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Versuch MCP-Detektoren

1. Quelle Barnstedt 1985 Y 2Qstreiten X Q F Praktikum Astronomie und Astrophysik 17 der Mikroelektronik bekannte Verfahren der Kontaktierung durch Bond Dr hte bewerk stelligt Abb 2 15 Dieses Problem l sst sich vermeiden wenn man ein 3 Elektroden De sign verwendet Dabei werden jeweils eine Keil Elektrode und eine Streifen Elektrode zu einer gemeinsamen Z Elektrode zusam mengefasst Diese verl uft m anderf rmig ber die Anodenfl che Abb 2 16 Bei der Koordinatenberechnung macht man sich zunutze dass im urspr nglichen 4 Abb 2 17 Elektroden Design die beiden Keilfl chen Die Keil Streifen Anode des ORFEUS Detektors zusammen genauso gro sind w e die beiden Rechteckfl chen so dass die Keile und die Streifen jeweils die H lfte der Gesamtladungsmenge XQ erhalten Nachteil bei diesem 3 Elektroden Design ist dass das zuvor beschriebene Verfahren der Optimierung des Anodendesigns zur Minimierung der Randverzerrungen sich hier nicht ohne weiteres anwenden l sst da die Breite der Z Elektrode in der oberen linken Ecke praktisch Null wird Dadurch ist dann der Widerstand der Leiterbahn nicht mehr zu vernachl ssigen was zu neuen Verzerrungen f hrt 2 3 4 Die ORFEUS Anode Tabelle 2 3 zeigt die technischen Daten der Anode des ORFEUS Detektors Die Anode wurde von der Fa Heidenhain nach unseren Spezifikationen hergestellt Abb 2 17 zeigt die ORFEUS Anode in ihrer Halte rung Die vier elektrischen Ansc
2. 6000 Ab etwa 10 Elektronen spielt also Partition Noise f r die Aufl sung des Detektors mit 1024 Bildpunkten pro Achse keine wesentliche Rolle mehr F Praktikum Astronomie und Astrophysik el 2 5 3 Ubersprechen Die Elektroden der Keil Streifen Anode wirken untereinander als Kapazit ten Die Ladungsverst rker Eing nge besitzen eine dynamische Eingangskapazit t Entsprechend dem Verh ltnis der Eingangskapa zit t zur Elektroden Kapazit t wird ein Teil der auf eine Elektrode auftreffenden Ladung auch kapazitiv auf die anderen Elektroden eingekoppelt bersprechen Welche Auswirkungen hat das auf die berech nete Ortsposition x Betrachten wir zun chst die ideale Koordinate in einer Achse z B der X Achse die aus den beiden Keil Ladungen Q und Q berechnet wird die Gesamtladung ist Q Ort jn Ei Q Q Q 2 8 x kann dabei Werte von 0O linker Anodenrand bis 1 rechter Anodenrand annehmen Die gemessenen Spannungen U und U berechnen sich mit dem Verst rkungsfaktor v und einem Ubersprech anteil b zu U v Q bO und U v Q bQ Damit ergibt sich f r x He CH Q bQ he oe ee ee EE 2 9 U uU 0 bO 0 bO L st man Gleichung 2 8 nach Q auf und setzt dies wieder in 2 9 ein so k rzt sich Q heraus und man erh lt als Zusammenhang zwischen dem gemessenen Wert x und der tats chlichen Position x ve x 1 b b Jh db l b I b 1 b SE Plausibilitatsbetrachtung x 0 x bDK1
3. Bildausschnitt und drucken Sie dieses EEEE p Du Du ae ge Se Zu ge De e EZE Paz U a zZ payre ge er ee yore Lyra aus Men punkt Export Plot Hardcopy AN 350 Counts Pixel Selected Area X Y 402 459 Nx Ny 98 99 Falls die Intensit tsschwankungen der einzelnen Pixel einzig auf statistische Suda a ee by WA ORFEUS Mon May 19 11 50 03 2003 Schwankungen zur ckzuf hren sind Abb 4 2 Histogramm der Intensit tsverteilung eines Bildausschnitts Die gestrichelte Kurve gibt eine Poissonverteilung mit dem verteilung bereinstimmen Da wir es mit gleichen Mittelwert wieder einem relativ gro en Mittelwert 100 Die im Ausdruck anges ebenen Werte beziehen sich auf die Messwerte nicht auf die theoretische Kurve muss das Histogramm mit einer Poisson und einer relativ gro en Anzahl von F Praktikum Astronomie und Astrophysik er Messwerten Anzahl der Pixel zu tun haben kann die Poissonverteilung sehr gut durch eine Gau verteilung angen hert werden mit x Mittelwert Abb 4 2 zeigt ein solches Histogramm Als gestrichelte Kurve ist eine Gau verteilung mit gleichem Mittelwert eingezeichnet Man sieht dass die theoretische Kurve nicht exakt auf der gemessenen Kurve liegt Die Intensit tsschwankungen von Pixel zu Pixel sind daher nicht allein auf statistische Schwankun gen zur ckzuf hren Es gibt systematische Fehler die Homogenitat ist also nicht optimal Aufgabe 15 Beurte
4. Nol Nol dP n e dt e d n t 2 20 Kurze Intervalle zwischen den Z hlimpulsen treten also exponentiell h ufiger auf Es ist daher prinzipiell nicht m glich mit einer totzeitbehafteten Elektronik verlustfreie Messungen durchzuf hren Die Elek tronik mit der Totzeit t registriert also Ereignisse nur dann wenn ihr Intervallabstand zum vorherigen Impuls gr er als t ist Durch Integration von Gleichung 2 20 ergibt sich f r die Wahrscheinlichkeit von Impulsabst nden t gt T For far nl edt e 2 21 t T T Da die pro Zeiteinheit im Mittel eintreffenden no Impulse statistisch unabh ngig voneinander sind ist die pro Zeiteinheit von der Elektronik registrierte Anzahl von Ereignissen n gegeben durch nzn e 2 22 F r sehr gro e Impulsraten no gt geht n gegen Null d h praktisch alle Impulsintervalle sind kleiner als die Totzeit t Es gibt daher ein Maximum der Kurve aus Gleichung 2 22 Durch Differenzieren von 2 22 nach no und Nullstellenbestimmung ergibt sich das Maximum bei np 1 t und damit f r die maxi mal registrierbaren Ereignisse N max zu 2 23 Mit t 13 us ergibt sich eine maximal registrierbare Ereignisrate von nmax 28 300 s bei einer Rate an einfallenden Impulsen von no 76 900 e die Effizienz ist dabei 1 e 37 Abb 2 29 Um aus einer gemessenen Z hlrate n bei bekannter Totzeit t die tats chliche Z hlrate n zu bestimmen verwendet man blicherweise folgende N herun
5. Schalten S e die Verst rkungsanzeige w hrend der Impulsh henintegration aus Stellen Sie den Integrationsmodus am DPA auf Position 4 x y t z Denken Sie daran den DPA Zeitz hler vor jeder Messung auf 0 zu stellen Rufen Sie das Programm Erfassung auf und starten Sie eine Impulsh hen Integration siehe Kap 3 6 2 2 S 40 Stoppen S e die Integration wenn die Kurve ausreichend glatt aussieht ca 200 s Stellen Sie einen Schnappschuss von diesem Fenster her und drucken Sie ihn aus Vergessen Sie nicht die zweite Messung der Verst rkungsanzeige 4 7 2 Teilbild F hren Sie dies anschlie end auch f r eine Teilbild Einstellung Image Window X 2 Y 0 aus und notieren Sie auch hier die Verst rkungswerte vor und nach der Impulsh henintegration Anschlie end Teilbild Einstellung wieder auf X 9 Y 9 stellen Aufgabe 12 Bestimmen Sie in den Plots der Impulsh henverteilungen jeweils die Lage des Maximums der Verteilung und die geometrische Halbwertsbreite FWHM Sie sollten dies in die Grafik einzeichnen die Werte in cm ausmessen und den Umrechnungsfaktor in V cm zur Berechnung der Volt Werte angeben Geben Sie die Halbwertsbreite in Prozent der Maximumsposition an Worin liegt die Ursache f r die Unterschiede Maximum und FWHM der Vollbild und der Teilbild Messung Vergleichen Sie Ihre grafisch ermittelten Werte f r Verst rkung und Breite mit den von der Verst rkungs anzeige notierten Warum unterscheiden sich die Wert
6. e Klicken Sie m Bild erst auf den linken Startpunkt der letzte zur Maximumsbestimmung verwen dete Punkt und anschlie end auf den rechten Endpunkt der 11 darauf folgende Punkt der zu plottenden Linie Dabei wird aus dem Bild eine Line extrahiert die eine voreingestellte Breite an Bildpunkten umfasst angezeigt unter Men punkt Einstellungen Schnittbreite Sinnvoll ist eine ungerade Breite von 11 bis 21 Pixeln Damit ist gew hrleistet dass die Lochbilder in der vollen Breite erfasst werden e Rufen Sie anschlie end den Men punkt Auswertung Auto Gaussfit ueber Schnitt auf e Im Schnittfenster markieren Sie mit der linken Maustaste zun chst die linke Position Die x Position soll 1m Bereich des ersten Minimums und die y Position etwa auf halber H he zwischen Minimum und Maximum liegen Anschlie end markieren Sie das letzte Minimum Die angeklickten Punkte werden mit schr gen Kreuzen markiert siehe Abb 4 3 Achten Sie darauf dass die Verbindungslinie zwischen beiden Markierungen alle Peaks einmal schneidet Zum Beenden klicken S e mit der rechten Maustaste in das Schnittfenster Es wird nun die Kurve aus den angepassten Gau kurven in das Schnittfenster eingezeichnet Abb 4 3 Kontrollieren Sie ob alle Maxima korrekt gefittet wurden Fehlerhafte Fits k nnen Sie einfach noch einmal wiederholen das Plotfenster k nnen Sie dazu mit dem Men punkt Auswertung letzten Schnitt wiederholen aktualisieren Nachdem Sie alle Loc
7. um ein Einbrennen zu vermeiden 3 5 Oszillograph Mit dem Oszillografen Abb 3 5 werden die Detektor Summenimpulse dargestellt Die besten Einstel lungen sind e Y Ablenkung 1 V DIV e Zeitablenkung 0 5 us DIV e Trigger kleine positive Spannung ansteigende Flanke Bei der Darstellung von Testimpulsen sind auch negative Impulse zu sehen da Testimpulse durch Recht eckimpulse erzeugt werden die eine positive und eine negative Flanke besitzen Die negativen Testim pulse werden erst beim positiven Nulldurchgang des Unterschwingers getriggert so dass sich zwei Im pulsformen berlagern F Praktikum Astronomie und Astrophysik Ca Ke Abb 3 5 3 7 POSION TB MAGN DELAY TIME ALT CHOP ADD B CS ner er lt AMPL mV DIV 50 Nd Ge aw DIV Ni ae es Sa gt a CRT gn u J 9 PROBE power A A SL B ba popr O s Der Oszillograph mit den Detektor Summenimpulsen 3 6 Computer und Software Zwei Programme werden f r den Betrieb des Detektors und die Datenerfassung ben tigt Das Programm HV Kontrolle steuert die Hochspannung des Detektors und bietet au erdem Testm glichkeiten durch Testimpulse und durch eine Verst rkungsanzeige Das Programm Erfassung erm glicht die Integration der vom Detektor erfassten Ereignisse Die beiden Programme werden hier kurz vorgestellt eine ausf hr liche Bedienungsanleitung ist separat vorhanden 3 6 1 Programm HV Kontrolle
8. henverteilung e S w 11 Einzelne MCPs werden am besten in einem 10 Analog Modus betrieben Dabei wird der Ausgangs Strom der MCPs registriert der einfach proportional zum einfallenden Photonenstrom ist 10 Einzelne Photonen lassen sich so nicht nachweisen 10 der Modus entspricht dem eines konventionellen Photomultipliers im Analog Betrieb Analysiert 10 man die einzelnen Impulse in diesem Betrieb so z 10 stellt man fest dass die Impulsh hen einer exponentiell abfallenden Verteilung folgen Tabelle 10 2 1 d h schwache Impulse sind sehr h ufig 10 w hrend starke Impulse sehr selten sind 10 F r einen Z hlmodus in dem m glichst alle einzel nen Ereignisse registriert werden k nnen ben tigt e man eine Konfiguration die eine im Idealfall feste 10 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Impulsh he f r jedes Ereignis liefert In der Praxis APPLIED VOLTAGE PER STAGE V hat man es mit Impulsh henverteilungen zu tun die app 9 8 ein mehr oder weniger ausgepr gtes Maximum Zusammenhang zwischen Verst rkung Impuls h henverteilung Spannung und MCP Konfigu besitzen Solche Impulsh henverteilungen erreicht ration Quelle Hamamatsu man nur mit sehr hohen Verst rkungen Dann wird n mlich die Elektronendichte am Ausgang des Kanals so gro dass sich ein Gegenfeld im Kanal aufbaut so dass _ PEAK PVR VALLEY FWHM die Elektronen keine weitere Energie gewinnen und s
9. ren Rechtecken besteht deren H he in der Summe konstant ist deren H henverh ltnis jedoch ber die Anode F Praktikum Astronomie und Astrophysik 19 variiert Abb 2 13 verdeutlicht wie durch die Keil Elektroden die X Position und durch die Streifen Elektroden die Y Position kodiert wird Keile kodieren die X Koordinate Streifen kodieren die Y Koordinate v v v v wenig Elektronen viele Elektronen wenig Elektronen viele Elektronen schwacher Impuls starker Impuls schwacher Impuls starker Impuls X 4 Das Prinzip der Keil und Streifen Anode gt Y1 y Y2 Y1 Y2 Y2 4 gt X1 x X2 X1 X2 X2 Abb 2 13 Das Funktionsprinzip einer Keil Streifen Anode Die Ortskoordinaten x y werden aus den Verh ltnissen der Ladungen X1 X2 Y1 und Y2 berechnet 16 Versuch MCP Detektoren Voraussetzung dafiir dass die Anode die Ortspo sition in Y Richtung linear kodieren kann ist dass die Breite der Elektronenwolke etwa der doppel ten Periodenbreite der Anodenstruktur entspricht Durch Wahl des richtigen Abstands und der rich tigen Feldst rke zwischen Anode und MCP wird dies gew hrleistet Falls die Breite der Wolke zu klein ist bekommt man periodische Verzerrungen im Bild Ist die Breite jedoch zu gro so treten im Randbereich gr ere Verzerrungen auf G nzlich lassen sich die Verzerrungen im Rand bereich der Anode nat rlich nicht vermeiden Sie Abb 2 14 sind durch die unvermeidliche Breite der Elektro
10. ve Key x 1 x 1 b 1 b Das bersprechen bewirkt also eine Schrumpfung des Bildes die beiden R nder werden um den Betrag b 1 b nach innen verschoben 2 5 4 Verstarkungsunterschiede F r eine exakt lineare Abbildung ist es notwendig dass die beiden Ladungsverst rker aus deren Signale die Position in der jeweiligen Achse berechnet wird auch den exakt gleichen Verst rkungsfaktor aufwei sen und nat rlich auch das gleiche zeitliche Verhalten Das bedeutet dass alle elektronischen Bauteile der Schaltung aus Abb 2 22 exakt die gleichen Werte aufweisen m ssen Da elektronische Bauteile im mer eine gewisse Toleranz gegen ber ihren Sollwerten aufweisen ist es notwendig viele Bauteile aus zumessen und die passendsten an den jeweils gleichen Stellen der beiden Ladungsverst rker zu verwen den Bei im Labor verwendeter Elektronik ist es m glich Widerst nde ber Potentiometer abzugleichen In gewissem Umfang ist das auch bei Kapazit ten mit Trimm Kondensatoren m glich Bei Elektronik 28 Versuch MCP Detektoren die in Satelliten eingesetzt wird gibt es diese M glichkeiten nicht Da Potentiometer nicht schiittelfest sind diirfen sie in der Raumfahrt nicht eingesetzt werden Man muss in der Schaltung entsprechenden Platz f r zus tzliche Abgleichwiderst nde vorsehen Aber auch damit erreicht man in der Regel nur Pro zent Genauigkeiten Man muss also damit leben dass die Verst rkungsfaktoren nur bis auf ein paar Pro zen
11. Bestandteil des Protokolls Originalbl tter bitte beilegen bei elektronischer Abgabe bitte einscannen 54 Versuch MCP Detektoren 5 Literatur und Quellen Die fiir die Vorbereitung wichtigen Biicher sind mit Fettschrift hervorgehoben Appenzeller I Krautter J Mandel H streicher R ORFEUS focal plane instrumentation Echelle spectrograph ESA SP 281 Vol 2 1988 337 339 Barnstedt J Entwicklung eines photonenz hlenden transportablen Kamerasystems f r astronomische Anwendungen im sichtbaren Spektralbereich Dissertation T bingen 1985 Barnstedt J Kappelmann N Appenzeller I Fromm A G lz M Grewing M Gringel W Haas C Hopfensitz W Kr mer G Krautter J Lindenberger A Mandel H Widmann H The ORFEUS II Echelle Spectrometer Instrument Description Performance and Data Reduction Astronomy amp Astrophysics Suppl Ser 134 1999 561 568 Barnstedt J Gringel W Kappelmann N Grewing M The ORFEUS II Echelle Spectrum of HD 93521 A reference for interstellar molecular hydrogen Astronomy amp Astrophysics Suppl Ser 143 2000 193 210 Bergmann L Schaefer C Lehrbuch der Experimentalphysik III Band I Teil Wellenoptik 3 Auf lage Walter de Gruyter amp Co 1962 Brandt S Datenanalyse 3 Auflage BI Wissenschaftsverlag 1992 Danks A C Joseph C Bybee R Argebright V Abraham J Kimble R and Woodgate B The STIS MAMA Status Current Dete
