MPE Jahresbericht 1999 / MPE Annual Report 1999


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Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects


2. IR / Submillimeter Astronomie

2. IR / Submillimeter Astronomy

Neue Instrumententwicklungen werden den Aktivitätsbereich der Infrarotgruppe von nahen galaktischen Kernen und Sternentstehungsgebieten in Richtung auf Galaxien bei hoher Rotverschiebung erweitern. Unser Ansatz ist, wenige wissenschaftliche Schlüsselprojekte mit neuartigen Instrumenten für den gesamten Infrarot- bis Millimeterbereich anzugehen. Eigene Instrumente werden durch die Möglichkeiten von z.B. IRAM und ESO ergänzt. ISO in seiner Archivphase und das abbildende Nahinfrarotspektrometer 3D sind weiterhin produktiv, und ALFA beginnt Ergebnisse zu liefern. Neue Projekte im fernen und nahen Infrarot stehen in unterschiedlichen Stadien der Verwirklichung. SOFIA und FIRST, die beiden zukünftigen Beobachtungsplattformen für Ferninfrarot-Astronomie, haben 1999 wichtige Fortschritte erzielt. Im nahen Infrarot werden CONICA und SPIFFI/SINFONI am VLT und LUCIFER am LBT das große Potential der Teleskope der 8m-Klasse nutzen.

New instrument developments will extend the range of activities of the infrared group from local galactic nuclei and star forming regions towards galaxies at high redshift. Our approach is to tackle a few key scientific issues with novel instruments over the entire infrared to millimeter wavelength range. Our own instruments are supplemented by the potential of e.g. IRAM and ESO. ISO in its archive phase and the near infrared imaging spectrometer 3D continue to be productive and ALFA starts delivering results. New projects in the far- and near-infrared have reached different stages of completion. SOFIA and FIRST, two future observing platforms for far infrared astronomy, have made significant progress in 1999. In the near-infrared, CONICA and SPIFFI/
SINFONI on the VLT and LUCIFER on the LBT will exploit the large potential of 8m class telescopes.

Bei SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) wurden in diesem Jahr der Bau des Teleskopsystems und die Modifikation des Flugzeugs fortgesetzt mit dem Ziel, erste Testflüge im Jahr 2002 durchführen zu können. Am MPE wurde FIFI LS (Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) weiterentwickelt, ein abbildendes Ferninfrarot-Spektrometer mit gleichzeitigem Nachweis eines spektral zerlegten Wellenlängenbereichs für jeden Bildpunkt. Das Konzept für FIFI LS zielt auf eine Maximierung der Beobachtungseffizienz ab. Wegen der thermischen Strahlung eines warmen Teleskops läßt sich die Datenausbeute selbst unter stratophärischen Bedingungen nur durch eine Steigerung des optischen Durchsatzes und durch die Zahl der simultan nutzbaren Datenkanäle erhöhen. In unserem Instrument kommen deshalb zwei separate Gitterspektrometer mittlerer Auflösung (R ~ 1700) mit zwei großen Ge:Ga Detektorarrays von 16 x 25 Pixeln (insgesamt 800 Detektoren) zum Einsatz und decken zusammen den Bereich 42-210 m ab.

For SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), both the construction of the telescope system, and the modification of the aircraft continued in 1999 with the goal of carrying out the first engineering flights in 2002. At MPE we continued to develop FIFI LS (the Field-Imaging Far-Infrared Line Spectrometer) which has both spatial, and spectral multiplexing capabilities. Our design for FIFI LS is driven by the goal of optimizing observing efficiency. The sensitivity of a well designed FIR instrument is limited by the thermal background of telescope and atmosphere even with a stratospheric observatory. The observing efficiency can only be increased by raising the throughput of the spectrometer and the number of simultaneous (useful) data channels. Our instrument will therefore feature two separate medium resolution (R ~ 1700) grating spectrometers with common fore-optics feeding two large format Ge:Ga arrays of 16 x 25 pixels each (800 detectors total), covering together the range 42-210 m.

