Rauschen minimal ist Dieser Punkt l t sich numerisch mit Hilfe 4 3 Einstellen des Biaspunktes 27 Biaspunkt einstellen Magnetfeldscan langwierig Bestimmung der Einstellen eines der Gute der Minima gefundenen Magnetfelder und Abspeicherung in Tabelle Nachsten Eintrag in der Tabelle auswahlen Feinabstimmung innerhalb des lokalen Minimums dabei Hystereseeffekte und Sprunge beachten Josephson rauschen genugend unterdr ckt nein Biaspunkt einstellen Abbildung 18 Abstimmung des Biaspunktes und des Magnetfeldes 28 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer der Kleinsignal Analyse berechnen siehe 63 21 Dazu ist allerdings eine ge naue Kenntnis der Admittanz des Tunnelkontaktes bei der gepumpten Frequenz n tig Da diese Berechnung einen gro en Aufwand bedeutet und andererseits die optimale Bias Spannung ausschlie lich abh ngig von der LO Frequenz ist K nnen auch tabel lierte Werte verwendet werden Au erdem wird das ZF Leistungs Signal und damit die Konversionskurve der Junction so rauscharm gemessen da auch eine Auswertung an dieser Kurve stattfinden kann F r jeden Mischer kann eine Tabelle ange
139. sie in z Richtung entlang ihrer L ngsachse auf einem Luftpolster schweben lassen kann wodurch ihre Bewegungen abgefedert werden Auf diese Weise sollen die st renden Vibrationen die durch das Beschleunigen und Verz gern des Kolbens entstehen ged mpft werden Es wurden zwei Me reihen durchgef hrt Bei der ersten wurde die K hlmaschinen halterung nicht mit Luft gef llt bei der zweiten wurde sie aufgepumpt Die zur Reduktion der gemessenen Daten ben tigten C und IDL Programme sind im Anhang Elbeschrieben Die Daten wurden ber den Eingang eines Oszilloskops ein gelesen und das so verst rkte S gnal ber den entsprechenden Ausgang zum ADC gef hrt Um den Verst rkungsfaktor des Oszilloskops zu bestimmen wurde mit dem Oszilloskop eine DC Messung durchgef hrt Das Oszilloskop wurde mit einer Gleich spannung von 200 mV gespeist welche s multan auf einen ADC Eingang gelegt wur de Die Messung bei 0 mV ergab 675 Counts Gleichzeitig wurde mit einem anderen ADC Eingang die Spannung gemessen die aus dem Vorverst rker des Oszilloskops stammte Diese betrug 1595 Counts Somit erh lt man einen Verst rkungsfaktor von 2 363 Das hei t 1 Count entspricht vorverst rkt 0 129 mV 6 4 1 1 Unaufgepumpte K hlmaschinenhalterung Die ersten Messungen wurden ohne die D mpfung durch die Luftpolsterung durchge f hrt In Abbildung 56lerkennt man da bei der Eigenfrequenz der K hlmaschine von 1 Hz zwar eine leichte Resonanz des Systems vor
140. sind damit die gesamte Mechanik spielfrei arbeitet Die Ansteuerung der Motoren erfolgt ber je einen PI Regler dessen Soll Vorgabe eine Analogspan nung ist und somit den Anfahrwinkel vorgibt Diese Spannung wird mit Hilfe eines 12Bit Digital Analog Converters vorgegeben der an einen 12Bit Z hler angebracht ist welcher wiederum per Hand oder auch vom PC aus herauf oder heruntergez hlt werden kann Als R ckgabeinformation sind die momentane Ist Position die von e1 nem Potentiometer mit hoher Linearit t erzeugt wird und ein OK Signal das immer dann geschaltet wird wenn sich der Beamrotator innerhalb eines vorgegebenen Be reiches um die Soll Position befindet vorgesehen Das OK Signal dient dem PC als Kennung da die Position erreicht ist und daraufhin die Motoren abgeschaltet wurden In den Abbildungen 76 und 77 sind beispielhaft zwei Messungen mit der Beamrota torelektronik gezeigt Dabei wurde schrittweise vom linken bis zum rechten Anschlag ein Winkel angefahren der durch den DAC vorgegeben wird Anschlie end wurde eine gewisse Wartezeit hier 1 Sekunde abgewartet in der sich das System bewegen und anschlie end stabilisieren konnte Dann wurde die tats chlich angefahrene Posi tion mit dem ADC des PCs sowie das OK Bit gemessen Durch Messungen der Ist Position innerhalb der 1 Sekunde Wartezeit konnte au erdem festgestellt werden ob A 4 Beamrotator Residuen Counts am ADC 0 500