12. Detektorfl che untereinander angeordnet und die einzelnen Ordnungen verlaufen leicht schr gt ber die Bildfl che In dem Bild sind bereits deutlich die Absorptionslinien als dunkle Bereiche zu sehen Man kann auch leicht zwei verschiedene Arten von Absorptionslinien erkennen breite und schmale Linien Die breiten Linien sind aufgrund des Doppler Effekts verbreitert Sie stammen von hei en Gasen und sind daher stellaren Ursprungs Sternatmosph re Die schmalen Linien stammen m Umkehrschluss von kalten Gaswolken die sich daher im interstellaren Raum befinden m ssen also irgendwo zwischen der Erde und dem beobachteten Stern Bei genauem Hinsehen lassen sich sogar einige doppelt vorhandene schmale Absorptionslinien erkennen Es handelt sich dabei um dopplerverschobene Linien Das bedeutet dass das Licht durch zwei verschiedene Gaswolken gelaufen ist welche sich mit unterschiedlichen Geschwindig 6000 E i Zu l ga 2 PASH ea es a8 Ss zz EW Sep En lolli SA AGA a T IN 1 I l gi Se UI i 2000 J Wir A i a i d E Ah 2 o H k AA 964 966 968 97 972 974 Wovelength A Echelle order 58 Abb 1 3 Ausschnitt aus dem Echelle Spektrum des Wei en Zwergs HD 93521 Die identifizierten Absorptionslinien sind markiert H2 molekularer Wasserstoff H O I neutraler Sauerst
13. Deutschen Museum in M nchen und das Teleskop und das Echelle Spektrometer sollen in Zukunft in der Abteilung Astronomie im Sand ausgestellt werden und zu besichtigen sein Die Detektoren sind nach wie vor voll funktionsf hig und werden nun f r dieses Praktikum eingesetzt Gleichzeitig arbeiten wir daran uns an k nftigen Weltraumprojekten wieder mit solchen Detektoren zu beteiligen In diesem Praktikumsversuch werden wir uns mit den Eigenschaften und Anwendungsm sglichkeiten dieser Detektoren besch ftigen Hinweise zur Vorbereitung Um Ihnen die Vorbereitung des Versuchs zu vereinfachen haben wir in diese Einleitung ein fache Aufgaben eingestreut Sie sollten diese Aufgaben vor dem Praktikum gel st haben sie werden vor dem Versuch im Rahmen des Testats durchgesprochen Die L sung ist Teil Ihres Praktikumsprotokolls Diese Anleitung wurde recht ausf hrlich gehalten um auch ausreichende Hintergrundinfor mationen zum Versuch zu liefern Folgende Kapitel sind f r das Verst ndnis des Versuchs nicht unbedingt notwendig und k nnen bei knapper Vorbereitungszeit bersprungen werden 1 2 2 2 1 2 3 3 2 3 5 3 4 3 5 3 6 Lesen Sie aber insbesondere Kap 4 13 S 53 schon vor der Versuchsdurchf hrung Auch ist es f r S e hilfreich wenn Sie sich vor dem Praktikum mit den Funktionen von Excel vertraut gemacht haben da ein Teil der Datenauswertung damit vorgenommen wird Abb 1 2 Echelle Spektrum des Wei en Zwergs H
14. Dicke von 1 0 mm und die dritte MCP eine Dicke von 0 6 mm Der Durchmesser der MCPs betr gt 60 mm und die Kanaldurchmesser 12 um bei einem Mitte zu Mitte Abstand von 15 um siehe auch Aufgabe 2 Bei einer Dicke der MCPs L nge der Kan le von 1 mm betr gt das Verh ltnis von L nge zu Durchmesser der Kan le etwa 80 1 Die erste MCP ist mit einer KBr Photokathode bedampft Durch 14 Versuch MCP Detektoren eine entsprechend geformte MCP Elektrode wird das Bild feld des Detektors auf eine Flache von 40 x 40 mm be grenzt Abb 2 12 Eine Besonderheit des ORFEUS Detektors ist dass die Mikrokanalplatten isoliert gegeneinander mit einem Ab stand von etwa 0 3 mm montiert sind Dadurch ist es m g lich die drei MCPs getrennt mit Hochspannung zu versor gen und auch zwischen den Platten eine Beschleunigungs Abb 2 12 ORFEUS Detektor Blick auf die das Bild format begrenzende r ckw rtige Elektrode wird d e Verst rkung des Detektors geregelt der ersten MCP Au erdem ist noch die isoliert dazu montierte erste Elektrode der zweiten MCP zu sehen spannung anzulegen ber die Spannung der dritten MCP Vor den MCPs befindet sich in 1 cm Abstand ein Gitter welches auf einer Spannung von 500 V liegt Dieses Gitter sorgt f r ein elektrisches Feld von 50 V mm vor der Photokathode Dieses elektrische Feld bewirkt dass Photoelektronen die auf den Stegen zwischen den Kan len der MCP erzeugt werden zur ck in die Ka n le gel
15. Diese Spalte wird ebenfalls im Diagramm dargestellt aber mit einer eigenen Y Skala so dass die Abweichungen der beiden Kurven besser sichtbar werden siehe Abb 4 4 Die drei Parameter sollten so gew hlt werden dass die Kurve m glichst dicht um Null herum verl uft Aufgabe 18 Erstellen Sie die Excel Datei wie beschrieben und passen Sie die Parameter optimal an das Diagramm sollte etwa so wie in Abb 4 4 aussehen Drucken Sie das erhaltene Diagramm f r das Protokoll aus und notieren Sie alle Parameter 52 Versuch MCP Detektoren Da bei der Anderung jedes der Parameter a und b auch der Wert fiir den Nullpunkt neu angepasst werden muss gibt es dazu die Schaltfl che Nullpunkt bestimmen Nach Klicken auf diese Schaltfl che wird die rote Differenzkurve wieder in die Mitte der Grafik geschoben Auswertung Linearitatsmessung Geraden Abweichung Pixel O Differenz Messung Theorie Pixel 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Wahre Position mm Messung Theorie Differenz Abb 4 4 Excel Diagramm zur Auswertung der Linearit tsmessung Ihr Diagramm sollte so hnlich aussehen wenn Sie die Parameter richtig gew hlt haben Linke Skala graue Kurven rechte Skala rote Kurve 4 12 4 Durchf hrung der Korrektur F r die Auswertung der ORFEUS II Daten musste nicht nur eine Linearit tseichung durchgef hrt werden sondern zus tzlich auch noch eine Wellenl ngen Eichung da die X Achse des Detektorbildes entl
16. Kontakt zu den einzelnen Kan len herstellen 2 2 2 Elektronenvervielfacher Kan le Jeder einzelne Kanal einer MCP arbeitet nach dem Prinzip eines Elektronenvervielfacher Kanals Die einfallende Prim rstrahlung l st am Anfang eines Kanals ein Sekund relektron aus welches im Kanal durch die angelegte Hochspannung beschleunigt wird und beim erneuten Auftreffen auf die Kanalwand dort 2 oder Abb 2 5 mehr Elektronen ausl sen kann Abb 2 6 So entsteht im Kanal ce an ee 8 eine Elektronenlawine die am Ende des Kanals austritt und als Corporation Ladungsimpuls elektronisch nachgewiesen werden kann So genannte Channeltrons arbeiten nach diesem Prinzip Abb Seconda Sms electrons tube 2 5 Deren Kanaleingang ist in der Regel trichterf rmig aufgeweitet zur Vergr erung der empfindlichen Fl che und e 7 der Kanal selbst ist kreisf rmig gebogen um das Primary radiation Ionenfeedback zu verhindern Beim Ionenfeedback werden Abb 2 6 die von der Elektronenwolke am Ausgang erzeugten Ionen Elektronenvervielfacherkanal Quelle VALVO Technische Informationen f r die Industrie Microchannel plates 1976 beschleunigt wo sie wieder neue Impulse ausl sen k nnen des Restgases durch den Kanal zur ck bis zum Eingang Das f hrt zu einem instabilen Verhalten und st daher unerw nscht Gebogene Kan le verhindern dass die Ionen bis zum Kanaleingang zur ckfliegen k nnen und somit kann auch kein Ionenfeedback stattfin
17. Linse nach folgender Formel Bergmann Schafer 1962 ea f SES 4 1 Bestimmen Sie zun chst den Abstand e zwischen Testmaske und MCP Oberfl che Dazu messen Sie den Abstand der Testmaske zur Frontfl che des goldfarbenen Detektorgeh uses alle Abstandsmessungen auf 1mm genau Addieren Sie nun den Abstand vom Detektorgeh use zur MCP Oberfl che dessen optische Wegl nge von 25 mm sich wie folgt berechnet Der mechanische Abstand betr gt von 26 7 mm Das Quarzfenster hat eine Dicke von 5 mm der Brechungsindex von Quarz betr gt bei einer Wellenl nge von 254 nm 1 5 Damit betr gt die optische Wegl nge durch das Fenster nur 5 mm 1 5 3 3 mm die Verk rzung betr gt also 1 7 mm Somit erhalten Sie den Wert e indem Sie zum Abstand Testmaske Frontfl che noch 25 mm hinzu addieren 48 Versuch MCP Detektoren Als n chstes m ssen Sie die beiden Linsenpositionen bestimmen bei denen Sie eine scharfe Abbildung der Testmaske auf dem Detektor erhalten Beginnen Sie mit der Position nahe der Testmaske Stellen Sie zun chst anhand des Echtzeitbildes auf dem Speicherbildschirm scharf Stellen Sie die Z hlrate auf ca 10 000 ST ein durch Verschieben des Kondensors Anschlie end starten Sie eine Bildintegration f r eine bestimmte Zeit z B 100 s Stoppen Sie die Integration nach dieser Zeit und stellen Sie mit PaintShop Pro einen Schnappschuss von einem aussagekr ftigen Bildausschnitt her zuvor einmalig ber den Men punkt Datei
18. hlerwerte f r alle Impulse die aktiven Impulse und die beiden Diskriminatorschwel len Reduzieren Sie durch Verschieben des Kondensors die Z hlrate Total Pulses schrittweise um 10 000 s und notieren Sie jeweils alle vier DPA Z hlerwerte messen Sie zus tzlich auch bei 75 000 s Wichtig Beim Ablesen der Z hlerwerte f r die aktiven Impulse darf die Verst rkungsanzeige nicht aktiv sein Aufgabe 17 Erstellen Sie eine Excel Tabelle mit den Messwerten Berechnen Sie f r Total Pulses und Untere Schwelle eine Totzeitkorrektur nach Gl 2 24 S 31 mit einer Z hler Totzeit von 2 us Berechnen Sie die Effizienz Aktive Impulse Untere Schwelle Obere Schwelle Berechnen Sie theoretische Werte f r die Effizienz nach Gl 2 22 S 31 vergl Abb 2 29 Stellen Sie die Werte grafisch dar Verwenden Sie die Detektor Totzeit als Parameter der in einem Tabellenfeld gespeichert wird ndern Sie diesen Wert solange bis die theoretische Kurve gut zu den Messwerten passt Bestimmen Sie Nmax f r diese Totzeit nach Gl 2 23 S 31 Vergleichen Sie dieses nmax mit Ihrem Maximalwert f r Aktive Impulse F Praktikum Astronomie und Astrophysik 49 4 12 Linearitatseichung 4 12 1 Messaufbau Bauen Sie die optische Bank folgenderma en um e Ersetzen Sie die Streuscheibe vor der Lampe durch eine kleine Lochblende Lampe dazu aus schalten e Entfernen Sie den Kondensor und stellen Sie die Linse 17 5 cm vo
19. nach R ckgang der Z hlrate auf 10 000 s 4 9 Flat Field und Verst rkungsbild Nehmen Sie die gro e Streuscheibe aus dem Schutzgeh use und h ngen Sie sie vor das Detektorfenster Stellen Sie eine Z hlrate von etwa 20 000 s ein Regeln Sie auf eine Verst rkung von 3 V ein Starten Sie eine Verst rkungsbild Integration siehe Kap 3 6 2 4 S 41 Tragen Sie die Integrations Parameter in das Startfenster ein und vergeben Sie einen eindeutigen Dateinamen Die Integration sollte mindestens solange dauern bis ein Signal Rausch Verh ltnis von 10 in den belich teten Bildpunkten erreicht ist Es empfiehlt sich diese Integration ber die Mittagszeit laufen zu lassen Aufgabe 14 Welchen Wert pro Pixel ben tigen Sie f r ein Signal Rausch Verh ltnis von 10 Berechnen Sie die ben tigte Integrationszeit aus der Anzeige der Aktiven Impulsrate ca 900x900 belichtete Pixel Erzeugen Sie mit IDL und dem Programm auswertung Ausdrucke der beiden Bilder Bildschirm auf 256 Farben einstellen 4 9 1 Homogenitat Diese Auswertung kann zun chst bersprungen und nach Beendigung aller Messungen durchgef hrt werden Statistics Histogram T T T T T T T T T Beurteilen Sie die kleinr umige Homoge n t t des Flatfield Bildes Erzeugen Sie dazu ein Histogramm von einem m g lichst homogen erscheinenden Bildaus schnitt IDL Programm Auswertung Occurence no of pixels Men punkt Auswertung Statistik fuer
20. sammengeschaltet so dass f r eine 1024 x 1024 Pixel Anode 132 Ladungsverst rker ben tigt werden Eine Koin zidenz Logik bestimmt aus den gleichzeitig ansprechenden d tt SE 3 FOLD Verst rkern die tats chliche Ortsposition Die sehr aufwen SE dige Anodenherstellung und Elektronik machen diesen De REJECTED C2 F3 CI F4 4 FOLD tektortyp nur f r teure Weltraummissionen interessant Ein euer Ze FOLD gesetzt wird er z Zt im Space Telescope Imaging Spectro Abb 2 20 l Prinzip der Positionskodierung des graph STIS im Hubble Space Telescope HST Danks et MAMA Detektors Quelle Fraser 1989 al 1992 F Praktikum Astronomie und Astrophysik 19 Abb 2 19 zeigt den Aufbau eines MAMA Detektors Le gende O MCP mit gekrimmten Kan len Koinzidenz Anodenarray Quarz Substrat obere Elektroden Ebene untere Elektroden Ebene isolierende Schicht aus bail Delay Line Anoden Delay Line Anoden beruhen auf dem Prinzip der Verz ge rungsleitungen Delay Lines Verz6gerungsleitungen kann man sich als kontinuierliche elektronische RC Glieder vor stellen Sie setzen die Signallaufzeit so weit herab dass sie Abb 2 21 Prinzip einer Double Delay Line Anode der Signallaufzeit die zur ckgelegte Strecke bestimmen Quelle Siegmund 1992 auf kurzen Strecken messbar wird Dadurch l sst sich aus Wird in eine Verz gerunssleitung einer bestimmten L nge an einer beliebigen Stelle ein Signal z B eine elektrisch
21. D 93521 Links sind die Ordnungen des Echelle Gitters nummeriert beginnend bei Ordnung 40 mit einer Wellenl nge von ca 140 nm links oben 6 Versuch MCP Detektoren 1 2 Ergebnisse des Echelle Spektrometers der ORFEUS Il Mission Dieser Abschnitt soll nun kurz ein paar der wichtigsten Ergebnisse vorstellen die mit dem Echelle Spektrometer w hrend der zweiten ORFEUS Mission gewonnen wurden In Abb 1 2 ist eine Originalmessung des Echelle Spektrometers wiedergegeben ein Spektrum des Wei en Zwerges HD 93521 Das Bild ist nicht quadratisch da die Daten in X Richtung Hauptdisper sionsrichtung des Spektrometers mit 1024 Pixeln aufgezeichnet wurden in Y Richtung Querdisper sionsrichtung aber nur mit 512 Pixeln was ausreichend war um die einzelnen spektralen Ordnungen im Bild nummeriert von 40 bis 60 trennen zu k nnen Die Wellenl ngenskala l uft von ca 90 nm Ordnung 61 Bildmitte bis zu ca 140 nm Ordnung 40 links oben Ein Echelle Spektrometer arbeitet mit zwei verschiedenen Gittern Die hohe spektrale Aufl sung wird von einem Echelle Gitter erzeugt welches in hohen Beugungsordnungen arbeitet hier Ordnungen 40 61 Da diese Beugungsordnungen sich berlagern wird ein zweites Gitter Querzerleger engl Cross Disperser dazu verwendet um mit geringer spektraler Aufl sung eine Dispersion senkrecht zu der des Echelle Gitters zu erreichen Dadurch werden die sich berlagernden Ordnungen des Echelle Gitters auf der
22. D ANUS esse 49 EC E 50 4 124 iere 52 4 13 Hinweise zur Anfertigung des Protokoll 53 92 ET At ae HN Ect ec seat a es ehe 54 6 EE 56 4 Versuch MCP Detektoren 1 Einleitung 1 1 Hintergrund Seit Beginn der 1980er Jahre wurden am damaligen Astronomischen Institut AIT der jetzigen Abtei lung Astronomie des Instituts f r Astronomie und Astrophysik Detektoren aus Mikrokanalplatten engl Micro Channel Plates MCPs aufgebaut Bei diesen Detektoren handelt es sich um photonenz hlende ortsaufl sende Bilddetektoren f r Vakuum Ultraviolettlicht Sp ter wurden diese Detektoren auch in ge kapselte Glasr hren eingebaut und mit Photokathoden f r sichtbares Licht versehen F r diese optische MCP Kamera wurde eine schnelle Auslese Elektronik entwickelt Digitaler Positions Analysator und an einen PDP11 Rechner zur Datenerfassung angeschlossen Mit diesem Kamerasystem wurden astronomi sche Beobachtungen an Gro teleskopen u a in Asiago Italien am Calar Alto Spanien und bei der Eu rop ischen S dsternwarte ESO m Chile durchgef hrt Mitte der 1980er Jahre wurde das Weltraumteleskop ORFEUS Orbitales und r ckf hrbares Fern und Extrem Ultraviolett Spektrometer als Projekt etabliert und schlie lich realisiert Dabei lag die wissen schaftliche Projektleitung beim AIT und es wurde hier auch ein eigener Hardware Beitrag geleistet Die MCP Detektoren f r das Echelle Spektrometer wurden am AIT ent wickelt und auch gebaut sowie d
23. Das Programm HV Kontrolle dient in erster Linie der Steuerung und berwachung der Detektor Hochspannungsversorgung Es berwacht auch den Druck des Vakuum systems und schaltet die Hochspannung bei berschreiten einer Druckschwelle aus bzw verhindert das Einschalten der Hoch spannung bei zu hohem Druck Die wich tigsten Funktionen und Anzeigen werden im Folgenden beschrieben Die Programm einstellungen Men punkt Einstellungen werden normalerweise w hrend des Prakti kums nicht ver ndert bis auf die Protokoll Aktualisierungsrate und sollten nur vom Assistenten vorgenommen werden Alle Ea Detektor Steuerung Hauptmen Info Le peed HM Er n 500 y d 649 u sw HVT aus HY Entsichen H 2 bis HW4 aus Protokoll Eintrag 06 02 2003 16 02 20 22 4 Abb 3 6 Hauptfenster des Programms HV Kontrolle 22 9 Messwerte werden in regelm igen einstellbaren Zeitintervallen in eine Protokolldatei eingetragen 38 Versuch MCP Detektoren 3 6 1 1 Hauptfenster Das Hauptfenster zeigt den Druck in der Vakuumanlage die vier gemessenen Hochspannungswerte der Hochspannungsversorgung HV des Detektors sowie das Auftreten zu hoher Stromwerte in den vier Hochspannungsmodulen Au erdem werden zwei Temperaturwerte au en und im Ladungsverst rker die aktuelle Z hlrate sowie Datum und Uhrzeit des letzten Protokoll Eintrags angezeigt Mit Buttons lassen sich die Hochspannungen einschalten Vor dem Ein