Dieses Instrument wurde vom DLR als Experimentvorschlag angenommen. Im Anschluß an die erfolgreiche vorläufige Überprüfung der Flugtauglichkeit (Preliminary Design Review) wurde in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Dohnalek der Entwurf des Kryostaten mit optischer Bank und der Haltestruktur für das SOFIA-Teleskop fortgeführt. Für die endgültige Überprüfung (Critical Design Review) der Flugtauglichkeit wurde eine komplette Finite-Elemente-Analyse aller strukturellen Teile, insbesondere der Kryostatgefäße, sowie eine detaillierte Vorkonstruktion der kritischen Kryomechanismen (Gitterantrieb, Drehdurchführungen) ausgearbeitet. Auf Komponentenebene wurden dazu Tests bei Stickstoff- und Heliumtemperatur durchgeführt. Entwurf und Analyse der Optik wurden komplettiert. Mit dem Entwurf des Echtzeit-Steuerungssystems für den Betrieb im Flugzeug wurde begonnen.

This instrument proposal has been accepted by DLR as one of the two German first-generation instruments. After a successful preliminary design review for airworthiness certification (FAA) we continued, in collaboration with the consulting engineer firm Dohnalek, the design of the cryostat with optical bench and the mounting structure for the SOFIA telescope. For the imminent critical airworthiness design review, a complete finite-element analysis of all structural parts has been carried out, in particular for the cryogenic pressure vessels, as well as a detailed design study for the critical cryo-mechanisms (grating drive, mechanical feedthroughs). The design work was complemented by cryogenic tests on a component level. Design and analysis of the optics have been completed, and the design of the real-time control system for on-board operation has been started.

Für die Cornerstonemission FIRST (Far Infrared and Submillimetre Telescope) der ESA hat das MPE als PI-Institut innerhalb eines europäischen Konsortiums die Verantwortung für Bau und Betrieb eines der drei Nutzlastinstrumente übernommen. In diesem Jahr wurde das Gesamtprojekt (FIRST /Planck) von der ESA endgültig bestätigt. Das von uns entworfene Instrument PACS (Photoconductor Array Camera & Spectrometer) ist ein abbildendes, kombiniertes Photo/Spektrometer für den Wellenlängenbereich 60210 m. Wie FIFI LS basiert es auf Detektorarrays mit 25 x 16 gedrückten/unge-drückten Germaniumdetektoren.

For the ESA cornerstone mission FIRST (Far Infrared and Submillimetre Telescope), MPE as the PI-institute in a European consortium has taken the lead in the construction and operation of one of the three scientific payload instruments. The FIRST/Planck mission has received its final confirmation by ESA this year. The instrument under development, PACS (Photoconductor Array Camera & Spectrometer), will be a combined imaging photo/spectrometer for the wavelength range 60210 m. Like FIFI LS, it is based on arrays of 25 x 16 pixels of stressed/unstressed Germanium detectors.

Abb. III-4: Simulation von tiefen Himmelsdurchmusterungen mit FIRST. Dargestellt ist eine Verteilung von Quellen in verschiedenen photometrischen Bändern wie sie bei einer typischen Beobachtung mit dem PACS und dem SPIRE-Instrument auf FIRST zu erwarten ist (links). Das rechte Bild enthält nur Quellen mit einer Rotverschiebung z>1.

Fig. III-4: Simulation of deep surveys with FIRST. Shown is a distribution of sources in the various photometric bands as expected for typical observations with the PACS and SPIRE instruments on FIRST (left). The right image shows only sources with z>1.