141. t dann gilt Vounn m Vsynth u harm Man kann nun berpr fen ob der Harmonischenmischer tats chlich auf die richtige Harmonische des Synthesizers mischt indem man abh ngig vom Einstellbereich des 23 24 4 Automatisches Abstimmen der SIS Mischer IF Ausgang in Abh ngigkeit der Diplexerstellung Junction 0 Junction 1 Junction Junction 2 Bias Strom uA 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 Mikrometerstellung des Diplexers mm Abbildung 14 IF Ausgangsleistung der 492GHz Mischer in Abh ngigkeit vom Licht weg im Diplexer Man erkennt eine leichte Verkippung der Spiegel an der Phasenver schiebung der einzelnen Beams Synthesizers einen anderen Faktor harm w hlt und berpr ft ob der Gunn nach wie vor gelockt ist das Mischprodukt des Harmonischenmischers also tats chlich in den gleichen Frequenzbereich f llt Anhand der Pumpleistung kann nun die Transmission des Diplexers der im wesentli chen aus zwei Martin Puplett Interferometern besteht optimiert werden Dazu ist in Abbildungen 14 und15 die Ausgangsleistung der einzelnen Kan le gegen die Verschie bung eines der Spiegel am Diplexer aufgetragen Wie erwartet sieht man eine sinus f rmige Modulation des Signals Die Phasenverschiebung in Abbildung l4 stammt von einer leichten Verkippung des Spiegels so da sich die Wegl nge eines Kanals von der eines daneben liegenden unterscheidet Dies wurde am Diplexer korrigiert und
142. timmt werden Eine Integration vieler Empfangskan le auf einem Bauteil ist derzeit technisch nicht m glich Um die durch den Array Empf nger gewonnene Effizienz nicht zu verlieren wurde dessen Elektronik so konstruiert da ein automatisches Abstimmen der Kan le erfolgen kann Au erdem wird der Benutzer bei den manuellen Vorg ngen vom System so unterst tzt da die Einstellungen in einer m glichst kurze Zeit und oh ne Fehler die insbesondere Nachts von berm deten Beobachtern gemacht werden vorgenommen werden k nnen SIS Junctions haben verschiedene Tuning Parameter die f r den einwandfreien Be trieb des Empf ngers optimal eingestellt sein m ssen Die Parameter umfassen unter anderem das Magnetfeld das den Josephson Strom unterdr ckt und den optimalen Spannungs Arbeitspunkt an dem der Kontakt betrieben wird um eine ausreichende Konversion zu erhalten Au erdem mu der Lokaloszillator mit einer der Beobach tungsfrequenz angepa ten Frequenz schwingen und die Mischer mit optimaler Lei stung pumpen Immer dann wenn die Beobachtungsfrequenz eines Empf ngers ge ndert wird m ssen der oder die Empfangskan le einzeln nachgestimmt werden Ziel dieser Arbeit war es die SIS Mischer von einem Algorithmus automatisch charak terisieren zu lassen und so die bisher von Hand vorgenommenen Einstellungen zu automatisieren Ein automatisches Abstimmen des SIS Empf ngers ist in vielen Situationen sinnvoll Insbesondere durch
143. tliche Variationen sowohl bei O0 mV wie auch bei 1 mV und deutlich schw cher bei 2 mV Dadurch da die Junction bei einer Frequenz von 490 GHz betrieben wurde traten die Shapiro Stufen bei diesen Spannungen auf 4 5 Automatische Auswertung der Magnetfeldscans Wie bereits gezeigt gibt es zwei Methoden Magnetfeldscans aufzunehmen Diese m ssen anschlie end automatisch ausgewertet werden Dies geschieht mit dem hier vorgestellten Algor thmus der auf beide Arten der Magnetfeldscans anwendbar ist Die Magnetfeldwerte die zu einer optimalen Unterdr ckung des Josephson Effekts f hren werden in einer Tabelle abgespeichert und k nnen dort bei Bedarf ausgelesen werden Sie d enen als Startwert f r das anschlie ende Finetuning Verfahren Die Auswertung der Magnetfeldscans geschieht in folgenden Schritten 1 Suche nach dem absoluten Minimum und Maximum 2 Suche nach den einzelnen lokalen Minima 3 Bestimmung der Abst nde der lokalen Minima zueinander 4 Magnetfeldst rken deren Ableitung das F nffache des Rauschens bersteigt werden als nicht brauchbar markiert da sich bei der kontinuierlichen Ver nde rung der Magnetfeldst rke die Gr e des Josephson Effekts sprunghaft ver n derte Daher ist dieses Minimum f r den anschlie enden Finetuning Algorith mus unbrauchbar 5 An jedes Minimum wird ein Polynom 2 Grades angefittet um so das genaue Zentrum des Minimums zu bestimmen Aus der daraus abgeleiteten Aquivalenz b