24. EBERHARD KARLS UNIVERSITAT TUBINGEN MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTAT Fortgeschrittenen Praktikum Versuch MCP Detektoren J rgen Barnstedt Kepler Center for Astro and Particle Physics Institut f r Astronomie und Astrophysik Abteilung Astronomie Sand 1 72076 T bingen Stand 25 Juli 2012 http www uni tuebingen de de 4203 2 Versuch MCP Detektoren Inhaltsverzeichnis RT unn 4 Il Pinteri ee ee esse 4 1 2 Ergebnisse des Echelle Spektrometers der ORFEUS II Mission 6 2 Bunktionsprnzip der MEP Detekf rten u ani sin ea ashadstssasadearsaanieaeaamedess 8 2 1 Eeer 8 2 2 Mi krokanalplatten MCPs und Elektronenvervielfacher Kan le ccccccccceeeeeeeeeeeeeseeeeeees 9 Se Herein yvon ee 9 222 Blektronenverviellacher E 10 D2 D e ee EE De E 10 2 2 4 Verst rkung und Iompulsbhobhenverteilung ee eeeeessssseeeccececeeeeeeeeaaseesesseeeeeeeeeeeeeeeeeeeaaas 11 223 E eet E ea a a a E A tere serra attr ae 12 22 0 HE 13 221 Die NIC Ps d s OR FEU S Decks au 13 29 DE ee RE 14 2531 Sa Ee et 14 2 3 2 Das Prinzip der Kell Streilen Anode ie 14 2393 BEE Ee E 16 234 JEE Ee 17 23 9 Andere EE 18 24 Auslese Rlekronk essen ee enge 20 241 Z r Iheori amp derOperausnsverst rker ek ea ea 20 242 Ee EE EE 20 24 3 Digitaler ee 23 244 eeh 24 2 5 Eigenschaften der Detektorelektr nik a un2ene ae en a 25 Ge E TE Ee E DEE 25 232 Eeer 25 23 3 U DErsprechenssue oie cia
25. Import Schnappschuss Setup die Option Bereich ausw hlen Verschieben Sie anschlie end die Linse um 2 mm und notieren Sie jeweils die Linsenposition auf der optischen Bank am besten an der der Lampe zugewandten Seite des Reiters Integrieren Sie f r die gleiche Zeit wie zuvor und erzeugen Sie wieder einen Schnappschuss vom gleichen Ausschnitt Vergleichen Sie die Ausschnitte und beurteilen Sie in welche Richtung Sie die Linse weiter verschieben m ssen Wiederholen Sie dies bis Sie die optimale Position gefunden haben Verfahren Sie genau so f r die Linsenposition in Detektorn he Stellen Sie dabei eine Rate von 3000 s ein Bestimmen Sie den Abstand der beiden Reiterpositionen auf der optischen Bank Dies ist Ihr Wert d Bestimmen Sie au erdem die Brennweite f r sichtbares Licht durch Abbildung eines sehr weit entfernten Gegenstandes auf einen Schirm Aufgabe 16 Berechnen Sie die Brennweite der Linse f r eine Wellenl nge von 254 nm nach Gl 4 1 Vergleichen Sie diesen Wert mit der gemessenen Brennweite f r sichtbares Licht Woher kommt der Unterschied 4 11 Totzeit und Effizienz Stellen Sie durch Verschieben des Kondensors eine Z hlrate Total Pulses von 100 000 s ein Der Druck darf dabei nicht ber 1 2 10 mbar ansteigen sonst schaltet die Druck berwachung die Hochspannung aus Regeln Sie gegebenenfalls die Verst rkung auf etwa 2 0 V ein bzw reduzieren Sie den HV3 Wert um 20V Noperen Sie die Z
26. Kapazitat Ce auf die R ckkoppelkapa zit t Cr verschoben wird ohne Ua Entladewiderstand Rp mit a wl u Zeit MCP Impulse Ladungsverst rker Impulse Abb 2 23 Prinzip der Ladungsverst rkung Die eintreffenden MCP Impulse erzeugen am Ausgang der Integra torstufe die Spannung U die mit jedem eintreffenden Impuls sprunghaft ansteigt Ohne den R ck koppelwiderstand Rr der den Kondensator Co wieder entl dt w rde sich eine st ndig ansteigende Ausgangsspannung ergeben bis die Maximalspannung erreicht ist Mit dem Entladewiderstand ergibt sich ein s gezahnartiger Verlauf der lineare Abfall ist der Beginn einer exponentiellen Entladekurve Die Information ber die Ladungsmenge steckt dabei in den Spannungsspr ngen Um diese Infor mation besser verarbeiten zu k nnen wird eine Filterstufe eingebaut welche aus den Spannungs spr ngen die unten gezeigten bipolaren Impulse erzeugt siehe auch Abb 2 24 Die eingeflossenen Ladungsmengen entsprechen nun den Maximumswerten der bipolaren Impulse 22 Versuch MCP Detektoren Abb 2 24 Ausgangsimpulsform nach der Filterstufe Maximum nach 1 1 us Nulldurchgang bei 2 3 us Dargestellte Zeitspanne 10 us Abb 2 25 Blick auf die Ladungsverstarker des ORFEUS Detektors Aufgabe 5 Bestimmen Sie aus Gl 2 2 die Formel fiir die Ladungsverstdrkung der Eingangsstufe 1 Operationsverstdr ker des Ladungsverst rkers aus Abb 2 22 in Volt Coulomb Berechnen Sie di
27. Prinzip einer Keil Streifen Anode mit optimiertem nenwolke vorgegeben Bei dem ORFEUS Detek Design Die aktive Anodenfl che ist eingerahmt tor wird eine Randverzerrung dadurch umgangen dass die aktive Anodenfl che linear etwa 10 gr er dimensioniert wurde als die aktive Breite des De tektorbildfelds Weiter lassen sich die durch die Breite der Elektronenwolke bedingten Bildverzerrungen dadurch minimieren dass die Anodenstrukturen ber den Rand der aktiven Anodenfl che hinaus mit kon stanten Parametern verbreitert werden Abb 2 14 Aufgabe 3 F r gute Abbildungseigenschaften des Detektors ist es wichtig die Kapazit t der 4 Elektroden untereinander m glichst klein zu halten Weshalb ist ein Quarz Substrat f r die Anode einem normalen Glas Substrat vorzuziehen Verwendet wurde Quarz der Marke Suprasil 2 3 3 Alternative Anodendesigns Ein Nachteil des Anodendesigns ist dass auf der Anodenoberfl che Kontakte zur berbr ckung von Leiterbahnen angebracht werden m ssen Bei den von uns produzierten Anoden wurde dies durch das aus E x ee S ER A E g 7 g is E g KR 4 y u 3 D z x s LC po 1 u er e N b 8 E A8 Zeep RW M Abb 2 16 Abb 2 15 Prinzip einer 3 Elektroden Keil Streifen Anode Keil Streifen Anode aus einem optischen MCP De Koordinaten Berechnung tektor Sichtbar sind die Bonddrahte mit denen die x 20 xen EQ Keile mit ihrer Sammelelektrode verbunden sind
28. Zeilen werden soweit aufgef llt wie die Messwerte reichen Es handelt sich um folgende Spalten e serade Pixel Hier wird eine Gerade berechnet die als Referenz f r die Messwerte dienen soll Durch Differenzbildung lassen sich Abweichungen der Messwerte von einer Geraden einfacher er kennen Die beiden Geraden Parameter Steigung und Randwert werden automatisch m die Zellen B2 und B3 eingetragen Sie k nnen die Werte auch probehalber ver ndern und sp ter mit der Schaltfl che Gerade bestimmen wieder berechnen lassen Lassen Sie sich dazu auch das Blatt Diagramm 2 anzeigen e Differenz Messung Gerade Hier wird die Differenz zwischen den Messwerten und der berechneten Geraden eingetragen Diese Spalte wird im Diagramm unter der Bezeichnung Messung dargestellt Falls Sie die Geraden Parameter ndern sollten Sie sie so w hlen dass sich f r die Messwerte im Diagramm eine symmetrische Kurve ergibt siehe Abb 4 4 Die Kurve wird im Blatt Diagramm 1 dargestellt Sie sollen nun anhand der beiden Parameter f r bersprechen b siehe Kap 2 5 3 S 27 und Verst r kungsunterschied a siehe Kap 2 5 3 S 27 eine theoretische Eichkurve erzeugen und dabei die Para meter so anpassen dass sie m glichst gut zu Ihrer Messung passen Parameter b bersprechen wirkt sich auf die Steigung der theoretischen Kurve aus w hrend Parameter a Verst rkungsunterschied die Kr mmung der theoretischen Kurve bestimmt Da der Nullpunkt der wahr
29. aler Positions Analysator Der Digitale Positions Analysator DPA enth lt alle wichtigen Bedienungselemente f r d e Detektor elektronik siehe auch Kap 2 4 3 S 23 Dies sind Abb 3 3 e Impulsz hler mit Z hldauer Umschalter 1 s 10 s und W hlschalter f r Impulsart e Umschalter f r die Auswahl der zu z hlenden Impulse O Total Pulses gez hlt wer den Z hlraten Anzeige Teilbild Auswahl Integrationszeit alle Impulse Die Trigger Digital Position Ana yzer schwelle ist auf einen positiven Z hldauer 1s 10s Wert eingestellt der etwas ber dem Rauschen liegt watt schalter Auswahl der zu o Active Pulses gez hlt werden Wiele Inegrelionn nur die Impulse die von der oe Elektronik bearbeitet werden Netz W hrend einer Integration sind Schalter das nur die Impulse die auch zum Computer bertragen Ausgang Anschl sse Power Verbindungs Beenden Analog f r f r abe der werden Impulse Speicher Hochspannung zum Integration Bildschirm Detektor o Lower Discriminator Thresh old Es werden alle Impulse Abb 3 3 gez hlt die die untere Dis Die wichtigsten Bedienelemente des DPA vergl auch Abb kriminatorschwelle ansprechen 2 27 o Upper Discriminator Thresh old Es werden alle Impulse gez hlt die die obere Diskriminatorschwelle ansprechen e Ausgang der Analogimpulse f r Oszillografenanschluss e 3 Anschl sse f r den Speicherbildschirm zur Echtzeitdarstell
30. ang der Dispersionsrichtung der Echelle Spektren verlief Auch dazu gab es eine theoretische Formel deren Pa rameter ebenfalls angepasst werden mussten Diese Anpassung wurde nat rlich nicht von Hand vorge nommen sondern durch ein Programm Dazu wurden aus den Spektren der ORFEUS II Mission 814 schmale interstellare Absorptionslinien identifiziert und in der Anpassung schlie lich 7 Eichparameter f r die Wellenl ngenkalibration bestimmt Barnstedt et al 1999 F r die ORFEUS Spektren wurde also zu jedem X Pixelwert der zugeh rige Wellenl ngenwert bestimmt eine Umverteilung auf neue Spektralpixel war nicht notwendig Wird der Detektor jedoch tats chlich f r die Aufzeichnung von Bildern verwendet kann es notwendig werden Bilder zu entzerren d h n ein korrigiertes unverzerrtes Bild umzurechnen Dazu muss man die Umkehrfunktion der oben durchgef hrten Rechenschritte ausf hren Man muss also zu jedem Pixel im gemessenen Bild die originale Position in Pixeleinheiten bestimmen Tats chlich reicht es aber nicht aus einem gemessenen Pixel eine neue Pixelposition zuzuweisen vielmehr muss man dies f r die Eckpunkte eines Pixels berechnen und das gemessene Pixel auf das neue F Praktikum Astronomie und Astrophysik 03 Pixelraster projizieren Dabei sind die Intensit tswerte des Pixels anteilsm ig auf die Pixel des neuen Rasters zu verteilen Auf diese Weise werden auch die durch lokale Bildstauchungen oder dehnungen verursacht
31. ange gelagert werden ohne dass sich an den Eigenschaften etwas ndert Das Druckmessger t im Rack misst den Druck direkt an der Pumpe Der Druck wird in Millibar hPa angezeigt Der Druck im Detektorgeh use st um rund einen Faktor 100 schlechter da der Pumpquer schnitt durch den Schlauch und das Ventil sehr klein ist Bei unbeleuchtetem Detektor betr gt der ange zeigte Druck etwa 5 10 mbar Die Hochspannung darf nur eingeschaltet werden solange der Druck kleiner als 1 10 mbar ist Bei Inbetriebnahme des Detektors steigt der Druck zun chst etwas an Das liegt daran dass sich alle in einem Vakuum befindlichen Oberfl chen mit Restgasen belegen entsprechend dem aktuellen Druck in dem Vakuumbeh lter insbesondere also auch die W nde der MCP Kan le Unter Elektronenbeschuss 34 Versuch MCP Detektoren l sen sich die Restgase von den W nden die dadurch gereinigt werden Durch dieses Ausgasen steigt der Druck im Detektorgeh use zun chst an bis die W nde wieder sauber sind Aufgabe 7 Berechnen Sie die Gesamtoberfl che aller Kanalw nde einer ORFEUS MCP mit einer Dicke von I mm siehe Kap 2 2 7 S 13 3 2 Optische Bank Die optische Bank Abb 3 2 besteht aus folgenden optischen Komponenten e Quecksilber Lampe Die Lampe strahlt eine Linie bei 254 nm ab f r die der Detektor noch hinreichend empfindlich ist Vor der Lampe ist eine UV Streuscheibe angebracht die f r eine gleichm ige Winkelver
32. ch f r ionisierende Strahlung mit einer Eindringtiefe zwi CP Cross Section Primary Event schen Inm und 20 nm Dazu geh ren UV und R ntgen strahlung sowie Elektronen und Ionen Bei UV Strahlung Reduced Layer 15 to 30 microns liegt die Grenze etwa bei einer Wellenl nge von 150 nm rund 8 eV f r Photonen geringerer Energie f llt die Empfindlich Primary keit rapide ab Bei R ntgenstrahlung liegt die hochenergeti sche Grenze bei etwa 0 1 nm 12 400 eV Hochenerge tischere R ntgenphotonen dringen tiefer als 20 nm ein und l sen daher kaum noch Photoelektronen aus Abb 2 11 1500 3000 Conducting Layer Die Eigenschaft dass MCPs nicht f r sichtbares Licht emp findlich sind bezeichnet man als solar blind Dies ist f r UV oder R ntgen Detektoren in der Raumfahrt eine sehr wesent Abb 2 10 Detail der Oberfl che eines MCP Kanals Quelle Galileo Electro Optics Optik der Instrumente vorhanden Dabei ist der Photonen Corporation Buffer Layer liche Eigenschaft Sonnenlicht ist h ufig als Streulicht in der strom des Streulichts in der Regel um viele Gr enordnungen h her als der der zu messenden Strahlung Somit ist die Streulichtunterdr ckung ebenso wie die Eigen schaft der Detektoren solar blind zu sein eine wesentliche Voraussetzung um schwache UV oder R nt genstrahlung von anderen Himmelsquellen nachweisen zu k nnen Se hit 20 k Q oO oO mm RR RR
33. ctor Performance ESA SP 356 1992 269 274 Fraser G W X Ray Detectors in Astronomy Cambridge University Press 1989 Kapitel 3 Microchannel Plates S 116 Grewing M Appenzeller I Barnstedt J Bowyer S Hurwitz M Kr mer G Kappelmann N Krautter J Mandel H ORFEUS ESA SP 413 1998 757 762 Hamamatsu Photonics K K Characteristics and Applications of Microchannel Plates Technical Manual RES 0795 Hurwitz M Bowyer S ORFEUS focal plane instrumentation The Berkeley spectrometer ESA SP 281 Vol 2 1988 329 331 Knapp G Crossed grid anode and its image partitioning Rev Sci Instrum 49 1978 982 987 Kr mer G Eberhard N Grewing M Gringel W Haas C Kaelble A Kappelmann N Petrik J Riegger J ORFEUS A Im EUV FUV telescope on the space platform ASTROSPAS ESA SP 281 Vol 2 1988 333 336 F Praktikum Astronomie und Astrophysik gt gt Lampton M and Carlson C W Low distortion resistive anodes for two dimensional position sensitive MCP systems Rev Sci Instrum 50 1979 1093 1097 Lampton M Siegmund O and Raffant R Delay line anodes for microchannel plate spectrometers Rev Sci Instrum 58 1987 2298 2305 Martin C Jelinsky P Lampton M Malina R F Anger H O Wedge and strip anodes for centroid finding position sensitive photon and particle detectors Rev Sci Instrum 52 1981 1067 1074 Siegmund O H W Gummin M A Stock J and Mars
34. den 2 2 3 MCP Konfigurationen Es gibt auch MCPs mit gebogenen Kan len Curved Channel MCP d e eine h here Verst rkung als nor male MCPs erm glichen ohne dass ein Ionenfeedback auftritt blicherweise aber benutzt man mehrere MCPs hintereinander um eine h here Verst rkung zu erreichen Dabei sind die Kan le der MCPs gegen die Oberfl chennormale geneigt 8 15 und die Kan le der hintereinander liegenden MCPs sind entgegenge Konfiguration Max Verstar Impulsh hen Spannung kung verteilung Einzel MCP 1000 V 10 10 exp abfallend RI N Lo NITIA ULI Curved Channel 2400V 10 10 50 FWHM tack Assembly Chevron Konf 2000 V 10 10 120 FWHM Abb 2 7 Z Konfiguration 3000V 107 10 80 FWHM MCP Konfigurationen Quelle Galileo Electro Optics Corporation Tabelle 2 1 Eigenschaften der MCP Konfigurationen Quelle Galileo Electro Optics Corporation i S Chevron Assembly F Praktikum Astronomie und Astrophysik 11 setzt geneigt Bei 2 MCPs spricht man dann von einer Chevron Konfiguration und bei 3 MCPs von einer Z Konfiguration Abb 2 7 Durch die gewinkelte Anordnung der Kan le wird das Ionenfeedback wirksam verhindert Aufgabe 1 Nennen Sie zwei Gr nde daf r dass MCPs nur unter Vakuum betrieben werden k nnen Was w rde passieren wenn man eine MCP unter Atmosph rendruck zu betreiben versucht 2 2 4 Verst rkung und Impulsh