Im Photometriebetrieb wird PACS ein Gesichtsfeld von ~ 1,5' x 1' bzw. 3' x 2' gleichzeitig in zwei Wellenlängenbändern, 6090 oder 90130 m und 130210 mm, mit beugungsbegrenzter Auflösung abbilden. Die überlegene Empfindlichkeit und Winkelauflösung wird vor allem bei tiefen Durchmusterungen zum Tragen kommen, die uns einzigartige Information über die Entstehung von Galaxien im frühen Universum geben werden sowie neue Einblicke in die Sternenstehung im Innern von Molekülwolken. Zur Vorbereitung der tiefen extragalaktischen Durchmusterungen wurden Simulationen der Anzahl und der spektralen Energieverteilung leuchtkräftiger Galaxien als Funktion der Rotverschiebung innerhalb eines durchmusterten Feldes in Angriff genommen. Erste Ergebnisse sind in Abb. III-4 dargestellt. Eine Kombination aller photometrischen Bänder von FIRST wird eine weitgehende Identifizierung hochrotverschobener, leuchtkräftiger Quellen erlauben, die in der Folge durch Spektroskopie genauer charakterisiert werden können. In photometry mode, PACS will image a field-of-view of ~ 1,5' x 1' or. 3' x 2' simultaneously in two wavelength bands, 6090 or 90130 m and 130210 m, respectively, with full diffraction-beam sampling. Its superior sensitivity and angular resolution compared to competing missions will be crucial. In particular, deep surveys will give us unique information about the formation of galaxies in the early Universe, as well as new insight into star formation inside nearby molecular clouds. In preparation for the deep extragalactic surveys we have started a program to simulate the number and spectral energy distribution of observable IR-luminous galaxies as a function of redshift within a surveyed field. First results are shown in Fig. III-4. A combination of all photometric bands of FIRST will allow a fairly reliable identification of highly redshifted, luminous sources which can then be characterized in detail by follow-up spectroscopy.
Im Spektroskopiemodus wird PACS ein Gesichtsfeld von ~ 50'' x 50'' abdecken und dabei wie FIFI LS für jeden Bildpunkt gleichzeitig ein Linienspektrum erzeugen. Damit sind detaillierte Untersuchungen an z.B. Galaxienkernen, wechselwirkenden Galaxien oder Galaxien niedriger Metallizität möglich. Da vom Bildzerleger starke Beugungseffekte erwartet werden, wurde eine Beugungsanalyse des gesamten Spektrometerteils durchgeführt.

In spectroscopy mode PACS will cover a field-of-view of ~ 50'' x 50'' and, like FIFI LS, simultaneously produce a line spectrum for each pixel. This allows, e.g., detailed studies of galactic nuclei, interacting galaxies, or low metallicity galaxies. Since strong diffraction effects are to be expected from the image slicer, a diffraction analysis of the entire spectrometer section was carried out.

Für die kryogene Fokalebenen-Einheit wurde in Abstimmung mit DLR als Hauptauftragnehmer Kayser-Threde (München) ausgewählt. Seitdem wurde in Zusammenarbeit mit K-T an einem detaillierten Entwurf der Optik sowie einem Konzept für die Struktur, die kryogenen Mechanismen und die Kalibrierquellen gearbeitet. Die Charakterisierung und Eichung des Instruments erfolgt in der Verantwortung des MPE. Die Definition aller benötigten Eich- und Testeinrichtungen wurde weitgehend abgeschlossen und mit der Entwicklung spezieller Meßaufbauten begonnen. Die am MPE und MPI für Astronomie (Heidelberg) gemeinsam durchzuführende Erprobung aller 200 Detektormodule verlangt drei spezielle Kryostaten mit den erforderlichen Testoptiken. Das Design hierfür ist in wesentlichen Punkten abgeschlossen, die Fertigung beginnt zur Zeit. Die Auslegung des großen Testkryostaten samt Optik für die Eichung des Gesamtinstrumentes wurde begonnen.

Kayser-Threde (Munich) has been selected, in close coordination with DLR, as the main contractor for the cryogenic focal plane unit. Meanwhile, we have worked in collaboration with K-T on a detailed re-design of the optics as well as on a conceptual design for the structure, cryogenic mechanisms, and calibration sources. MPE is responsible for the complete characterization and calibration phase of the instrument. All required test- and calibration equipment is under specification. Design and development of special set-ups were started. MPE and MPI for Astronomy (Heidelberg) share the effort required for performance testing of all (200) detector modules. Three cryostats with special optics will be used for this task. Layout is largely completed and manufacture of parts has begun. Design of the big test cryostat including optics to perform the instrument calibration was started recently.
Abb. III-5: Photographie einer der 25 linearen Detektorzeilen mit 16 gedrückten Ge:Ga-Pixeln aus denen ein PACS-Detektorarray besteht (links). Die mittlere Abbildung zeigt eine Nahansicht der Detektoren und Druckstempel bei abgenommenen Lichtleithörnern. Die übereinstimmenden spektralen Empfindlichkeitskurven von verschiedenen Detektoren entlang des Stapels von 16 Detektoren demonstrieren die Homogenität des aufgebrachten Druckes entlang des Stapels (rechts).