144. ummenfrequenz h here Harmonische und frequenzunabh ngige Terme beinhaltet F r das Heterodynprinzip ist der Differenzterm entscheidend der nur dann nicht ver schwindet wenn die zweite Ableitung des Stroms nach der Spannung von Null ver schieden die Kennlinie also nichtlinear ist Die Mischprodukte mit h heren als der Ursprungsfrequenz k nnen bei SIS Mischern vernachl ssigt werden da sie durch die hohe Kapazit t des SIS Kontaktes kurzge schlossen werden Es gilt also So kann Strahlungsleistung von einer hohen auf eine niedrigere Frequenz umgesetzt werden die mit konventioneller Technik zu handhaben ist wobei die spektrale Infor mation erhalten bleibt Wie aus Abbildung 3 zu erkennen ist wird allerdings nicht nur eine einzelne Frequenz sondern ein ganzes Frequenzband in der N he der Lokalos zillator Frequenz auf ein Band gleicher Breite um die Zwischenfrequenz umgesetzt 3 1 Aufbau eines Heterodynempf ngers Man erkennt auch die Spiegelfrequenz die ebenfalls in die Zwischenfrequenz eingeht Wird diese Frequenz durch Filter vor dem Eingang k nstlich unterdr ckt so spricht man vom Einseitenbandbetrieb oder auch Single Side Band Ansonsten handelt es sich um den Doppelseitenbandbetrieb Double Side Band Wie bereits in Abbildung 2 gezeigt sind zum Betrieb des Empf ngers folgende Para meter abzustimmen Die Lokaloszillatorstrahlung mu auf die richtige Frequenz abgestimmt werden siehe hierzu auch Abbildung 3
145. ur Verf gung array_cobac so wie pattern Die wesentliche Me software ist in beiden Programmen die glei che Die Ausgangsleistung aller oder einiger Kan le wird gemessen und aufsum miert Gleichzeitig wird die Phase eines Signal Referenz Signales S R Signal oder S R Takt gemessen und die obige Summe dieser Phase zugeordnet Im Labor wurde das Programm pattern verwendet Dieses fahrt mittels einer der seriellen Schnittstellen einen Verschiebetisch auf eine Position Auf diesem Tisch ist eine Cold Load mit einer Temperatur von 77K montiert die so in einer Ebene vor dem Empf nger positioniert werden kann So l t sich die Antennekeule vermessen An jeder Position wird eine vorgegebene Zeit mittels des obigen Algorithmus inte griert wobei das S R Signal vom Chopperrad generiert wird so da eine Phase einer Hot Load die andere Phase einer Cold Load entspricht Die Daten werden f r jede Po sition getrennt als Signal und Referenz Signal gespeichert Au erdem ist vorgesehen da ein relativer Anteil der Phasen nicht gemessen wird damit Phasenverschiebungen zwischen dem eigentlichen Chopperrad und der S R Me elektronik ausgeglichen wer den k nnen So entstanden die Beammessungen mit denen d e Optik berpr ft und justiert wurde Es wurden Chop Frequenzen von 10Hz verwendet F r den Betrieb am KOSMA Radioteleskop wurde das Programm pattern modifi ziert und daraus array_cobac entwickelt Da das Programm kein Teil des Fahr programmes