35. den auf die beiden Eing nge eines Komparators gegeben Die obere Spannungsimpulse zur weiteren Auswertung an P este Kurve zeigt das Ausgangssignal des Komparators die Auswerte Elektronik bertragen W hrend der ORFEUS Mission bestand diese Auswerte Elektronik sowohl aus der zur Ortsbestimmung notwendigen Elektronik als auch aus einem Bordrechner zur Datenerfassung Sowohl Elektronik als auch Bordrechner wurden von unserem Institut entwickelt und gebaut In Abb 1 1 befindet sich diese Elektronik unter dem schwarzen Rechteck auf der linken Seite unter der Ausbuchtung des Echelle Spektrometers F r diesen Versuch verwenden wir die urspr nglich f r den optischen Detektor gebaute Auswerte Elek tronik den Digitalen Positions Analysator Diese Elektronik erf llt folgende Aufgaben e Erkennen der Impulse e Digitalisierung der Maximumwerte der Spannungsimpulse X X2 Y Y2 mit 12 Bit Genauigkeit e Bestimmung der Summen X Y e Berechnung der Ortsposition X X X Y Y X Y mit 12 Bit Genauigkeit e Berechnung der Impulsh he Z X Y e Erfassung der Zeit zu jedem Ereignis e bertragung der Daten zum Computer Zur Steuerung der Impulsverarbeitung Digital Position Analyzer Pulse Counter Display vied integration Time Display Off amp On Reset st wird eine Steuerelektronik verwendet die als Eingangssignal die Summe der vier Ladungsverst rkerimpulse ver wendet Wichtigste Aufgabe ist d
36. diese Offsetspannung auf Null einstellen lassen sollte Wie macht sich ein solcher Offsetfehler im Bild bemerkbar Nehmen wir an dass auf dem zweiten Signal eine konstante Offsetspannung auftritt die einer Offset Ladung Oe entsprechen w rde Es ergibt sich also mit U v Q und U v Q2 Qorr f r die berechnete Position x x U Q Se Or TE u S 2 15 U U Q 0 0 Ge Mit den gleichen Definitionen f r x und Q wie in den vorigen Kapiteln l sst sich dies umformen zu IMN l Q Da a oo 2 16 Qor O O07 Da gelten soll dass Qot Q l sst sich der erste Bruch bis zum ersten Glied in eine Reihe entwickeln und im zweiten Bruch Oe gegen Q vernachl ssigen Qoy n Qoy Mg 1 A Alt 2 17 Q Betrachtung der Randf lle x 0 x Ql Q sel AO Sd W hrend sich am rechten Rand x 1 keine nderung ergibt erh lt man am linken Rand x 0 eine Verschiebung des Bildpunkts um Qos Q also eine nderung die auch von der Gesamtladung abh ngt Die Verschiebung ist daher f r kleine Impulse am st rksten Diese Verschiebung tritt auf der Bildseite 30 Versuch MCP Detektoren auf an dem das vom Offsetfehler betroffene Signal hier Q2 klein ist weil dann der relative Fehler Of Q2 besonders gro ist 2 5 6 Totzeit Der elektronische Effekt der Totzeit wirkt s ch auf die Effizienz des Detektors aus Unter Totzeit versteht man die Zeitspannen w hrend der die Elektronik nicht n der Lage ist Impulse zu vera
37. e Ladung eingespeist so kann aus der Differenz der Ankunftszeiten an den beiden Enden der Leitung di rekt die Stelle der Einspeisung bestimmt werden Die Genauigkeit der Ortsbestimmung h ngt dabei nur von der charakteristischen Laufzeit des Signals und von der Genauigkeit der Zeitmessung ab nicht aber von der L nge der Signalleitung Die Double Delay Line Anode wurde vom Space Sciences Laboratory der Universit t Berkeley in Kali fornien entwickelt Sie erm glicht eine 2 dimensionale Ortsaufl sung wobei in einer Richtung das Delay Line Prinzip verwendet wird und in der anderen Richtung das Prinzip einer Keil Anode Das hat den Vorteil einer einfachen planaren Anodengeometrie es werden also keine berkreuzenden Strukturen be n tigt wie beim MAMA Detektor und bietet in einer Richtung die hohe Ortsaufl sung der Delay Line Abb 2 21 zeigt das Layout dieser Anode Die Y Richtung wird durch Keilpaare kodiert so wie bei der Keil Streifen Anode Die Enden der Keile sind jedoch durch RC Glieder miteinander verbunden Diese RC Glieder sind als m anderf rmige Leitungen direkt auf dem Anodensubstrat aufgebracht Es gibt also zwei Delay Lines jeweils eine f r die oberen und die unteren Keile Kritisch ist hier nat rlich dass die charakteristische Laufzeit der beiden Delay Lines exakt aufeinander abgestimmt sein muss Vorteilhaft werden solche Detektoren dort eingesetzt wo es nicht direkt auf die Registrierung richtiger Bilder ankommt
38. e e Optische Bank e Rack mit DPA Speicherbildschirm Druckmessger t und Oszillograph e Computer 3 1 Detektor mit Hochspannungsversorgung und Vakuumpumpe Abb 3 1 zeigt den Detektor mit der Hochspan nungsversorgung Links befindet sich der Vakuum Up anschluss der zur Vakuumpumpe f hrt Diese ist me ri unter dem Tisch untergebracht Das am Detektor be ei f e as g ij a 3 ig Rf H Vi Le vl te A TT a cs Za en i s Fr gt 19 2 T d findliche Vakuumventil muss stets ganz ge ffnet sein d h die Bet tigungsschraube muss vollst ndig roi ce Say mm AO N H D D e e er 5 herausgedreht sein Dies ist vor dem Einschalten Eis D D ee eo de Q i der Hochspannung unbedingt zu berpr fen VA Da das Abpumpen des Detektors relativ lange dau ert sollte die Vakuumpumpe st ndig in Betrieb sein und der Detektor sich daher immer unter Vakuum befinden ch eh e S Muss die Vakuumpumpe einmal abgestellt werden ist der Pumpstand komplett mit Argon zu f llen Erst bei Erreichen eines leichten Uberdrucks ist das Detektor Ventil zu schlie en Dadurch wird verhin dert dass der Detektor sich durch die immer vor Abb 3 1 handenen kleinen Mikrolecks allm hlich mit Luft Detektor mit Hochspannungsversorgung und f llt Die Luftfeuchtigkeit w rde die KBr Photoka SES thode mit der Zeit zerst ren Unter einer reinen Argon Atmosph re kann der Detektor sehr l
39. e Ausgangsspannung dieser Integratorstufe f r eine R ckkoppelkapazit t von Cr 3 pF bei einer auftreffenden Ladung von 10 Elektronen Die Eingangsstufe hei t Integrator weil die Ausgangsspannung proportional zum zeitlichen Integral der einflie enden Str me ist Anders ausgedr ckt ist die Ausgangsspannung proportional zur Summe der auftreffenden Ladungen Ohne weitere Ma nahmen w rde also die Ausgangsspannung immer weiter ansteigen je mehr Ladungsimpulse eintreffen Die Ausgangsspannung w rde also sehr schnell an die durch die Versorgungsspannung gesetzten Grenzen sto en Abb 2 23 Um dies zu verhindern muss die R ckkoppelkapazi t t langsam entladen und damit die Ausgangsspannung wieder auf O V gebracht werden Das ist die Aufgabe des R ckkoppelwiderstands Rpg Rr ist so gro zu dimensionieren dass sich U in der Zeit die die Elektronik zur Registrierung eines Impulses ben tigt praktisch nicht ver ndert Andererseits muss Rx so klein sein dass die Spannung U bei den h chsten zu erwartenden Impulsraten nicht an den Anschlag laufen kann Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung U sieht also so aus dass bei einem eintreffenden Ladungsimpuls ein Spannungssprung stattfindet dem ein exponentieller Abfall folgt Je nach Zeitdauer bis zum n chsten eintreffenden Impuls wird die Spannung noch nicht bis auf UN abgefallen sein Die f r die Registrierung eines Impulses ben tigte Information steckt also in einem Spannungssprun
40. e der Computeranzeige Mittelwerte der Messungen vor und nach der Integration bilden f r Verst rkung und Breite von den grafisch ermittelten Werten Wie bestimmt der Computer die Werte f r Verst rkung und Breite 4 8 Ausgasen Stellen Sie im Programm HV Kontrolle unter Einstellungen die Aktualisierungsrate f r die Protokoll eintr ge auf 5 s Starten Sie die Verst rkungsanzeige regeln Sie HV3 bis zur Verst rkung von 3 V nach falls notwendig Lassen Sie die Verst rkungsanzeige f r diese Messung eingeschaltet damit die Werte automatisch in das Protokoll bernommen werden Schieben Sie den Kondensor langsam in Richtung Lampe bis sich eine Z hlrate Total Pulses von 50 000 s ergibt Stellen Sie nach 5 Minuten wieder eine Z hlrate von 10 000 s ein und warten Sie nochmals 5 Minuten in der Zwischenzeit k nnen Sie sich bereits mit Aufgabe 14 befassen Stellen Sie anschlie end die Aktualisierungsrate wieder auf 60 s und beenden Sie die Verst rkungsanzeige 46 Versuch MCP Detektoren Rufen Sie die Excel Datei Protokoll ve auf und starten Sie das Makro Protokolllmport Damit werden die aktuellen Protokolldaten des Programms HV Kontrolle eingelesen Die vorbereiteten Grafiken werden automatisch aktualisiert Aufgabe 13 Stellen Sie den Verlauf der Verst rkung und des Drucks grafisch dar und drucken Sie die Grafik aus Erl utern Sie das Ergebnis Warum steigt der Druck an Warum f llt die Verst rkung ab Was passiert
41. e die vom Umgebungslicht erzeugte Z hlrate in Counts s an Sch tzen Sie aus Abb 4 1 einen sinnvoll gemittelten Wert f r das Photometrische Strahlungsdquivalent unter unseren Lichtbedingungen Legen Sie au erdem eine sinnvolle mittlere Wellenl nge des Umgebungslichts fest Berechnen Sie mit diesen beiden Werten die Anzahl der pro Sekunde auf den Detektor auftreffenden Photonen Berechnen Sie daraus die mittlere Empfindlichkeit Quantenausbeute des Detektors f r sichtbares Licht Wie viele Impulse w rde ein 1 mW He Ne Laser also auf einem Detektor mit dieser Empfindlichkeit sch tzungsweise erzeugen wenn die Empfindlichkeit nicht wellenl ngenabh ngig w re Lichtgr en Zusammenhang KI Im W 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Wellenl nge nm Photometrisches Strahlungsaquivalent KO Im W Hellempfindlichkeitsgrad V I Abb 4 1 Zusammenhang zwischen photometrischen und physikalischen Lichtgr en Quelle http www reitmayer de phligroe html veraltet siehe auch Heinrich Reitmayer Dissertation TU Miinchen 2000 F Praktikum Astronomie und Astrophysik 49 4 7 Impulshohenverteilung 4 7 1 Vollbild Schalten Sie die Lampe wieder ein und starten Sie die Verst rkungsanzeige des Programms HV Kontrolle Regeln Sie HV3 so ein dass die Verst rkungsanzeige wieder bei 3 0 V liegt Notieren Sie die angezeigten Werte f r Verst rkung und Breite jeweils vor und nach der Impulsh henintegration
42. echneten Werten sind die verwendete Formel alle Ausgangswerte und alle verwendeten Konstanten mit Einheiten anzugeben Der Ansatz bzw Rechenweg sollte sofern nicht ganz offensichtlich kurz mit Worten beschrieben werden 4 Bei berechneten Werten sind grunds tzlich nur so viele Dezimalstellen anzugeben wie es der Messge nauigkeit entspricht Bei 1 Messgenauigkeit ist ein berechneter Wert nicht als 12 34567 sondern als 12 3 anzugeben entsprechend aber auch ein Wert von z B 23 als 23 0 5 Bei der Auswertung von Grafiken sind die zur Auswertung benutzten Hilfslinien einzuzeichnen Die Ablesewerte in der Regel in Zentimeter sind anzugeben zusammen mit einem Eichfaktor der aus der Grafik bestimmt wird 6 Die n Excel Dateien bestimmten Parameter sind explizit im Protokoll aufzuf hren 7 Die w hrend des Versuchs ausgedruckten Grafiken sind zu beschriften und dem Protokoll als Anhang anzuheften Ebenso die w hrend der Versuchsdurchf hrung angefertigten Aufzeichnungen 8 Die Ergebnisse sollten in Textform ganze S tze dargestellt werden 9 Im Text sollte auf Tabellen und Abbildungen verwiesen werden Tabellen haben berschriften Abbildungen haben Unterschriften 10 Vor Abgabe des Protokolls sollte es von den anderen Gruppenmitgliedern gelesen und ggf korrigiert werden 11 Es ist sehr hilfreich wenn die Protokolle m glichst zeitnah zur Versuchsdurchf hrung angefertigt werden 12 Die Original Aufzeichnungen sind
43. eckigen Symbole stellen Operationsverst rker dar Diese Operationsver st rker sind Standardbausteine der Elektronik Es gibt sie in zahllosen Ausf hrungen mit optimierten Eigenschaften f r die unterschiedlichsten Anwendungen Die Theorie dieser Operationsverst rker ist jedoch sehr einfach Sie besitzen zwei Eing nge und einen Ausgang Die beiden Eing nge sind mit eine Plus und einem Mi 66 nus Symbol gekennzeichnet nichtinvertierender Eingang invertierender Eingang Der Aus gang ist die rechte Spitze des Dreiecks Die theoretische Funktion der Operationsverst rker ist folgende Sie verst rken die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eing ngen mit einem Faktor unendlich in der Praxis sind es sehr gro e Verst rkungsfaktoren Das f hrt zu einer einfachen Schlussfolgerung Ein sinnvolles Signal kann am Ausgang der Operationsverst rker nur dann anliegen wenn die Spannungsdif ferenz der beiden Eing nge Null ist d h wenn die beiden Eing nge auf dem gleichen Potential liegen Aus diesem Grund werden Operationsverst rker in der Regel so beschaltet dass es eine R ckkopplung vom Ausgang auf den invertierenden Eingang gibt so dass eine nderung an der Eingangsspannung wieder kompensiert wird In einer h ufig Integrator RR Filter verwendeten DBeschaltung wird der nichtinvertierende Eingang direkt auf Masse gelegt Nullpotential Dadurch muss sich der invertierende Eingang so verhalten das
44. einloggen e Programm HV Kontrolle starten e Spannungsversorgung fiir die Hochspannungseinheit Schalter am DPA Abb 3 3 einschalten e Oszillograf Ger t ganz unten einschalten Drehknopf ganz links unten e Speicherbildschirm Ger t ganz oben einschalten Taste unten rechts herausziehen Taste STORE nicht gedriickt falls Lichtpunkt sichtbar Intensit t niedriger stellen e Klicken Sie im Programm HV Kontrolle unter berstrom auf Zur cksetzen e Rufen Sie im Programm HV Kontrolle den Men punkt Protokolldatei l schen auf um eine neue Protokolldatei zu beginnen Stellen Sie unter Einstellungen im Kasten Protokoll Einstellungen die Aktualisierungsrate auf 60 s 4 3 Testimpulse Zu Beginn f hren wir einen Checkout der Elektronik durch Rufen Sie dazu im Programm HV Kontrolle den Men punkt Testimpulse auf und starten Sie die Testimpulse Auf dem Oszillografen sollten Sie die Testimpulse erkennen die im Sekundentakt die Gr e ndern Auf dem Speicherbildschirm sollte der Testimpuls alle 3 Sekunden von einer Ecke in die gegen berliegende wechseln Messen Sie auf dem Oszillografen die Impulsh he Wert des Maximums indem Sie in dem Fenster Testimpulse nur einen ausw hlen Achten Sie darauf dass die Feinregler f r die VOLT DIV Einstellung in der Stellung Cal eingerastet sind Notieren Sie die Werte f r alle 6 Testimpulstypen Stoppen und schlie en Sie die Testimpulse und rufen Sie den Men punkt Testimpuls Anzeige au
45. em bei dem die Dauer der Analogimpulse gegen ber der Dauer der Analog Digital Wandlung zu vernachl ssi gen ist Impulse die w hrend der Dauer der Analog Digital Wandlung eintr fen w rden diese nicht st ren in der Regel wird die Analogspannung in Abtast Halte Gliedern zwischengespeichert Die in dem Zeitraum der AD Wandlung eintreffenden Impulse w rden ignoriert aber nach Beendigung der AD Wandlung k nnten neue Impulse wieder verarbeitet werden Bei diesem Totzeitverhalten geht die maxi mal erreichbare Ausgangsrate gegen einen konstanten Wert Has 1 T Bei dem ORFEUS Detektor aber sind die Analog Impulse das langsamste Glied der Signalverarbeitungs kette Daher muss eine Optimierung der Elektronik f r zuk nftige Projekte darauf abzielen die Ladungs verst rker mit einer schnelleren Elektronik zu versehen Zahl Effizienz f r eine Totzeit von 13 us 30 000 a BEEESE W u _ Ge 25 000 100 a 20 000 80 za Lem e 2 a 15 000 60 5 Oo N EC y O hr 2 10 000 40 lt 5 000 20 0 0 0 25 000 50 000 75 000 100 000 125 000 150 000 175 000 200 000 225 000 250 000 Eingangsrate N S Ausgangsrate N Effizienz Abb 2 29 Ausgangsrate und Effizienz f r eine Totzeit von t 13 us in Abh ngigkeit von Eingangsrate F Praktikum Astronomie und Astrophysik 33 3 Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau besteht aus vier Komponenten e Detektor mit Hochspannungsversorgung und Vakuumpump