Fig. III-5: Photography of one of the 25 linear 1 x 16 pixel stressed Ge:Ga detector modules which form a detector array for PACS (left). A close-up view of the detectors and stress pistons with the light cones removed is shown in the middle. The homogeneity of the stress along the stack of detectors is demonstrated by the similarity of the spectral response curves for various detectors (right).

Ergänzend zu den verschiedenen am MPE betriebenen Tieftemperatur-Eichanlagen müssen für die Verifizierung von PACS externe Einrichtungen benutzt werden: Eine über den gesamten Wellenlängenbereich von PACS durchstimmbare Infrarotstrahlungsquelle bei LENS in Florenz, Italien zur Wellenlängeneichung; eine 10 MeV Protonenquelle am PSI in Zürich, Schweiz zur frühzeitigen Untersuchung des Detektorverhaltens unter hochenergetischer Teilchenstrahlung; eine kryogene Schüttelanlage (voraussichtlich bei CSL in Liège, Belgien) für den Qualifikations- und Fluglast-Nachweis der Schüttellasten auf den gekühlten Nutzlastteil.

In addition to the various MPE test equipment, the verification of PACS requires different test systems outside MPE as follows: a tunable far-infrared radiation source at LENS, Florence, Italy to perform the overall wavelength calibration; a 10 MeV proton irradiation source at PSI, Zurich, Switzerland to investigate on the EM detector modules the spiking behaviour (in orbit simulation) early in the program; a cryo-vibration shaking facility (likely at CSL, Liège, Belgium) to perform the qualification and flight acceptance vibration tests on the cold focal plane unit.
Für FIFI LS und PACS entwickeln wir in Zusammenarbeit mit ANTEC (Kelkheim) zweidimensionale 25x16 Pixel Detektorarrays mit gedrückten und ungedrückten Ge:Ga Detektoren (Abb. III-5) für den Wellenlängenbereich 120 bis 210 m bzw. 40 bis 120 m. Inzwischen konnten die ersten Module (1x16 Detektorelemente) sowohl auf ihre relative spektrale Empfindlichkeit (Abb. III-5) als auch auf ihre Absolutempfindlichkeit (Quantenausbeute) hin untersucht werden. Der nahezu identische spektrale Verlauf bestätigt das mechanische Konzept der gedrückten Module. Erste Messungen der Quantenausbeute an einigen FIFI LS Detektoren mit aufgesetzter Voroptik weisen auf einen gegenüber früheren Entwicklungen deutlich verbesserten Wert hin.

For FIFI LS and PACS we are developing in collaboration with ANTEC (Kelkheim) two-dimensional 25x16 detector arrays of both stressed and unstressed Ge:Ga detectors (Fig. III-5) for the wavelength range of 120 to 210 m and 40 to 120 m, respectively. The first modules (1x16 detector elements) have been characterized, both in terms of their relative spectral response (Fig. III-5) and for their absolute sensitivity (quantum efficiency). The nearly identical spectral response of all pixels proves the mechanical concept of the stressed modules. First measurements of the quantum efficiency of a few FIFI LS detectors with foreoptics indicate a significant improvement compared to previous developments.

Galliumarsenid-Detektoren können den Wellenlängenbereich bis auf 300 m erweitern. In diesem Jahr konzentrierte sich unsere Entwicklungsarbeit auf zwei wesentliche Bereiche: auf die Herstellung eines Probearrays und auf den Aufbau einer neuen Zentrifugenanlage zur Herstellung dicker GaAs-Schichten. Die Fertigung und Erprobung einer monolithischen rückseitig beleuchteten 4x8 - Element Detektoranordnung ist noch Teil des laufenden Projektes FIRGA, einer von ESTEC geförderten Studie zur Entwicklung eines Photoleiter-Arrays aus n-leitendem Galliumarsenid. Nach Einbau einer kryogenen Ausleseelektronik (CRE) in das Detektormodul wird demnächst mit der Erprobung bei 1.6 Kelvin begonnen.