146. uration mit s ch bringt und die bedingt durch das Filesystem bis zu einer Sekunde betr gt Der Vorteil ist da sich die gesamte Kommunikation auf das Lesen und Schrei ben von Dateien beschr nkt und so leicht zu berschauen und in jedes Programm einf gbar ist Auch betriebssystem bergreifende Programme sind m glich so lange das Betriebssystem das hinzugef gt werden soll n der Lage st NFS Dateisysteme anzubinden Der aktuelle Inhalt der Daten kann zum Debuggen der Hard und Software jederzeit eingesehen oder manuell manipuliert werden 3 Um die Nachteile die das NFS basierte System mit s ch bringt auszugleichen wurde ein Server Client System entwickelt das in der Lage ist Datei nde rungen schnell zu erkennen um dann die ge nderten Dateien direkt auf einen Common Object Request Broker Architecture 62 5 Der KOSMA Array Empf nger SMART anderen Rechner zu bertragen Bei diesem System liegen die Verz gerungen im Mittel bei 20 ms maximal bei 100 ms Hier kann weiter mit den Vorteilen des NFS basierten Systems gearbeitet werden ohne jedoch allzugro e Verz ge rungen n Kauf nehmen zu m ssen Das System wurde n dem Programm koc2 implementiert und arbeitet auf Bas s eines Servers mit einem davon getrennten Client 61 Letzterer wartet entweder darauf da eine Datei erneuert wurde oder auf die Existenz eine zus tzliche Datei die vom Benutzer hier von der KOSMA file io Library 15 geschrieben we
147. viele di gitale Ein und Ausg nge f r die Aussteuerung und die R ckmeldungen des Systems notwendig Die Steuerelektronik befindet s ch n einem 19 Zoll Rack das dem Empf nger auf dem Support Wagen des Teleskopes folgt wenn sich dieses in az mutaler Richtung bewegt Wie man in Abbildung 36 sieht befindet sich dort das Magnet Interface das den Strom f r die Magnetspulen die den Josephson Effekt unterdr cken erzeugt Das Bias Interface stellt die Spannung zum Vorspannen der SIS Mischer zur Verf gung und bereitet die dort gemessenen Spannungen und Str me auf Der ZF Prozessor setzt das empfangene Zwischenfrequenz Signal vom 1 2 GHz Band auf das 1 6 2 6 GHz Band der AOSe um und verst rkt es Au erdem lassen sich die so erhaltenen Lei stungssignale abschw chen und messen Hier kann zur Kalibration der verwendeten Spektrometer ein Frequenz Kamm Signal eingespeist oder das Eingangssignal abge schaltet werden Die Synthesizer dienen den Phase Lock Loops als Referenz quelle zum Locken auf die richtige Beobachtungsfrequenz Das unten liegende PC Interface ist das Bindeglied zwischen dem Steuer PC und der eben vorgestellten Elek tronik 5 2 Elektronik Magnet Interface 00 0900 BO Loop 1 Bias Interface bt Bias Mischer n O D ma Ad dr Loop n Vorver starker 1 ZF Processor Vorver 000000 00 55 a Synthesizer a ZUR Q Q oo oH Bu IEeNEN Oszillator PC Enable Interface ox
148. zung und Aufmunterung danken Ganz besonderer Dank gilt nat rlich dem Dani f r seine Unterst tzung w hrend der gesamten Arbeit f r die netten Kommentare beim Korrekturlesen und daf r da es mich immer tapfer und liebevoll ertragen hat Diese Arbeit wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 494 Die Entwicklung der Interstellaren Materie Terahertz Spektroskopie m Weltall und Labor angefertigt und durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft sowie das Ministerium f r Wissen schaft und Technologie des Landes Nordrhein Westfalen gef rdert Erkl rung Ich versichere da ich die von mir vorgelegte Dissertation selbst ndig angefertigt die benutzten Quellen und Hilfsmittel vollst ndig angegeben und die Stellen der Arbeit einschlie lich Tabellen Karten und Abbildungen die anderen Werken im Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen sind in jedem Einzelfall als Anlehnung kenntlich ge macht habe da diese Dissertation noch keiner anderen Fakult t oder Universit t zur Pr fung vorgelegen hat da s e abgesehen von unten angegebenen Teilpublikatio nen noch nicht ver ffentlicht worden ist sowie da ich eine solche Ver ffentlichung vor Abschu des Promotionsverfahrens nicht vornehmen werde Die Bestimmungen der Promotionsordnung sind mir bekannt Die von mir vorgelegte Dissertation ist von Prof Dr Stutzki betreut worden Teilpublikationen Stanko S Graf U U Heyminck S 2002 in prep Automatic Tun

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