46. en Helligkeits nderungen behoben Aufgabe 19 Geben Sie die Formel zur Berechnung eines korrigierten Bildes an Ausgehend vom x Wert Pixelnummer im gemessenen Bild soll die Formel den entsprechenden x Wert in Pixeleinheiten f r das korrigierte Bild liefern Es handelt sich dabei um die Umkehrfunktion der in den Excel Spalten Verst rkungsdifferenz und bersprechen verwendeten Formeln gem den Gleichungen 2 10 und 2 12 4 13 Hinweise zur Anfertigung des Protokolls Folgende Angaben sollten am Anfang des Protokolls enthalten sein e Datum e Versuchsbezeichnung e Gruppennummer e Namen Protokollautor unterstrichen Die einzelnen Abschnitte des Protokolls sollten nach den Kapitelnummern der Versuchsdurchf hrung bzw nach den Aufgabennummern unterteilt sein Folgende Punkte sind bei der Aufzeichnung von Messwerten und der Ausf hrung von Berechnungen zu ber cksichtigen 1 Bei Messwerten sind grunds tzlich die abgelesenen Werte anzugeben also z B beim Oszillografen die Ablesewerte n Skalenteilen ggf zusammen mit den entsprechenden Einstellungen des Messinstruments z B Empfindlichkeitseinstellung des Oszillographen in V DIV In einer zweiten Spalte sind dann die daraus bestimmten Messwerte in der gew nschten Einheit anzugeben Spannung in V im obigen Beispiel 2 Bei allen Messwerten ebenso wie bei allen berechneten Werten sind grunds tzlich die Einheiten mit anzugeben bei Tabellen im Spaltenkopf 3 Bei ber
47. en Position willk rlich gew hlt ist m ssen wir noch einen weiteren Parameter vorsehen die Nullpunktsverschiebung Die folgenden Spalten berechnen die theoretischen Werte vollziehen Sie Formeln im Excelblatt am Bildschirm nach e Theorie bersprechen Diese Spalte enth lt die Formel aus Gleichung 2 10 Da das x in dieser Formel ein normierter Wert zwischen O und ist m ssen wir unsere wahre Position auf die aktive Anodenbreite von 44 mm beziehen In der Excel Formel wird daher die wahre Position um die Null punktsverschiebung korrigiert und dann durch 44 dividiert Um die Formel bersichtlicher zu halten wurden die Ausdr cke 1 b und 1 in den Zellen D5 und F5 berechnet e Theorie Verst rkungsdifferenz Diese Spalte enth lt die Formel aus Gleichung 2 12 Als Eingangswert x wird das Ergebnis der vorigen Berechnung aus Spalte F verwendet welches bereits in normierter Form vorliegt Um das Ergebnis aber mit unseren Pixelwerten vergleichbar zu machen m ssen wir das normierte Ergebnis x mit unserem Maximalwert 1023 multiplizieren e Theorie Gerade Diese Spalte entspricht den Werten Messung Gerade und wird ebenfalls im Diagramm dargestellt Die Parameter f r Verst rkungsdifferenz bersprechen und Nullpunkt sind so zu w hlen dass die beiden Kurven bestm glich zur Deckung kommen Um die G te der Anpas sung besser beurteilen zu k nnen zeigt die n chsten Spalte die Differenz zu den Messwerten e Messung Theorie
48. enerfassung erfolgt mit einem PC unter Windows 2000 Dieser PC verf gt ber 2 Interfaces ein Vielzweck Interface mit analogen und digitalen Ein und Ausg ngen zur Steuerung des Detektors und der Hochspannung und ein schnelles 32 Bit Parallel Interface zur Erfassung der Detektordaten Es ist Soft ware vorhanden zur Steuerung der Hochspannung und der Testimpulse sowie zur Datenerfassung Bei der Datenerfassung stehen verschiedene Modi zur Verf gung e Bildintegration X Y Erfassung der Koordinaten mit 10 Bit Bildgr e 1024 x 1024 Pixel e Integration einer Impulsh henverteilung Z e Bildintegration mit Verst rkungsbild X Y Z e Serielle Aufzeichnung aller Ereignisse einschlie lich der Zeitinformation f r jedes Photon mit bis zu Mikrosekunden Genauigkeit X Y Z T F r die Programme sind separate Bedienungsanleitungen vorhanden F Praktikum Astronomie und Astrophysik es 2 5 Eigenschaften der Detektorelektronik Dieses Kapitel behandelt die Eigenschaften der Abbildung des Detektorsystems die durch die Elektronik bedingt sind Dazu geh ren das Rauschen der Ladungsverst rker ungleichm ige Verst rkungsfaktoren der vier Ladungsverst rker und das kapazitive bersprechen zwischen den vier Anoden Elektroden 2 5 1 Rauschen Da der Auftreffort eines Photons pro Achse aus je zwei Ladungsverst rkersignalen berechnet wird geht das Rauschen auf diesen Signalen direkt in die Ortsaufl sung des Detektors ein Das Rauschen l
49. enkt werden Aufgabe 2 Berechnen Sie den Anteil der Kanal ffnungen an der gesamten Fl che der ORFEUS MCPs open area ratio OAR in Prozent 2 3 Die Anode 2 3 1 Einleitung Die Anode befindet sich hinter den MCPs Sie ist die Auff nger Elektrode f r die aus der MCP austreten den Elektronen Aufgabe der Anode ist es die auftreffenden Ladungen so zu kodieren dass daraus die Ortskoordinaten des ausl senden Photons bestimmt werden k nnen Die urspr nglich von H O Anger Martin et al 1981 entwickelte Keil Streifen Anode engl Wedge and Strip Anode WSA beruht auf dem Prinzip der Ladungsteilung so dass aus den registrierten Ladungsverh ltnissen die Ortskoordinaten berechnet werden k nnen Der Abstand zwischen MCP und Anode betr gt etwa 7 mm Zwischen MCP und Anode befindet s ch ein sehr homogenes elektrisches Feld welches die Elektronen auf die Anode beschleunigt Aufgrund des relativ gro en Abstands zwischen MCP und Anode weitet sich de Elektronenwolke auf dem Weg von der MCP zur Anode auf Der Durchmesser der Ladungswolke betr gt beim Auftreffen auf die Anode einige Millimeter 2 3 2 Das Prinzip der Keil Streifen Anode Eine Keil Streifen Anode besteht aus einer auf eine Quarzplatte aufgebrachten Goldschicht in welche eine periodische Struktur aus vier verschiedenen ineinander verschachtelten Elektroden einge tzt ist Zwei Elektroden sind gegenl ufige Keile w hrend die anderen beiden Elektroden aus komplement
50. eobachtet die auf eine Durchstrahlung des Gases mit UV Licht hindeuten Solch hohe Anregungen von H wurden mit ORFEUS zum ersten Mal beobachtet Neben Wasserstoff konnte in den Spektren einiger Objekte auch Deuterium gefunden werden Deuterium wurde beim Urknall erzeugt und sp ter in der Kernfusion in den Sternen verbraucht daher wird im Laufe der Entwicklung des Universums Deuterium immer weniger Mit ORFEUS konnte die H ufigkeit von interstellarem Deuterium in Richtung zweier Sterne bestimmt werden zum ersten Mal aus 5 oder 6 Ab sorptionslinien Damit war eine Bestimmung des interstellaren D H Verh ltnisses m glich Die Werte lagen im Rahmen der bisher bekannten Messungen Aus Spektren der Gro en Magellanschen Wolke konnte eine Untergrenze f r das H CO Verh ltnis be stimmt werden CO ist im Weltall sehr h ufig und kann im Gegensatz zu H auch im Radiobereich be obachtet werden CO kann daher im Weltall sehr gut beobachtet werden und man vermutet dass H ber all da vorhanden ist wo auch CO vorhanden ist Daher ist eine direkte Bestimmung des H2 CO Verhilt nisses wichtig um von den CO Messungen auf die H2 Menge schlie en zu k nnen Durch Beobachtung von Emissionslinien von 5 fach ionisiertem Sauerstoff O VI nur im ORFEUS Wellenl ngenbereich sichtbar in symbiotischen Sternen konnte direkt gezeigt werden dass diese Strah lung ber Raman Streuung Emissionslinien im sichtbaren Spektralbereich erzeugt Die Sauerstoff Emi
51. f Noperen Sie den Z Wert Anzeige in V f r jeden Testimpulstyp Stoppen Sie die Testimpulse und schlie en Sie die Testimpuls Anzeige wieder F Praktikum Astronomie und Astrophysik 43 Aufgabe 9 Tragen Sie Ihre Messwerte und die Z Werte fiir alle Testimpulstypen in eine Tabelle ein Wie gut stimmen Ihre Messwerte mit den Z Werten tiberein Uberlegen Sie wie grof die Ablesegenauigkeit auf dem Oszillographen ist und bilden Sie die Differenzen der Messwerte mit den entsprechenden Z Werten Rufen Sie den Men punkt Testimpuls Check auf und starten Sie ihn Fertigen Sie nach 2 oder mehr Durchl ufen einen Schnappschuss von dem Fenster an Programm PaintShop Pro starten dort auf das Kamera Symbol klicken dann mit der rechten Maustaste auf das Fenster Testimpuls Check klicken zuvor ber den Men punkt Datei Import Schnappschuss Setup den Punkt Fenster ausw hlen Verbinden Sie mit Bananensteckerkabeln das Detektorgeh use mit der Vakuumanlage die normalerweise isoliert mit dem Detektor verbunden ist Beobachten Sie die Werte der Testimpulsbreiten dX und dY Fertigen Sie einen weiteren Schnappschuss an und beenden Sie den Testimpuls Check Aufgabe 10 Drucken Sie die beiden Schnappsch sse f r Ihr Protokoll aus Beschreiben Sie die wesentlichen Unterschiede zwischen beiden Messungen und nennen Sie die Gr nde daf r falls Unterschiede vorhanden Entfernen Sie anschlie end die Verbindung der Bananensteckerkabel
52. g d h in einer extrem kurzen Spannungs nderung am Ausgang der Integratorstufe Eine solche Spannungs nderung innerhalb einer ansonsten langsam exponentiell abfallenden Spannungskurve l sst sich nicht ohne weiteres registrieren Daher wird die anschlie ende Filterstufe ben tigt welche aus jedem einzelnen Spannungssprung einen wohldefinierten Spannungsimpuls formt Abb 2 24 Diese Impulse bieten den Vorteil dass sie ein ausgepr gtes Maximum besitzen proportional zum Spannungssprung und dass sie innerhalb einiger Mikrosekunden wieder einen stabilen Nullpegel erreichen Da es sich um bipolare Im pulse handelt deren Fl chen unter dem positiven und dem negative Teil gleich gro sind k nnen diese Impulse auch kapazitiv bertragen werden ohne dass es zu einer Verschiebung des Nullpegels bei nde F Praktikum Astronomie und Astrophysik 23 rungen der Impulsrate kommt Die kapazitive Einkopplung ist besonders dann wichtig wenn diese Impulse ber gr ere Distanzen bertragen werden sollen Bei bertragung eines Gleichspannungsanteils ber gr ere Distanzen kann es zu einer Spannungsverschiebung aufgrund von nicht zu vernachl ssigenden Leitungswiderst nden in den Versorgungs leitungen kommen 2 4 3 Digitaler Positions Analysator Abb 2 26 Bestimmung des Maximums der Signale abge schw chter Summenimpuls grau und verz gerter Vom Detektor aus werden also vier bipolare Summenimpuls schwarz wer
53. gsformel da s ch Gleichung 2 22 nicht analytisch nach No aufl sen l sst n D Diese Korrektur ist nat rlich nur bei Z hlraten anwendbar deren Wert deutlich kleiner als 1 t ist Ist no lt 14 von I t n lt 12 so ist der Fehler dieser Formel kleiner als 1 bei ng 44 von 1 t n 28 betr gt der Fehler bereits 10 32 Versuch MCP Detektoren Eine genauere N herungsformel l sst sich herleiten wenn man in Gleichung 2 22 die Exponentialfunk tion in eine Reihe entwickelt Ber cksichtigt man in dieser Reihenentwicklung die Summanden bis zum quadratischen Term und l st die Gleichung nach no auf so erh lt man nach l ngerer Rechnung l ao gt Ju 3 2 x x 8 A x x 8 2 25 Hierbei ist x 27x 10 und x und xp sind normierte Z hlraten x nt und xo not Diese Korrektur liefert f r ng lt 0 33 t n lt 0 24 t einen Fehler von lt 1 und fiir no lt 0 62 t n lt 0 33 t einen Fehler von lt 10 Bei beiden Formeln ist der berechnete Wert fiir no brigens kleiner als der tats chliche Wert Der Vollst ndigkeit halber sei hier noch erw hnt dass es auch Elektroniken mit einem anderen Totzeit verhalten gibt bei denen die in der Totzeit eintreffenden Impulse die Totzeit nicht nachtriggern Solche Elektroniken k nnen unmittelbar nach Ablauf der Totzeit einen neuen Impuls verarbeiten unabh ngig davon wie viele Impulse w hrend der Totzeit eintrafen Ein Beispiel daf r w re ein Detektorsyst
54. h D Microchannel plate imaging detectors for the ultraviolet ESA SP 356 1992 89 96 Tietze U Schenk Ch Halbleiter Schaltungstechnik 10 Auflage Springer Verlag 1993 Vallerga J V Gibson J L Siegmund O H W Vedder P W Flat field response of the microchannel plate detectors used on the Extreme Ultraviolet Explorer In EUV X ray and gamma ray instru mentation for astronomy and atomic physics Proc SPIE 1159 1989 382 391 VALVO Technische Informationen fiir die Industrie Microchannel plates 1976 Weinzierl P Drosg M Lehrbuch der Nuklearelektronik Springer Verlag 1970 Wiza J L Microchannel Plate Detectors Nucl Instr Meth 162 1979 587 601 Liste der ORFEUS Publikationen http www uni tuebingen de de 4530 56 6 Anhang Naturkonstanten Gr e Vakuumlichtgeschwindigkeit Elementarladung Plancksches Wirkungsquantum Elektrische Feldkonstante Permittivit t des Vakuums Symbol Eo Versuch MCP Detektoren Wert 2 99792458 10 e 1 60217733 10 C 6 6260755 10 J s 4 1356693 10 eV s 8 854187871 1012 4S V m
55. hl sse wurden mit einem Silberleitkleber auf die Goldschicht aufgeklebt Abmessungen L nge x Breite x Dicke Aktive Fl che Breite der passiven Fl che Periodenbreite 2 Keile 2 Streifen Abstand zwischen den Elektroden Leitermaterial Tabelle 2 3 Technische Daten der Anode des ORFEUS Detektors Die ORFEUS Anode verf gt auf der R ckseite des Quarzsubstrats ber zwei weitere Elektroden von etwa 4 cm Fl che die sich an zwei gegen berliegenden Ecken der aktiven Anodenfl che befinden Sie bilden eine Kapazit t zur Anode so dass sich dar ber rechteckf rmige Testimpulse einkoppeln lassen Die abfallenden Flanken dieser Testimpulse simulieren so das Auftreffen einer Elektronenwolke auf die Aufgabe 4 Berechnen Sie die Kapazit t einer Testimpuls Elektrode zur Anode Dicke der Anode siehe Tabelle 2 3 Welche Spannung muss ein Testimpuls haben um eine Ladungswolke mit 10 Elektronen zu simulieren 18 Versuch MCP Detektoren Anode w hrend die ansteigende Flanke invertierte Impulse erzeugt deren Auswertung von der Elektronik unterdriickt wird Die Testimpuls Elektronik erzeugt wahlweise Impulse Pa auf einer der beiden Elektroden links unten LU oder rechts d oben RO und mit 3 verschiedenen Impulsh hen Zu 2 3 5 Andere Anodentypen i RADIUS Q Der Vollst ndigkeit halber sollen hier noch kurz weitere ortsaufl sende Anoden f r MCP Detektoren vorgestellt Abb 2 18 werden ohne Anspruch auf tats chliche Vol
56. hpositionen bestimmt haben beenden Sie das Programm und kopieren Sie die Datei logfile txt aus dem Hauptverzeichnis in Ihr Gruppenverzeichnis 4 12 3 Auswertung F r jeden durchgef hrten Gau fit sind in logfile txt folgende Eintr ge enthalten Kurve Nr 1 Schwerpunkt ITa LIGAS 210729357 A Amplitude i Soe EE Breite FWHM dE Ga LOTILI A Wl d Wl 701342964 Wichtig f r Ihre Auswertung ist nur der Eintrag hinter Schwerpunkt dort ist das Zentrum der Gau kurve in Pixeln und dahinter umgerechnet als Wellenl nge in A angegeben Diese Pixelwerte sind Ihre Mess werte Die zugeh rigen wahren Ortspositionen sind die Mittelpunkte der L cher in der Blende die unter einander einen Abstand von 0 5 mm haben Falls Sie einen der Fits wiederholt hatten l schen Sie die ung ltigen Eintr ge mit einem Texteditor Kontrollieren Sie dass alle Eintr ge vorhanden sind ann hernd gleiche Abst nde zwischen den Eintr gen aufsteigend sortiert F Praktikum Astronomie und Astrophysik 2 Zur Auswertung ffnen Sie die Excel Datei Auswertung_Linearitaet xls in Ihrem Gruppenverzeichnis Importieren Sie mit Hilfe des Makros Linearitaetsmessung_importieren die Datei logfile txt In der Spalte Pixel Position werden aufsteigend alle Gau Schwerpunkte eingetragen Die Spalte Wahre Posi tion mm wird mit Werten im Abstand von 0 5 mm aufgef llt beginnend bei 0 mm Die restlichen Spalten sind in der ersten Zeile mit Formeln vorbelegt Die
57. ie Erkennung der Maxima der Impulse Cathode PS SS with with OFF E On High Voitage Ka out ge scilloscope ein itor 8 E E Power Off A i Integration Stop deren Werte festgehalten und digitalisiert werden sollen Dazu wird der Summenimpuls einmal abgeschw cht grau Abb 2 26 und einmal verz gert schwarz auf die Abb 2 27 beiden Eing nge eines Komparators Frontansicht des DPA 24 Versuch MCP Detektoren gt Signalverarbeitung im DPA f Jajndwoyg analog lt ydeipojlizso Abb 2 28 Blockschaltbild des DPA Quelle Barnstedt 1985 gegeben Mit einem Potentiometer wird die Abschw chung des Impulses so eingestellt dass der verz gerte Impuls den abgeschw chten Impuls genau in dessen Maximum schneidet und daher der Komparator dort eine steigende Flanke erzeugt Diese Flanke dient zum Starten der Analog Digital Wandler die den Spannungswert der vier Signale im Maximum festhalten und digitalisieren Dieses Vorgehen hat den Vorteil dass die Maximumbestimmung unabh ngig von der Impulsh he funktioniert Mit zwei weiteren Komparatoren werden eine untere und eine obere Diskriminatorschwelle eingestellt Dadurch wird die bernahme zu schwacher oder bersteuerter Impulse verhindert Abb 2 27 zeigt die Frontansicht des DPA ein Blockschaltbild ist in Abb 2 28 dargestellt F r den DPA ist eine separate Bedienungsanleitung vorhanden 2 4 4 Datenerfassung am Computer Die Dat