Gallium arsenide photoconductors offer an extension of the wavelength range up to 300 m. This year, we concentrated our development activities on two important topics: The manufacture of a pilot array and the set-up of a novel dedicated centrifuge for the growth of thick GaAs-layers. Development and test of a back-illuminated 4x8 pixel monolithic demonstrator array is part of the FIRGA study, an ESTEC sponsored development program of a photoconducting n-type gallium arsenide detector array. The detector will be connected to a cryogenic read-out electronics chip (CRE). Performance tests of the device at 1.6 Kelvin will start soon.

Um die Qualität des n-leitenden Ausgangsmaterials zu verbessern, entwickeln wir in enger Zusammenarbeit mit der Flüssigphasenepitaxie-Gruppe des MPI für Festkörperforschung eine Zentrifugenanlage zur Materialzüchtung. Mit dieser Methode kann die Material-verunreinigung durch mechanische Bewegungen des Kipptiegels (diese zeigt sich in unerwünscht hohen Akzeptorkonzentrationen im n-leitenden Halbleiter) vermieden werden: Zentrifugalkräfte und die Gravitation übernehmen den Materialtransport im geschlossenen Reaktorgefäß. Die Zentrifuge wird demnächst fertiggestellt. Nach einigen Erprobungsläufen wird sie in das neu errichtete und gemeinsam von UCB/MPE betriebene Labor in Berkeley gebracht.

In order to improve the quality of the n-doped GaAs material, we are developing in close cooperation with the liquid phase epitaxy group of the MPI of solid state research in Stuttgart a dedicated centrifuge. Using this technique, contamination caused from mechanical movements by slider boats, wear and abrasion (producing unwanted high acceptor impurity concentration in the n-type semiconductor) can be avoided since solutions are transported inside the crucible by a combination of centrifugal force and gravity. The equipment is approaching completion, after pre-growth experimental runs the system will be moved over to the new UCB/MPE laboratory in Berkeley.
Als feldabbildendes Nahinfrarotspektrometer der nächsten Generation entwickeln und bauen wir zur Zeit SPIFFI für den Einsatz am Very Large Telescope (VLT). Mit SPIFFI weiten wir unsere grundlegenden Entwicklungen auf dem Gebiet der abbildenden Spektroskopie im nahen Infrarot auf 8m-Teleskope aus. Anders als bei konventionellen Langspalt-Spektrometern mißt dieses Instrument in einer einzelnen Belichtung die Spektren für jeden Bildpunkt eines zusammenhängenden zweidimensionalen Gesichtsfelds. Im Rahmen von SINFONI, einer Zusammenarbeit mit ESO, wird das Instrument zusammen mit der adaptiven Optik MACAO betrieben werden. Mit SINFONI können auch Spektren für sehr kompakte Objekte gewonnen werden, die bisher in den durch die Luftunruhe verschmierten Bilder nicht auszumachen waren. Das Herzstück von SPIFFI ist der Bildzerleger aus 64 kleinen Spiegeln. Diese "zerschneiden" das Bild in viele kleine Spalte, die dann getrennt in einem klassischen Spektrometer analysiert werden können. Der Bildzerleger aus Spiegeln wurde 1999 statt des Konzept eines Glasfaserbildzerlegers ausgewählt, das wir weiter fortentwickeln. Dieses Jahr sind wir von der Planungsphase in die Konstruktions- und Fertigungsphase übergegangen. Das Instrument wird im Jahr 2001 fertiggestellt sein. As a next generation near-infrared integral field spectrometer we are currently developing and constructing SPIFFI for use at the Very Large Telescope (VLT). With SPIFFI we are extending our pioneering work in the field of imaging spectroscopy in the near-infrared wavelength range to 8m telescopes. In contrast to a conventional long-slit spectrometer, this instrument is capable of measuring the spectrum of every single image-point in a contiguous two-dimensional field with a single exposure. In the framework of SINFONI, a collaboration with ESO, the instrument will be used with the adaptive-optics system MACAO. SINFONI will allow observation of spectra of highly compact objects, which have been blurred by atmospheric seeing, and therefore could not be resolved till now. The heart of SPIFFI is the image-slicer consisting of 64 little mirrors. These mirrors "cut" the image into small slices, which can then be analyzed with a classical spectrometer. The mirror slicer has been selected in 1999 instead of the fiber slicer concept which we continue to develop further. This year we have finished the planning phase and started the detailed design and construction. The instrument will be commissioned in 2001.