58. ie zugeh rige Auswerte Elektronik und der Bordrechner zur Steuerung der Detektoren und der Datener fassung ORFEUS wurde auf dem wiederverwendbaren deutschen Sa telliten ASTRO SPAS Shuttle Pallet Satellite der damaligen Firma MBB inzwischen Teil der Fa Astrium eingesetzt und flog mit diesem in zwei Missionen 1993 4 Tage Be obachtung und 1996 14 Tage Be obachtung mit einem Space Shuttle Abb 1 1 ORFEUS w hrend der ersten Mission 1993 Foto NASA ins All W hrend der ersten Mission wurden mit dem Echelle Spektrometer leider keine Daten gewonnen haupts chlich wegen eines ausgefallenen Umlenkspiegels insgesamt war aber bereits diese Mission sehr erfolgreich weil mit dem zweiten an der Universitat in Berkeley gebauten Spektrometer sehr viele Messungen durchgef hrt werden konnten Die zweite ORFEUS Mission war ein gro er Erfolg und hat w hrend des 14 Tage dauernden Freifluges des Satelliten eine sehr gro e Zahl von Fern Ultraviolett Spektren FUV im Wellenl ngenbereich von 90 140 nm mit einer spektralen Aufl sung von 10 000 beobachten k nnen mit 17 7 Tagen m All war es auch der l ngste Shuttle Flug berhaupt Einzelheiten zu diesem Projekt findet man auf unseren Webseiten unter http www uni tuebingen de de 4221 F Praktikum Astronomie und Astrophysik gt Realtiv schnell nach den beiden Fl gen war klar dass ORFEUS nicht noch einmal ins All fliegen w rde Inzwischen ist der ASTRO SPAS Satellit im
59. ie Werte f r X und Y auf einen der Werte von 0 3 gestellt werden F r den DPA steht eine separate ausf hrliche Bedienungsanleitung zur Verf gung 3 4 Speicherbildschirm Der Speicherbildschirm Abb 3 4 dient der Echtzeitanzeige des Detektorbildes Jedes registrierte Ereignis wird per X Y Ansteuerung als Leuchtpunkt auf dem Bildschirm angezeigt Dabei sind zwei Betriebsarten m glich Normal STORE nicht gedr ckt und Speichern STORE gedr ckt e Normal Jedes Ereignis leuchtet nur kurz auf es wird nicht ge speichert Diese Anzeige ist f r hohe Z hlraten mit schnell ver nderlichen Bildern geeignet Hierzu ist n der Regel die Strahlintensit t etwas zu erh hen Drehknopf INTENSITY unter der Klappe e Speichern Der Bildschirm wird GO7A SC Pe in einen Speichermodus ge E E f schaltet Dabei leuchtet jeder er If Bildpunkt f r eine gewisse Zeit nach Die Nachleuchtdauer wird mit dem Drehknopf PERSISTENCE eingestellt Durch Herausziehen dieses Knopfes bleibt das aktuelle Bild gespeichert Mit dem Drehknopf OPERATE LEVEL wird die Helligkeit des Speicherbildes einge stellt Die Taste ERASE dient dem L schen des Speicherbildes Ps vare Abb 3 4 Der Speicherbildschirm mit Echtzeitbild des Detektors Da der Speicherbildschirm nur eine begrenzte Lebensdauer hat sollte er nicht l nger als notwendig im Speichermodus betrieben werden Bei stehendem Strahl sollte die Strahlintensit t heruntergedreht werden
60. ige dient haupts chlich der Einstellung von HV3 siehe Abb 3 6 mit der die Verst rkung des Detektors geregelt wird 3 6 2 Programm Erfassung Das Programm Erfassung dient der Durchf hrung von Integrationen von Detektor Daten Unter dem Hauptmen punkt Daten Abb 3 12 befinden sich die Punkte zum Aufruf der verschiedenen Integrations Routinen Die ersten vier Eintr ge enthalten die wichtigsten Funktionen Die in Klammern angegebenen Zahlen beziehen sich auf die Position des W hlschalters f r den Integrationsmodus siehe Kap 3 3 S 40 i Einstellungen DH Abb 3 11 Programm Erfassung w hrend einer Bildintegration Versuch MCP Detektoren lelx 35 und Abb 3 3 Falls der W hlschalter nicht in einer der angegebenen Positionen steht erscheint der jeweilige Men eintrag grau und ist n cht anw hlbar 3 6 2 1 Men punkt Bild integrieren Der Men punkt Bild integrieren startet eine Bildinte gration mit einer Aufl sung von 1024 x 1024 Pixeln Das aktuelle Bild wird alle 10 Sekunden neu auf dem Bildschirm Hauptfenster dargestellt Abb 3 11 W h rend der Integration st in der Hauptmen zeile nur der Eintrag Einstellungen sichtbar Ein paar Men punkte erlauben die nderung der Darstellung des Bildes auf dem Bildschirm siehe Abb 3 12 Die Integration wird mit der Taste ntegration Stop am DPA Abb 3 3 beendet oder mit dem entsprechenden Men punkt unter Einstellungen 3 6 2 2 Men punkt mpul
61. ilen Sie die Homogenit t in dem von Ihnen gew hlten Bildausschnitt durch Vergleich des ausgeplotteten Histogramms mit der eingezeichneten theoretischen Gau kurve Geben Sie die vollst ndige Formel f r diese gestrichelte Gau kurve auf Ihrem Ausdruck an 3 Parameter die sich aus den im Plot angegebenen Zahlen bestimmen lassen und berpr fen Sie Ihre Formel durch Berechnung von 2 Zahlenwerten in einer Flanke der Kurve und nahe des Maximums der Kurve in die Grafik einzeichnen Begr nden Sie die verwendeten Zahlenwerte der drei Parameter in der Formel 4 10 Brennweitenbestimmung nach dem Besselverfahren Positionieren Sie den Kondensor ca 40 cm vor der Lampe entfernen S e danach die Streuscheibe vor dem Detektor und bauen Sie die optischen Komponenten auf der optischen Bank folgenderma en auf e Lampe mit Streuscheibe e Testmaske etwa 90 cm von der Frontfl che des Detektorgeh uses entfernt e Kondensor zwischen Lampe und Testmaske e Quarzlinse zwischen Detektor und Testmaske abgeblendet auf 35 mm ffnung n her an der Testmaske als am Detektor Die Brennweitenbestimmung nach dem Besselverfahren beruht darauf dass es bei einem vorgegebenen Abstand e zwischen Objekt und Bildebene von mehr als der vierfachen Brennweite zwei Linsenpositio nen gibt bei denen das Objekt scharf auf die Bildebene abgebildet werden kann Bestimmt man den Ab stand dieser beiden Linsenpositionen zu d so errechnet sich die Brennweite f einer diinnen
62. k bertragen Dort werden die Ma ximalausschl ge der Spannungsimpulse mit Analog Digital Wandlern digitalisiert Die weitere Verrech nung der vier Ladungsmengen Werte zur Photonenkoordinate erfolgt dann digital Der Datenerfassungs rechner empf ngt die digitalen Photonenkoordinaten und speichert s e ab Stack Mikrokanalplatten MCPs und Elektronenvervielfacher Kanale G Ist_DRAW FIBRE tst draw ASSEMBLED BILLET Assemble RAW MATERIAL D hergestellt Der Ausgangs Glasstab enth lt zwei Glassorten Die folgenden Abschnitte behandeln Herstellung Funktion und Eigenschaften von MCPs und Elektro Herstellung von MCPs F Praktikum Astronomie und Astrophysik Mikrokanalplatten werden aus Glasbiindeln in nenvervielfacher Kan len Glasfibertechnologie 2 2 2 2 1 KEEN ELLE TEST EL TIERE enee a tet TITEL tet ats te ZE TH HH DE HHHRHHTHHH AHIHHRRHR aiefteie gt 5 Seefe ee Zait ees Test and pack PLATE ff ei ASSEMBLED CAPSULE BOULE MiCROCHANNE Stack Etch and process 0 POLISHED_BLANK so dass sich der Querschnitt 2nd DRAW FIBRE 2nd draw Edge grind and polish BLANK 2nd ORAW_ STACK KS Schritte der MCP Herstellung Quelle VALVO Techni sche Informationen fiir die Industrie Microchannel plates 1976 Abb 2 2 Fuse and slice EEE EE it tet teats eset et Pt oe A p Ba Za fa KERLE HE HE a Ze af hera
63. legt Die inneren Kanaloberfl chen sind halbleitend beschichtet Der schwache Strom durch die Kanaloberfl che bewirkt ein homogenes elektrisches Feld im Kanal Ein auf die Kanaloberfl che auftreffendes UV Photon kann dort ein Abb 2 1 Photo Elektron ausl sen unter Vakuum Durch die Prinzip des MCP Detektors hohe Feldst rke im Kanal wird das Elektron zur R ck seite der Mikrokanalplatte hin beschleunigt Dabei wird es wieder auf die Kanalwand treffen und kann dort mehrere Elektronen ausl sen So entsteht in dem Elektronenvervielfacher Kanal schlie lich eine Elektronenlawine die als Elektronenwolke aus der R ck seite der Mikrokanalplatte austritt Aus einem Kanal k nnen so etwa 10 Elektronen austreten Die Elektronenwolke trifft nach Austritt aus der Mikrokanalplatte auf die Keil Streifen Anode Diese Anode besteht aus einer Goldschicht auf einer Quarzplatte in die ein Muster aus 4 ineinander greifenden Leiterbahnen ge tzt wurde Dieses Muster ist so beschaffen dass die auftreffende Elektronenwolke sich auf alle 4 Leiterbahnen verteilt Aus den Verh ltnissen der Elektronenmengen die die 4 Leiterbahnen erhalten haben l sst sich anschlie end der Ladungs Schwerpunkt der Elektronenwolke bestimmen Da mit hat man auch die Auftreffkoordinaten des registrierten Photons Die Ladungsmengen werden mit schnellen empfindlichen Ladungsverst rkern elektronisch verst rkt und als bipolare Spannungsimpulse vom Detektor zur Auswerte Elektroni
64. lst ndigkeit Die Geometrie der Widerstandsanode Quelle Lampton et al 1979 Widerstandanode Die Widerstandsanode besteht aus einer homogenen Wider standsschicht auf einem Tr gersubstrat Sie deckt eine quad ratische Fl che ab die vier Seitenbegrenzungen sind jedoch Kreisb gen aus Linienwiderst nden die einen definierten Widerstand pro L ngeneinheit besitzen An den vier Ecken werden die Ladungen abgegriffen Abb 2 18 Aus den Ladungsverh ltnissen werden hnlich wie bei der Keil Strei ET RD K SC 2 G fa fen Anode die Koordinaten des Ladungsschwerpunkts be Sy GE A Ee o te stimmt Nachteile der Widerstandsanoden sind e Empfindlichkeit gegen Inhomogenit ten des Fl chen widerstands Abb 2 19 Aufbau eines MAMA Detektors Quelle D D 2 a Widerstandsrauschen in den Ladungsverst rkern ver Fraser 1989 schlechtert das Signal Rausch Verh ltnis e Die aktive Anodenfl che l sst sich nicht vollst ndig f r FI LOOP LE ELLE ILE RELL LIL die Abbildune nutzen 3 EE 1e APZ D EL S gee see re seems eee N N ONAN N N NANAA MAMA Detektoren NANNA N N N NENSSNANANNNA INNAN UNNNNANN A MAMA Detektoren Multi Anode Microchannel Arrays N N E 8 2 SU RE EE N verwenden eine MCP mit gekr mmten Kan len und als N N NBN N l DEPI N N N Anode ein 2 dimensionales Array aus jeweils 1024 Elektro 3 N N N N N denstreifen Die 1024 Elektroden sind zu 66 Gruppen zu
65. mm wurde urspriinglich die Auswertung der ty to ae a aa m u u m lii ORFEUS Messungen vorgenommen Laden Sc ON H N Dazu m ssen Sie st ckweise Schnitte u Toi Ee helle onder 51 pE LC N D N DN ee ee CO 3 entlang dieser Linie extrahieren und an die Abb 4 3 Schnitt entlang einer Lochreihe gefittet mit einem Auto Gau fit mit 40 Gau kurven Der Untergrund wird dabei profilen anpassen Die Zentren dieser ale Parabel angepasst geplottete Kurve eine Reihe von Gau 50 Versuch MCP Detektoren Gau profile sind die Positionen der L cher der Blende Das Programm auswertung kann einen Schnitt durch vorgegebene Anfangs und End Punkte plotten und an beliebigen Stellen mehrere Gau funktionen an die geplottete Kurve anpassen Die Daten der Gau kurven werden in einem Protokoll automatisch erfasst dazu darf das Programm zwischendurch nicht verlassen und neu gestartet werden da dann eine neue Protokolldatei angelegt wird S e sollten nun Schnitte anlegen die etwa 40 Punkte der Linie umfassen In jedem dieser Schnitte k nnen S e einen Auto Gau fit ber diese Maxima ausf hren Auf diese Weise k nnen Sie die Zentren aller etwa 80 Punkte entlang der mittleren horizontalen Linie vermessen Gehen Sie folgenderma en vor e Kontrollieren Sie unter Einstellungen Plot Eichung dass der Punkt X Pixel Y Counts markiert ist e Rufen Sie den Men punkt Auswertung Schnitt auf
66. mmm Raa Uncoated 7 Detection Efficiency 5 Detection Efficiency torrer rer O UE 1 10 500 1000 1500 2000 i Energy eV Wavelength A Wavelength A 10 10 10 100 Abb 2 11 Empfindlichkeit der MCPs f r Elektronen links UV Photonen Mitte mit und ohne CsI Photokathode und R ntgen Photonen rechts Quelle Galileo Electro Optics Corporation F Praktikum Astronomie und Astrophysik 13 Die Empfindlichkeit f r UV Photonen l sst sich durch Photokathoden steigern In der Regel wird das Photokathodenmaterial direkt auf die MCP Oberfl che aufgebracht Wichtige Photokathodenmaterialien sind in Tabelle 2 2 aufgef hrt Material langwellige Grenze nm Kalium Bromid KBr 155 C sium Jodid CsI 200 Rubidium Tellurid Rb Te 300 C sium Tellurid Cs Te 350 Tabelle 2 2 Photokathoden Materialien Ein Nachteil der Photokathoden ist dass sie unter normalen Atmosph ren Bedingungen nicht stabil sind Sie sind hygroskopisch und reagieren z T auch mit Sauerstoff Als Faustregel gilt dass die Materialien umso empfindlicher gegen Umwelteinfl sse sind je langwelliger die Lichtempfindlichkeitsgrenze ist So kann KBr f r etliche Stunden an Luft gelagert werden bevor eine Degradation einsetzt Bei CsI sind es einige Minuten w hrend Rb Te und Cs Te berhaupt nicht mehr mit Luft in Ber hrung kommen d rfen Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit kann dadurch erreicht werden dass man vo
67. n Bildpunkt der Quotient aus Z Wert Summe und 41 O x Abb 3 13 Fenster der Impulsh henverteilung w hrend der Integration lineare Darstellung X Impulshohe in Volt Y relative Haufigkeit Photonenzahl gebildet Abgebildet wird also die mittlere MCP Verst rkung des Detektors Die Anzeige lasst sich auf das normale Photonenbild Anzahl Photonen pro Pixel umschalten 42 Versuch MCP Detektoren 4 Versuchsdurchfuhrung 4 1 Vorbemerkungen W hrend der Versuchsdurchf hrung sollten Sie die Messungen so protokollieren dass Sie und auch der Assistent noch wesentlich sp ter aus diesen Aufzeichnungen den Versuchsablauf nachvollziehen k nnen Dazu sollten Sie die Aufzeichnungen auch mit den Kapitelnummern der Versuchsdurchf hrung bzw den Aufgabennummern beschriften Die Aufzeichnungen sind sp ter dem Protokoll beizuheften Lesen Sie dazu auch schon Kap 4 13 S 53 und denken Sie insbesondere auch jetzt schon daran alle Messwerte mit den zugeh rigen Einheiten zu versehen Die Linsen bitte nicht mit den Fingern ber hren 4 2 Einschalten F hren Sie folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge aus e eet Vakuum Pumpe einschalten sollte bereits laufen das Vakuum sollte besser als 10 mbar sein Vergewissern Sie sich dass das Detektor Ventil ge ffnet ist Schraube bis zum Anschlag herausgedreht ca 14 mm e ggf Digitaler Positions Analysator einschalten e ggf Computer starten Windows XP und
68. n teilen s ch auf die vier Elektroden der Anode auf Die bei der Aufteilung entstehenden statistischen Schwankungen werden Partition Noise genannt Welchen Einfluss haben diese Schwankun gen auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung Der Einfachheit halber k nnen wir davon ausgehen dass die Positionsbestimmung in beiden Achsen un abh ngig voneinander ist Die beiden Keilelektroden zusammen bzw die beiden Rechteckelektroden zusammen erhalten jeweils die H lfte der auftreffenden Gesamtladung Betrachten wir also die x Rich tung mit den beiden Keilelektroden An der Stelle x normiert O lt x lt 1 treffe die Ladungswolke mit der Gesamtladung O auf Auf die beiden Keile entf llt zusammen die Ladung Q 2 bzw die Elektronenzahl 26 Versuch MCP Detektoren N 2 mit N Q g und q Elektronenladung Im Mittel wird auf die Keilelektrode 1 die Elektronenzahl N x N 2 und auf die Keilelektrode 2 die Elektronenzahl N 1 x N 2 entfallen Statistisch gesehen wird jedes der N 2 Elektronen mit der Wahrscheinlichkeit p x auf die Elektrode 1 auftreffen und mit der Wahrscheinlichkeit p 1 x auf die Elektrode 2 Eine solche Situation in der ein Ereignis zwei verschiedene Zust nde annehmen kann wird statistisch durch eine Binomialverteilung beschrieben Weinzierl Drosg 1970 P bic Let mr n p k 2 5 Die Verteilungsfunktion Pa p k gibt die Wahrscheinlichkeit daf r an dass bei n Versuchen genau k posi tive Ereignisse gemessen we
69. nen von der Elektronik nicht auseinander gehalten werden Solche nahezu gleichzeitig ein treffenden Impulse pile up werden also zusammen wie ein Impuls verarbeitet Da die meisten dieser Doppelimpulse aber so gro sind dass sie die obere Diskriminatorschwelle berschreiten werden sie zu einem Gro teil unterdr ckt Wie wirkt sich die Totzeit auf die elektronische Effizienz des Systems aus Die gemessenen Ereignisse unseres Detektors verhalten sich statistisch unabh ngig voneinander sie lassen sich mit der Poissonver teilung beschreiben Weinzierl Drosg 1970 A m m e F s 2 18 Diese gibt die Wahrscheinlichkeit an gerade x positive Ereignisse zu beobachten wenn der wahre Mittelwert der Wahrscheinlichkeitsverteilung m ist Positive Ereignisse sind bei uns die w hrend der Be obachtungszeit t auftretenden Impulse Bei einer mittleren Z hlrate no ist m ng t Die Wahrscheinlich keit Po dass in der Messzeit t kein Ereignis auftritt ist also mit O 1 pag 2 19 F Praktikum Astronomie und Astrophysik 2 Die Wahrscheinlichkeit dass ein Impuls in dem auf t folgenden kleinen Zeitintervall zwischen t und t dr auftritt ist genau no dt nach Definition von np und mit dt Lina Da die Wahrscheinlichkeiten vonein ander unabh ngig sind k nnen sie miteinander multipliziert werden Man erh lt damit f r die Wahr scheinlichkeit dass genau ein Ereignis nach der Zeit t im Zeitintervall dr eintrifft
70. o ce DER 27 254 Nerstarkunestnterschicdes tee 27 23 OTIS EE 29 230 EOS ee nee Se era 30 J TE EE EE 33 3 1 Detektor mit Hochspannungsversorgung und Vakuumpumpe ssoeeeeeeesssssssssssssssererrressssssss 33 3 2 Op USChe ee 34 3 3 Divitaler P sil ions Analysalar ass ee essen ee 35 3 4 Speicherbildschim ee 36 E Ge 1 21 1118 54 EE 36 3 06 COmputer ind Soiwaren eege einen eisen init 37 SS GEN eer A EE 37 3 0 1 1 FV AMIDELSTISUC R yatta trace oad nid u NS as else 38 3 6 1 2 VOStIMp UI Se gsi irae Gane a Ee 38 3 0525 TestinpulsAnzese ee 38 et Testimpuls Check 222222 39 GE NEES 39 302 PIostamm e 39 3 62 Men punkt Bild meor ereh oiean area be 40 3 6 2 2 Men punkt Ferreira 40 3623 Men punkt Vollntegr tion aan u I u a 41 3 0 2 4 Men punkt Verst rkungsbild eege he ae Gee I ee 41 F Praktikum Astronomie und Astrophysik 3 d STS TG INS CLG NUNN een een ee 42 41 Vorbemerkungen entered 42 4 2 E na nenne ae A N 42 43 io 51001 a 42 4 4 Pinschaltensder Hochspannung nu 43 e NUTS IS TO ee ee N ner esse ee 43 4 6 Wasbedeulersolarblind ae ir 44 4 7 SImp ulsh ohenvereil ns oesi 45 waak e e EE 45 e KEE 45 4 9 EEN 45 4 9 lat Bield und Verstarkunssbild sanieren une 46 E WR eet Alan 46 4 10 Brennweitenbestimmung nach dem Bessclhvert abren 47 4 11 Tolzei t Und EIZE IZ te Stats Rea ee Beeren ee 48 4 12 Bin at e Dinner ee ee ee Se eh 49 KIE Messa Balsam SER ee art 49 DM
71. off N I neutraler Stickstoff P II einfach ionisierter Phosphor H I neutraler Wasserstoff Linie der Lyman Serie Lyman y 972 537 nm stellare Linie Quelle Barnstedt et al 2000 F Praktikum Astronomie und Astrophysik f keiten relativ zur Erde bewegen Die Abb 1 3 zeigt einen absolutkalibrierten Plot von einem Ausschnitt aus diesem Spektrum mit einer Reihe von identifizierten Absorptionslinien Insgesamt wurden ber 300 verschiedene Absorptionslinien in diesem Spektrum identifiziert Barnstedt et al 2000 Besonders mar kant ist die Vielzahl von fast 200 Absorptionslinien des molekularen Wasserstoffs H in diesem Spektrum die aus mindestens zwei verschiedenen interstellaren Gaswolken stammen H l sst sich praktisch nur in diesem ORFEUS Wellenl ngenbereich beobachten Sogar in manchen Sternatmosph ren k nnen Wasserstoffmolek le H und deren Ionen H nachgewiesen werden Diese bei h herem Gasdruck in der Atmosph re gebildeten Molek le sind kurzlebig und werden deshalb auch Quasi Molek le genannt Mit ORFEUS konnten sie zum ersten Mal im Wellenl ngenbereich unterhalb von 120 nm vermessen werden Auch in Spektren von Sternen in den beiden Magellanschen Wolken konnte kaltes H nachgewiesen wer den Die absorbierenden Gaswolken sind Hochgeschwindigkeitswolken im Halo unserer Milchstra e haben also mit den Magellanschen Wolken selbst nichts zu tun In einem Fall wurden sogar Absorptionslinien von hochangeregten Zust nden b
72. omit PEAK CHANNEL PEAK CHANNEL PHR die Elektronenlawine nicht weiter zunimmt Es kommt also zur S ttigung der Verst rkung eines Kanals Deshalb enthalten alle Impulse in etwa die gleiche Ladungsmenge OCCURRENCE Zur Charakterisierung einer solchen Impulsh henvertei lung verwendet man die Halbwertsbreite FWHM die Breite der Verteilung in der H he des halben Maximal Abb 2 9 werts Abb 2 9 Ublicherweise bezieht man die Angabe Impulsh henverteilung Definition der der FWHM Breite auf die wahrscheinlichste Verst rkung Halbwertsbreite Full Width at Half Maximum FWHM Quelle Hamamatsu PULSE HEIGHT modal gain Peak Position und gibt die Breite in Prozent dieses Wertes an Der Prozentwert kann dabei sowohl 12 Versuch MCP Detektoren gr er als auch kleiner 100 sein Alternativ kann sich die Prozentangabe auch auf die mittlere Verst rkung mean gain beziehen das sollte jeweils angegeben werden denn bei asymmetrischen Verteilungen sind die Werte nicht identisch Kleine Breiten der Verteilung sind deshalb erw nscht weil dann die Triggerschwelle der Z hl Elektronik so eingestellt werden kann dass sie deutlich ber der Rauschschwelle liegt aber trotzdem praktisch alle Impulse erfassen kann 2 2 5 Empfindlichkeit Abb 2 10 zeigt Details der Oberfl chenbeschaffenheit der MCP Kan le Elektronen k nnen aus einer Tiefe von bis zu 200 20 nm ausgel st werden MCPs sind daher empfind li
73. r der MCP ein elektrisches Feld anbringt Das bewirkt dass Photoelektronen die auf den Stegen zwischen den Kan len der MCP erzeugt werden zur ck in die Kan le gelenkt werden Ohne dieses elektrische Feld w rden diese Photoelektronen nach au en davonfliegen Auf diese Weise erh ht sich die Quantenausbeute des Detektors um etwa 30 Das elektrische Feld wird beim ORFEUS Detektor durch ein vor den MCPs gespanntes Gitter erzeugt welches selbst etwa 10 der Photonen zur ck h lt So bleiben immer noch 20 Gewinn an Empfindlichkeit durch das Gitter 2 2 6 Dunkelstrom Auch vollkommen unbeleuchtete MCPs erzeugen Impulse Diese Dunkelstrom Impulsrate betr gt typi scherweise etwa 0 2 1 Impuls s cm Etwa 90 des Dunkelstroms werden durch den radioaktiven Zer fall von Bestandteilen des MCP Glases hervorgerufen Zerfall von K Halbwertszeit 1 28 10 Jahre Fraser 1989 Da die Dunkelstromimpulse nicht nur am Anfang eines Kanals sondern an beliebigen Stellen ausgel st werden k nnen weist die Impulsh henverteilung des Dunkelstroms kein Maximum auf sondern verl uft etwa exponentiell abfallend 2 2 7 Die MCPs des ORFEUS Detektors Bei den MCPs f r den ORFEUS II Detektor handelt es sich um Sonderanfertigungen der Fa Hama matsu Photonics Es werden drei hintereinander geschaltete MCPs in Z Konfiguration verwendet Damit wird eine Verst rkung von 10 bis 10 Elektronen pro Photon erreicht Die ersten beiden MCPs haben eine
74. r die Lampe Irisblende offen e Schieben Sie die Lochkreuzblende in die Halterung direkt vor dem Detektorfenster Die Lochkreuz blende besitzt ein Muster aus drei waagerechten und drei senkrechten Linien die aus L chern von 0 2 mm m Abstand von 0 5 mm bestehen Um die Orientierung feststellen zu k nnen ist im unteren rechten Viertel der Schriftzug AIT ebenfalls aus Lochlinien angebracht Schalten Sie die Lampe ein Es sollte sich eine Z hlrate von ber 300 s ergeben Die Intensit t sollte m glichst gleichm ig ber die Linien verteilt sein berpr fung am Speicherbildschirm 4 12 2 Messung Stellen Sie ggf wieder eine Verst rkung von 3V ein und integrieren Sie ein Bild mit einer Dauer von 15 min Speichern Sie das Bild in Ihrem Gruppenverzeichnis Hinweis Da Ihre Messungen damit beendet sind sollten Sie nach der Messung die Hochspannung im Programm AV Kontrolle ausschalten und anschlie end die Oszillographen und die Lampe ebenso wie die HV Spannungsversorgung am DPA abschalten Stellen Sie die Protokoll Aktualisierung wieder auf 3600 s ein Zur Auswertung mit dem Programm IDL ndern Sie zun chst die Bildschirmeinstellungen auf eine Farbtiefe von 256 Farben andernfalls funktionieren die Farbeinstellungen in IDL nicht Starten Sie IDL und rufen Sie das Programm E 2 4 6 E 10 12 14 15 bw SE aor ae SR SC SC KE SC 36 en A 5 H g 111371517 Ab Ai g I Kl T EI _ auswertung auf Mit diesem Progra
75. rbeiten Der Grund kann sein dass sie gerade damit besch ftigt ist ein Ereignis zu verarbeiten z B w hrend der Analog Digital Wandlung oder dass eine Messung zu diesem Zeitpunkt verf lscht w rde z B w hrend des Unterschwingers eines Impulses siehe Abb 2 24 Der DPA f hrt eine Analog Digital Wandlung in 2 us durch also wesentlich schneller als die Ladungs verst rker Impulse abklingen Auch die eigentliche Ortsberechnung wird mit einer Dauer von etwa 0 5 us sehr schnell ausgef hrt Damit sind die Ladungsverst rker Impulse das langsamste Glied in der Signal verarbeitungskette Sie ben tigen 10 13 us bis der Nullpegel vollst ndig wieder hergestellt ist Erst da nach ist eine sinnvolle Impulsverarbeitung w eder m glich da vorher das Signal durch einen Offsetfehler verf lscht w rde Um die Signalverarbeitung w hrend der Unterschwinger der Ladungsverst rker Impulse zu unterbinden enth lt die Steuerlogik ein Monoflop welches beim Nulldurchgang der Impulse bei rund 2 us getriggert wird Es sperrt f r etwa 11 us die Impulserkennung Impulse die in dieser Zeit ankommen werden also ignoriert Au erdem wird das Monoflop durch neue Impulse nachgetriggert d h der aktive Zustand des Monoflops wird ab diesem Zeitpunkt um noch mal 11 us verl ngert Insgesamt betr gt die Totzeit eines Impulses etwa 13 us Impulse die innerhalb der ersten Mikrosekunde bis zum Maximum des ersten Impulses hintereinander eintreffen k n
76. rden 3 6 1 3 Testimpuls Anzeige Il Testimpuis anzeige BEE Testimpuls Das Fenster Testimpuls Anzeige zeigt tesimous zu dem ausgew hlten Testimpulstyp At X 86 40 D X 1 03 Mittelwerte f r die X Y und Z F RO goh Werte aus jeweils 1000 Messwerten am ES 185 57 DY 1 99 an AuBerdem wird die Standardab K 1 0956 DZ 0 0015 weichung berechnet und mit dem Faktor 2 35 multipliziert DX DY DZ was ein Ma f r die Halbwerts breite der Punktbildfunktion ergibt siehe Gl 2 4 S 25 Die Werte f r X und Y sind in Pixeleinheiten angegeben w hrend die Impulsh he Z in Volt umgerechnet wurde vergl Oszillographen Darstellung Abb 3 8 Fenster Testimpuls Anzeige des Programms HV Kontrolle Wichtig f r diese Anzeige ist dass die Hochspannung ausgeschaltet ist sonst wird die Auswertung allein schon durch die Dunkelstromereignisse verf lscht F Praktikum Astronomie und Astrophysik 39 3 6 1 4 Testimpuls Check Beim Testimpuls Check erfolgt die gleiche Auswertung wie bei der Testimpuls Anzeige Allerdings werden hier alle 6 Testimpulstypen der Reihe nach eingeschaltet und die Messwerte in einer Tabelle angezeigt Die Nummer des aktuellen Typs wird gelb unterlegt dargestellt so dass man die nderungen leichter verfolgen kann Abb 3 9 Fenster Testimpuls Check des Programms HV Kontrolle Zus tzlich werden in den Spalten Os X und Os Y die Differenzen der X bz
77. rden wenn die Wahrscheinlichkeit f r ein positives Ereignis p ist In unse rem Fall ist die Anzahl der Versuche n N 2 d h die Anzahl der Elektronen die auf die Keilelektroden auftreffen Ein positives Ereignis ist das Auftreffen eines Elektrons auf die Elektrode 1 entsprechend ist hier p p x und k ist die Anzahl der auf die Elektrode 1 aufgetroffenen Elektronen F r die Streuung oder Standardabweichung o der Werte k um den Mittelwert N gilt f r eine Binomial eer ran 2 6 Die linke Wurzel gilt f r den allgemeinen Fall und die rechte Wurzel gilt f r unseren Fall mit den obigen verteilung Definitionen o verschwindet an den R ndern der Anode x 0 und x 1 w hrend es in der Bildmitte x 0 5 maxi mal ist o 0 5 N 2 Dieser Wert bezieht sich auf die tats chlichen Elektronenzahlen Um ihn auf die Streuung der relativen Ortsposition x 0 lt x lt 1 umzurechnen ist der Wert durch die Elektronenzahl N 2 zu dividieren Au erdem k nnen wir n herungsweise Gl 2 4 verwenden um die Streuung in die volle Halbwertsbreite umzurechnen so dass sich in der Bildmitte f r die volle Halbwertsbreite eines durch Partition Noise verbreiterten Punktbildes ergibt 1 1 FWHM _ 2 35 1 66 2T ES JAN VN Nimmt man den Kehrwert diesen Wertes als Ma f r die Zahl der Bildpunkte die man pro Achse sinn vollerweise erreichen kann so erh lt man f r N 10 600 f r N 10 1900 und f r N 10
78. s sionslinien werden von Wasserstoff ber die Lyman a Linie absorbiert und die bersch ssigen Energien tauchen als Emissionslinien im sichtbaren Bereich auf Der Mechanismus war bereits bekannt konnte aber nun zum ersten Mal direkt beobachtet werden Mit der Beobachtung von O VI lassen sich generell sehr hei e Gase von etwa 200 000 K nachweisen Mit ORFEUS gelang dieser Nachweis auch f r Gaswolken im Halo unserer Galaxis Schlie lich konnten auch zum ersten Mal HD Molek le in Spektren der Kleinen Magellanschen Wolke beobachtet werden Eine etwas ausf hrlichere Darstellung findet sich auf dieser Webseite http www uni tuebingen de de 4319 8 Versuch MCP Detektoren 2 Funktionsprinzip der MCP Detektoren 2 1 Einleitung Bei den hier behandelten Detektoren handelt es sich um photonenz hlende abbildende Detektoren Sie registrieren einzelne Photonen bestimmen zu jedem Photon den Auftreffpunkt auf der Bildfl che und speichern die Photonenkoordinaten in einem Computer ab Die wesentlichen Bestandteile der Detektoren sind Mikrokanalplatten engl Micro Channel Plate MCP und eine Keil Streifen Anode engl wedge and strip anode WSA 4 Hochspannung 1000 V MCPs sind Platten mit mikroskopisch kleinen gebiin 4Photon delten Elektronenvervielfacher Kan len Sie bestehen aus Glas Die Ober und Unterseite der Mikrokanalplat ten sind mit metallischen Elektroden versehen Dort wird eine Spannung von typisch 1000 V ange
79. s sich auch dort ein Nullpotential einstellt virtuelle Masse Die im Folgenden vorgestellten Ladungsverst r Abb 2 22 Prinzip der Ladungsverst rker Integratorschaltung ker arbeiten nach diesem Prinzip und sind als mit Filterschaltung Integrator Tietze Schenk Kap 12 4 aufgebaut 2 4 2 Ladungsverstarker Abb 2 22 zeigt das Prinzipschaltbild der Ladungsverst rker Die Anode wirkt als Kapazit t die bei Eintreffen eines Impulses eine Ladung erh lt Die Spannung auf der Anodenkapazit t macht beim Auf treffen einer Ladung einen Sprung d h beim Eintreffen der Ladung O wird auf der Anode die Spannung U Anode Erzeugt F Praktikum Astronomie und Astrophysik e Un o 2 1 Die Spannung Us Ist gleichzeitig die Eingangsspannung U des Operationsverst rkers Der Eingangs operationsverst rker ist als Integrator geschaltet mit der R ckkoppelkapazit t Cr Widerstand Rg wird zun chst vernachl ssigt Wie zuvor erl utert stellt sich die Ausgangsspannung des Operationsverst rkers so ein dass die Spannungsdifferenz zwischen beiden Eing ngen Null ist Da der nichtinvertierende Eingang auf Masse liegt muss die Spannung am invertierenden Eingang ebenfalls O V betragen Bei Eintreffen einer Ladung Q auf der Anode muss also am Ausgang des Operationsverst rkers ein Spannungssprung U auftreten siehe Abb 2 23 der die Anoden Ladung kompensiert U 2 2 Anschaulich ist es also so dass die Ladung Q von der Anoden
80. schalten der Hochspannung muss die HV entsichert werden Dazu ist zun chst zu best tigen dass das Ventil am Detektor auch tats chlich ge ffnet ist nur dann ist die Druckanzeige auch f r den Detektor g ltig Anschlie end sind die Buttons f r das Einschalten der HV f r 5 Sekunden aktiv enabled nur in dieser Zeit ist ein Einschalten m glich Damit soll ein versehentliches Einschalten verhindert werden da dies unter Umst nden katastrophale Folgen haben k nnte 3 6 1 2 Testimpulse IL Testimpuise tee Mit dem Men punkt Testimpulse lassen s ch die Testimpulse siehe Kap 2 3 4 S 17 einschalten Einzustellen sind die Fre Impulse Fieuene K 7 LU klein CES quenz der Testimpulse die Taktrate mit der die Impulse zwi e AUi ciel Coke schen den verschiedenen Typen umgeschaltet werden sowie die M LU grob 100 ke m V RO klein 1000 hiz Auswahl der 6 zur Verf gung stehenden Testimpulstypen Die BO mittel 10000 iz ausgew hlten Impulse werden mit der angegebenen Taktrate M RO gob c Hz i Taktrate in Sekunden der Reihe nach eingeschaltet da immer nur ein Testimpulstyp i Start Schlie en Sollen die Testimpulse auch w hrend einer Bild Integration Abb 3 7 Fenster Testimpulse des Programms laufen so sollte die Frequenz auf 10 Hz oder 1 Hz gestellt wer oke a S zur Zeit aktiv sein kann den bei einer Frequenz von 1Hz sollte au erdem die Umschalt Taktrate auf 10 Sekunden eingestellt we