Abb. III-6: Zeichnung des Bildzerlegers, des Herzstücks des abbildenden Spektrometers SPIFFI. Seine 64 kleinen Spiegel "zerschneiden" das zweidimensionale Bildfeld in viele kleine Spalte, die dann getrennt in einem klassischen Spektrometer analysiert werden können.

Fig. III-6: Drawing of the image-slicer, the heart of the imaging spectrometer SPIFFI. Its 64 little mirrors "cut" the two-dimensional field into many little slices, which can then be analyzed separately with a classical spectrometer.

Das Large Binocular Telescope (LBT)-Projekt, an dem fünf deutsche Institute einschließlich MPE einen 25%-Anteil haben, schreitet rasch voran. Als Teil des MPEBeitrags stellen wir 14 Unterstützungspunkte her, die die beiden Hauptspiegel fest lagern. Der erste Unterstützungspunkt wurde 1999 hergestellt und wird ab Anfang nächsten Jahres getestet. The Large Binocular Telescope (LBT) project, in which five German institutes, including MPE, have a 25% share, is progressing rapidly. As part of MPEs contribution to the project, the institute is fabricating 14 hardpoints, which provide the stiff supports for the two primary mirrors. The first hardpoint has been fabricated in 1999, testing will begin early next year.

MPE wird auch im großen Maßstab zur Instrumentierung des LBT beitragen. Zum Nahinfrarotspektrographen LUCIFER werden sowohl die feldabbildende Einheit (IFU) als auch die Multiobjektspektrographeneinheit (MOS) beigetragen. IFU und MOS sind die spezifischsten Komponenten von LUCIFER. Die LUCIFER IFU wird der für SINFONI gebauten nachgebildet. Sie wird an die mechanischen Randbedingungen des Kryostaten und die Nutzung von Kollimator, Gitter und Kamera des Spektrographen angepaßt. Die MOS-Einheit wird positionierbare IFUs enthalten, die aus Bündeln von je 24 aufgeweiteten Fasern bestehen. Diese Technik wird vom MPE für Fasern in kryogenen Systemen entwickelt. Das vorläufige Design beider Module ist weit fortgeschritten. Eine Überprüfung des vorläufigen Entwurfs ist für Anfang nächsten Jahres geplant. Der Vertrag mit der LBT Corporation soll Anfang Dezember unterzeichnet werden.

MPE will also contribute in a major way to LBT instrumentation, providing both the Integral Field Unit (IFU) and the Multi-Object Spectroscopy (MOS) unit for the LBT LUCIFER near infrared spectrograph. The IFU and MOS unit represent the two most unique features of the LUCIFER instrument. The LUCIFER integral field unit (IFU) will be styled after that built for SINFONI. It will be adapted to fit the mechanical constraints of the cryostat, and to use the collimator, grating, and camera of the spectrograph. We plan to employ deployable IFUs in the MOS unit each consisting of a bundle of 24 flared fibers, a technology being developed by MPE for using fibers in cryogenic systems. The preliminary design of both modules is well underway, with a Preliminary Design Review for LUCIFER planned early next year. The contract with the LBT Corporation is expected to be signed in December.

MPE hat an zwei Konsortien teilgenommen, die Instrumentkonzepte für das Next Generation Space Telescope (NGST) untersuchen. Beide Studien wurden von der ESA gefördert. Die erste Studie befaßte sich mit dem Entwurf eines feldabbildenden Spektrographen für NGST, aufbauend auf dem äußerst erfolgreichen Konzept des Bildfeldzerlegers des feldabbildende Nahinfrarotspektrographen 3D des MPE. Die Ergebnisse der Studie wurden vom Konsortium im September auf einer Konferenz in Hyannis, USA vorgestellt. Die Ad-hoc wissenschaftliche Arbeitsgruppe (ASWG) wird auf der Basis dieser Vorstellungen Empfehlungen für die Instrumentierung des NGST abgeben. Falls ESA sich für den Bau eines feldabbildenden Instruments als Beitrag zum NGST entschließt, wird eine Ausschreibung für Phase A im nächsten Jahr erwartet.

MPE participated in two consortia exploring instrument concepts for the Next Generation Space Telescope (NGST). Both studies were sponsored by the European Space Agency. The first study involved the design of an Integral Field Spectrograph for NGST, based on the very successful design of the image slicer used in the MPE 3D near infrared integral field instrument. The results of the study were presented by the consortium at a conference held in Hyannis, USA in September. The Ad-hoc Science Working Group (ASWG) will make recommendations for the instrumentation to be carried by NGST based on these presentations. If ESA decides to build such an integral field instrument as its contribution to NGST, a Phase A call for proposals is expected late next year.

Weitere Fortschritte gab es beim Natrium-Laserleitstern ALFA. ALFA ist ein System adaptiver Optik mit Laserleitstern am 3.5m-Teleskop auf Calar Alto, Spanien, das gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und MPE entwickelt wurde. Dank Verbesserungen in allen Aspekten des Systems arbeitet ALFA jetzt nahe an der theoretischen Grenze: Unter guten Bedingungen kann für schwache Sterne von V=13 mag die Beugungsgrenze erreicht werden. Progress continues on the sodium laser guide star project ALFA, an adaptive optics system with a laser guide star at the 3.5-m telescope on Calar Alto, Spain. ALFA has been jointly developed by the Max-Planck-Institute for Astronomy (MPIA) and MPE. Improvements in all aspects of the system mean that ALFA is now performing close to the theoretical limit: in good conditions the diffraction limit can be reached for stars as faint as V=13 mag.

Beobachtungskampagnen mit Omega-Cass und dem feldabbildenden Spektrometer 3D des MPE ergaben wissenschaftliche Ergebnisse für vielfältige Objekte. Eines der schwierigsten Ziele mit "natürlichem Leit-stern" war NGC 1068, für das im H-Band eine Auflösung von 0.25" erreicht wurde. Die Leistung mit Laserleitstern hat sich ebenfalls verbessert. Bei einem intrinsischen Seeing von fast 1" konnten wir, durch Benutzung eines V=15 mag Tip-Tilt-Sterns 42" neben NGC 6764 und Ausrichtung des Laserleitsterns auf die Galaxie, Struktur im 1.1" großen Kern auflösen. Ein weiterer signifikanter Fortschritt war das Erreichen der Beugungsgrenze, während höhere Fehlerordnungen der Wellenfront mit dem Laserleitstern korrigiert wurden (Abb. III-7).

Observing runs during the year using Omega-Cass and MPE's 3D integral field spectrometer produced scientific results on a wide range of objects. One of the most difficult "natural guide star" targets was NGC 1068, on which an H-band resolution of 0.25" was reached. The performance with the laser guide star has also improved. In an intrinsic seeing of almost 1" we were able, by using a V=15 mag tip-tilt star 42" from NGC 6764 and pointing the laser guide star at the galaxy, to resolve some structure in the 1.1" nucleus. The year also brought a significant step forward when we reached the diffraction limit while correcting the high-order wavefront errors using the laser guide star (Fig. III-7).
Mit ALFA wurde erfolgreich ein LIDAR-Experiment getestet, das auf Messung der Photonenflugzeit während sorgfältiger Modulation des Laserstrahls beruht. Es erlaubte Messungen von Höhe und Profil der Natriumschicht innerhalb weniger als einer Minute. Nach Vervollständigung werden die Daten sehr nützlich sein, um eine statistische Datenbasis der Veränderlichkeit der Natriumschicht über Calar Alto aufzubauen. Sie werden eine äußerst genaue Höheneichung liefern um die Fokussierung des Wellenfrontsensors auf dem Laserleitstern zu unterstützen.