81. shohe integrieren tis Datenerfassung lOlx Datei Daten Anzeigen Fenster Hilfe Bild integrieren 2 3 4 Impulsh he integrieren 1 4 Yollintegration 4 Verst rkungsbild 4 Integration in File 3 4 Integrationsfile aufarbeiten v Farbwerlauf Schwarz Weiss Farbverlauf Gelb Rot Farbtabelle laden v Maximalwert orientiert Grenzwerte eingeben Lineare Farbumsetzung Logarithmische Farbumsetzung Negative Darstellung Impulshohenverteiluna Abb 3 12 Men punkte Daten des Programms Erfassung Der Men punkt mpulsh he integrieren startet die Integration einer Impulsh henverteilung Die aktuelle Verteilung wird in einem separaten Fenster Abb 3 13 alle 10 Sekunden neu dargestellt Das Fenster l sst sich beliebig in der Gr e einstellen Es ist eine lineare oder eine doppelt logarithmische Darstellung m glich F Praktikum Astronomie und Astrophysik 3 6 2 3 Men punkt Vollintegration Der Men punkt Vollintegration startet eine gleichzei tige Bild und Impulsh henintegration 3 6 2 4 Men punkt Verst rkungsbild Der Men punkt Verst rkungsbild startet die Integra tion eines Verst rkungsbildes Dabei wird f r jeden Bildpunkt die mittlere Impulsh he als Bildintensit t dargestellt Intern werden vom Programm 3 Bildspei cher verwendet Im ersten wird ein normales Bild integriert im zweiten werden die Z Koordinaten zu jedem Ereignis aufsummiert und m dritten wird f r jede
82. siert und die unterschiedlichen Verst rkungsfaktoren anschlie end in die Ortsberechnung eingehen Bildet man die Ableitung von x nach x so erh lt man ein Ma f r die Pixelzahl pro L ngeneinheit an der Anodenposition x falls x in Pixeleinheiten angegeben wird und x in wahrer Anodengr e dr l a a xa sia Der Kehrwert w re ein Ma f r die Pixelgr e bezogen auf die Anodenposition Ein Wert von 1 ent spricht dabei dem Sollwert den man z B auch fiir a 0 erh lt Es existiert immer eine x Position mit einem Ableitungswert von 1 da an den beiden R ndern jeweils ein Wert gr er und einer kleiner als 1 ist Setzt man lt und l st nach x auf so erh lt man x F Praktikum Astronomie und Astrophysik CH Vl a 1 1 1 a T pii Den letzten Ausdruck erh lt man nach Reihenentwicklung der Wurzel bis zum quadratischen Term Wie zu erwarten erh lt man also eine nominelle Pixelgr e in etwa in der Bildmitte Aufgabe 6 Leiten Sie die Gleichung 2 13 aus Gleichung 2 12 her 2 5 5 Offset Wie in Kap 2 4 2 S 20 beschrieben lassen sich die Ladungsverst rkerimpulse kapazitiv bertragen ohne dass sich der Nullpegel der Signalleitung verschiebt Allerdings k nnen in der weiteren Signalverar beitung insbesondere bei den Analog Digital Wandlern solche Nullpegel Verschiebungen auftreten Man spricht dabei von Offset Spannungen Jede AD Wandlerplatine enth lt daher ein Potentiometer mit dem sich
83. sondern eine hohe Ortsaufl sung in einer Richtung gew nscht wird w hrend in der anderen Richtung keine hohen Anspr che an die Ortsaufl sung gestellt werden Ein typischer Anwen dungsfall ist der als Detektor in Spektrographen Dort wird eine hohe Aufl sung in Dispersionsrichtung angestrebt f r eine hohe spektrale Aufl sung w hrend eine geringere Aufl sung m der senkrechten Richtung zum Trennen verschiedener spektraler Ordnungen oder f r eine einfache Ortsaufl sung entlang eines l ngeren Eintrittsspaltes des Spektrographen ausreicht Zum Einsatz gekommen s nd solche Detektoren u a in dem zweiten Instrument des ORFEUS Teleskops dem Berkeley Extrem and Fern Ultraviolett Spektrometer BEFS Hurwitz et al 1988 und in dem FUSE Satelliten 20 Versuch MCP Detektoren 2 4 Auslese Elektronik Aufgabe der Auslese Elektronik ist es die Ladungsimpulse aus der Anode zu registrieren und aus deren Verh ltnis die Ortsposition des Ladungsschwerpunkts und damit des Ereignisses zu berechnen Die Elek tronik besteht aus den Ladungsverstarkern die aus den Ladungsimpulsen Spannungsimpulse erzeugen Diese Spannungsimpulse werden an den Digitalen Positions Analysator DPA weitergeleitet der die Spannungsimpulse digitalisiert und dann die digitale Berechnung der Ortsposition vornimmt Die Daten des Ereignisses werden anschlie end an einen Computer weitergeleitet 2 4 1 Zur Theorie der Operationsverst rker Die in Abb 2 22 gezeigten drei
84. sst sich als Gau sche Normalverteilung der Spannungsmesswerte um einen mittleren Wert mit der Standardab weichung mittlerer quadratischer Fehler oy beschreiben Wird nun eine Gr e x aus den Spannungs werten U und U zu x U U U2 berechnet wobei den Spannungen U und U jeweils eine Rausch spannung mit der Standardabweichung oy berlagert ist so l sst sich zeigen Knapp 1978 dass sich x ebenfalls mit einer Normalverteilung um einen Mittelwert verteilt Dabei gilt f r die Standardabweichung von x _ O 2 O Sv2x Art 2 3 mit z U U gt Der Ausdruck div 2x 1 nimmt fiir x 0 und x 1 d h am Anodenrand den Wert 1 an w hrend der Minimalwert f r x 0 5 d h in der Anodenmitte bei 1 2 1 liegt Die Vertei lung in X Richtung entspricht einem Schnitt durch ein Punktbild F r die Beschreibung der Aufl sung ist statt der Standardabweichung die volle Halbwertsbreite besser geeignet F r eine Normalverteilung ist der Zusammenhang zwischen FWHM full width at half maximum und Standardabweichung o FWHM 0 2X2 1n2 2 35 0 2 4 Die volle Halbwertsbreite ist auch als Aufl sungsgrenze anzusehen d h sie ist der kleinste Abstand bei dem zwei Punktbilder gerade noch getrennt werden k nnen Das Aufl sungsverm gen in Linienpaaren pro L ngeneinheit ergibt sich damit als 1 FWHM 2 5 2 Partition Noise Die auf die Anode auftreffende Elektronenwolke besteht aus einer endlichen Anzahl von Elektronen Diese Elektrone
85. t genau bereinstimmen Dies f hrt zu Nichtlinearit ten bei der Abbildung im Prozentbereich die sp ter bei der Datenauswertung wieder herausgerechnet werden m ssen Wie sieht nun die Formel f r diese Nichtlinearit t aus Die tats chliche Ortsposition x ist in Gleichung 2 8 definiert Ideale Ladungsverst rker erzeugen daraus Spannungsimpulse U und U die exakt proportional zu Q und Q sind In der Praxis aber werden die beiden Verst rkungsfaktoren etwas unterschiedlich sein Wir nehmen also an dass U v O und U v 1 a Q gt ist a ist also ein kleiner Korrekturwert f r den Verst rkungsfaktor der auch negativ sein kann Die Auswerte Elektronik berechnet also tats chlich den Wert x ym Uy _ QO 1 a x 2 11 U U O 0 l a a L st man Gleichung 2 8 nach Q auf und setzt dies in 2 11 ein so k rzt sich Q heraus und man erh lt als Zusammenhang zwischen dem gemessenen Wert x und der tats chlichen Position x P l a X X 2 12 1 xa on Plausibilit tspr fung F r a 0 erh lt man die Identit t x x Sonst aber bleiben nur die Werte f r die R nder unver ndert F r x 0 ergibt sich x 0 und f r x 1 wird x 1 Das Bild wird also so verzerrt dass die Bildr nder erhalten bleiben die Bildmitte aber ein St ckchen verschoben wird Wie das Ubersprechen ist auch dieser Effekt bei der Datenauswertung zu korrigieren Dabei ist zu ber cksichtigen dass das bersprechen zuerst pas
86. teilung des abgestrahlten Lichts sorgt e Kleine Iri sblende e Kondensor aus Quarzglas In gewissem Umfang l sst sich die auf den Detektor treffende Lichtintensit t durch den Abstand des Kondensors zur Lampe regeln e Aufl sungstestmaske e Linse aus Quarzglas mit gro er risblende Die Linse hat eine Brennweite von 20 cm f r sichtbares Licht e Maskenhalterung mit weiteren Testmasken FK Es werden nicht immer alle Komponenten auf der opti Abb 3 2 Die optische Bank mit allen Komponenten von hinten nach vorn Lampe kleine Irisblende Linse mit gro er Irisblende Testmaske Kondensor schen Bank ben tigt Aufgabe 8 Welches ist der kleinste Abstand zwischen Testmaske und Detektor bei dem eine Abbildung mit der angegebe nen Linse m glich ist und welcher Abbildungsma stab ergibt sich dabei Warum werden Linsen aus Quarzglas verwendet Hinweis UV Licht kann die Augen reizen daher sollte l ngerer Blickkontakt mit der UV Lampe vermieden wer den auch wenn die Lichtintensit t sehr gering ist Dies gilt insbesondere dann wenn die Lampe einmal ohne Streuscheibe verwendet werden sollte Brillentr ger k nnen diesen Hinweis ignorieren Um einen Sonnenbrand zu vermeiden sollte man au erdem darauf verzichten ungesch tzte K perteile H nde f r lange Zeit unmittelbar vor die Lampe zu halten Die Lampe ist bei Nichtgebrauch wieder auszuschalten F Praktikum Astronomie und Astrophysik 35 3 3 Digit
87. ten Sie die Lampe wieder aus und verschlie en Sie das Detektor Fenster indem Sie die dazu vorgesehene Blende in den Schlitz vor dem Detektorfenster schieben Schalten Sie am DPA die 44 Versuch MCP Detektoren Z hldauer des Impulsz hlers auf 10s Noperen Sie 10 Z hlermesswerte und bestimmen Sie den Mittelwert Die Z hleranzeige ist g ltig wenn die gr ne Leuchtdiode rechts neben der Anzeige aufleuchtet der Wert wird jeweils 1 s lang angezeigt 4 6 Was bedeutet solar blind Entfernen Sie die Blende vor dem Detektorfenster wieder Der Detektor ist jetzt dem Raumlicht ausge setzt die Z hlrate ist h her als bei v lliger Dunkelheit Noperen Sie 10 Z hlermesswerte Z hldauer immer noch 10 s Bestimmen Sie den Mittelwert in s und ziehen Sie den Wert des Dunkelstroms ab Schalten Sie anschlie end die Z hldauer am DPA wieder auf 1 s Benutzen Sie das Luxmeter um die Beleuchtungsst rke auf der Detektorfl che zu bestimmen Halten sie dazu die Messzelle vor den Detektor und bestimmen Sie die Beleuchtungsst rke in Lux Die Beleuchtungsst rke in Lux Lumen m ist eine photometrische Gr e sie ber cksichtigt die spekt rale Empfindlichkeit des Auges Hellempfindlichkeitsgrad Abb 4 1 Die Beleuchtungsst rke muss n herungsweise in eine physikalische Gr e Watt m umgerechnet werden Der Umrechnungsfaktor hei t Photometrisches Strahlungs quivalent und ist wellenl ngenabh ngig Abb 4 1 Aufgabe 11 Geben Si
88. ung der registrierten Ereignisse e Schalter f r die Spannungsversorgung der Hochspannungseinheit e Stecker f r Verbindungskabel zum Detektor e Tastschalter zum Beenden einer Integration e Netzschalter e W hlschalter zur Auswahl des Integrations Modes o Stellung 1 Z Nur die Impulssumme Z wird bertragen zur Integration einer Impulsh henvertei lung o Stellung 2 X Y Die Ortskoordinaten werden bertragen zur Integration eines Bildes o Stellung 3 X Y T Die Ortskoordinaten und die Zeitinformation werden bertragen zur seriel len Aufzeichnung der Daten Bei einer sp teren Datenauswertung lassen sich dann Zeitabl ufe rekonstruieren o Stellung 4 X Y T Z bertragung aller Daten Damit k nnen alle Integrationsarten durchge f hrt werden insbesondere ist nur n dieser Stellung auch die Integration eines Verst rkungsbil des des Detektors m glich o Stellung 5 HWD ist zurzeit ohne Funktion e Anzeige der Integrationszeit Die Anzeige erfolgt in Millisekunden eine Markierung zeigt den Sekunden Dezimalpunkt Die Anzeige erfolgt totzeitbereinigt d h die interne Uhr l uft nur dann wenn die Elektronik bereit ist neue Ereignisse zu verarbeiten 36 Versuch MCP Detektoren e Teilbild W hlschalter Erm glicht die Anwahl eines Teilbildes aus einer 4x4 Matrix Damit lassen sich Teilbilder in vollen 12 Bit Aufl sung aber ebenfalls in einer Gr e von 1024 x 1024 Pixeln in tegrieren Zur Anwahl m ssen d
89. usge einem Mitte Mitte Abstand von Durch Behandlung in einer 15 um Auch Kanaldurchmesser von Abb 2 3 Rasterelektronenmikroskop Aufnahme einer 1979 Glassorte w hrend der u ere Mantel aus einer nicht tzbaren Glassorte besteht Solche Glasst be werden zun chst zu d nnen Str ngen von etwa 0 8 mm Durchmesser auseinander gezogen zu sechsecki weiter verringert Diese Sechseckstr nge werden erneut geb ndelt und unter Vakuum verschwei t siehe ated Re G gen B ndeln zusammengeschmolzen und nochmals auseinander gezogen auch Abb 2 2 der innere Kern besteht aus einer tzbaren MCP Oberfl che vor links und nach rechts dem Heraus tzen der Kan le Quelle Wiza Aus dem resultierenden Glasblock wer schnitten poliert und schlie lich wird der tzbare Anteil herausge tzt so dass die Kan le entstehen Diese Kan le haben typisch einen Durchmesser von 12 5 um Sum oder sogar 4um werden heute hei en Wasserstoffatmosph re entsteht in den Kan len eine halbleitende Ober fl che welche die gew nschte Sekundar den die k nftigen MCPs realisiert mit Mikroskopische Ansicht einer MCP Oberflache Die Grenzen der Sechseck Biindel sind hier deutlich sichtbar Quelle Vallerga et al 1989 elektronen Emissionscharakteristik auf weist Unter Vakuum werden schlieBlich 10 Versuch MCP Detektoren auf die beiden Seiten der MCP Metall Elektroden aufgedampft die den elektrischen
90. w Y Werte zwischen aufeinander folgenden Testimpulstypen berechnet Os X 1 X 2 X 1 Os X 3 X 3 X 2 entsprechend f r X 4 X 6 und f r die Y Werte Damit lassen sich impulsh henabh ngige Verschiebungen erkennen die in der Regel auf Offsetfehler zur ckzuf hren sind siehe Kap 2 5 4 S 27 Wie bei der Testimpuls Anzeige ist es auch hier wichtig dass die Hochspannung ausgeschaltet ist Diese Anzeige war auch in die Software der Bodenstation w hrend des 2 ORFEUS Fluges eingebaut Damit konnte sehr schnell die Funktion der gesamten Detektor Elektronik berpr ft werden insbeson dere konnte auch verifiziert werden dass die elektronische Aufl sung genauso gut war wie vor dem Flug gemessen 3 6 1 5 Verstarkungsanzeige injxj Die Verst rkungsanzeige zeigt den Mittelwert der Z Koordi Breite t0 nate von mindestens 1000 Messwerten an bei Z hlraten ber 1000 s wird mindestens 1 Sekunde gemessen Die Verst r kung wird in Volt Summensignal umgerechnet Aus der Standardabweichung wird mit dem Faktor 2 35 ein Ma f r a 7 die Halbwertsbreite berechnet und diese in Prozent des Ver Fenster Verst rkungsanzeige des Programms HV Kontrolle st rkungswertes angegeben Nur f r eine Normalverteilung w rde dieser Wert auch der geometrischen Halbwertsbreite entsprechen In den realen Impulsh henverteilungen kommt dieser Wert der geometrischen Halbwerts breite FWHM nur halbwegs nahe Diese Anze
91. wieder 4 4 Einschalten der Hochspannung Entfernen Sie alle Komponenten bis auf Lampe und Kondensor von der optischen Bank und positionieren Sie den Kondensor etwa 40 cm vor der Lampe An der Lampe muss die Streuscheibe angebracht sein Die optischen Komponenten bitte nicht mit den Fingern ber hren Klicken Sie auf AV entsichern vergewissern Sie sich dass das Detektor Ventil ge ffnet st klicken Sie die zutreffende Option an und klicken Sie auf OK Klicken Sie nun innerhalb von 5 Sekunden auf HV2 bis HV4 ein HV1 bleibt aus Die Hochspannung ist nun eingeschaltet und auf dem Detektor sollten Impulse erscheinen Stellen Sie den Z hlraten W hlschalter am DPA auf Total Pulses Schalten Sie die Lampe ein und dr cken Sie die Taste STORE des Speicherbildschirms Es dauert etwa eine Minute bis die Lampe mit voller Intensit t brennt In der Zeit w chst die Z hlrate kontinuierlich an Stellen Sie durch Verschieben des Kondensors eine Z hlrate von etwa 10 000 s ein Starten Sie im Programm HV Kontrolle den Men punkt Verst rkungsanzeige Klicken Sie ebenfalls im Programm HV Kontrolle unter HV3 auf Einstellen und ver ndern Sie den Hochspannungswert in 10 V Schritten b s eine Verst rkung von 3 0 V angezeigt wird Notieren Sie den eingestellten Hochspannungs wert auch sp ter immer wenn Sie den Wert ver ndern Beenden Sie die HV3 Einstellung und die Ver st rkungsanzeige erst stoppen dann schlie en 4 5 Dunkelstrom Schal

Versuch MCP-Detektoren

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