A LIDAR experiment, based on measuring the time of flight of photons while carefully modulating the laser beam, was successfully carried out with ALFA. It allowed measurements of the height and profile of the sodium layer to be made in less than a minute. Once completed, the data will be very useful for building a statistical database of the variability of the sodium layer at Calar Alto, as well as providing an extremely accurate height calibration scale to assist focussing the wavefront sensor on the LGS.
Abb. III-7: Leistung des ALFA Laserleitsterns. Links: Seeing 0.65" im K-Band bei geöffnetem Regelkreis. Mitte links: 0.49" mit Tip-Tilt-Korrektur. Mitte rechts: Mit Korrektur höherer Ordnungen durch den Laserleitstern Strehlzahl 12.8% in einer Aufnahme von 200 Sekunden. Rechts: Die besten 10 Sekunden mit Laserleitstern waren beugungsbegrenzt mit Strehlzahl 23%.

Fig. III-7: Performance of the ALFA laser guide star. Far left: open loop K-band seeing was 0.65". Centre left: with tiptilt correction, 0.49". Centre right: with the laser guide star correcting high-orders, a 200 sec integration had a Strehl ratio of 12.8%. Far right: the best 10 sec with the laser guide star was diffraction limited with a Strehl ratio of 23%.

CONICA ist eine Nahinfrarot-Kamera für den Spektralbereich von 1 bis 5m, die ab Herbst 2000 zusammen mit der adaptiven Optik NAOS an einem der VLT-Teleskope der ESO eingesetzt werden wird. CONICA ist für beugungsbegrenzte Bilder ausgelegt. Das Instrument verfügt über 4 Grisms (spektrale Auflösung R£ 1000), ein stickstoffgekühltes K-Band Fabry-Perot Etalon (R» 2000), 4 Drahtgitter-Polarisatoren, 2 Wollaston-Prismen, sowie über 3 koronographische Masken, 3 Spaltmasken für Spektroskopie, 2 Streifenmasken für die Wollaston-Prismen, und 4 Gesichtsfeldmasken. Damit ist Breitband- und Schmalbandphotometrie, niedrig auflösende Spektroskopie und Polarimetrie mit einer räumlichen Auflösung bis zu etwa 40 Millibogensekunden möglich. CONICA wird vom MPIA und vom MPE gebaut. Das MPE ist zuständig für das Detektor-Array und die Ausleseelektronik, den schnellen kalten Kameraverschluss, und die Programme zur Datenauswertung. Im Berichtszeitraum wurde das Aladdin-Array, ein InSb-Detektor mit 1024 x 1024 Elementen, zusammen mit der Ausleseelektronik getestet und charakterisiert. Die Einheit konnte im September an das MPIA zur Integration in den CONICA-Kryostaten übergeben werden. Ein ESO-Standardsoftware-Paket zur Steuerung und Auslesung des Detektors (DCS) wurde den speziellen Anforderungen von CONICA (z.B. Shutter-Steuerung) angepasst und in das Gesamtsystem der CONICA-Software integriert. Die Elektronik des kalten Shutters wird integriert und bis Ende des Jahres getestet. Parallel zu CONICA wurde an LISA, der Kamera für VINCI gearbeitet. VINCI ist das Testinstrument für das VLT Interferometer, es ist daher wichtig, daß das Instrument einfach aufgebaut und funktionssicher ist. Die Kamera soll im Frühjahr 2000 bei ESO in das Interferometer integriert werden. Um den engen Zeitplan einhalten zu können, werden soweit möglich vorhandene Komponenten benutzt. Ein am MPE vorhandener Kryostat wird zur Zeit modifiziert, um die neue Optik, die Bandfilter und das von ESO beigestellte Detektor-Array (ein HgCdTe Hawaii-Array) mit seinen Vorverstärkern unterbringen zu können. Im Frühjahr wird der Kamera-Kryostat mit seinen Komponenten integriert sein, dann beginnen die Funktionstests mit der von der ESO beigestellten Ausleseelektronik.

CONICA is a near-infrared camera for the spectral range from 1 to 5m which will be installed together with the adaptive optics system NAOS (built by a French consortium) at one of ESO's VLT telescopes in fall of 2000. CONICA is designed for diffraction-limited imaging. The instrument includes 4 grisms (spectral resolution R£ 1000), a liquid nitrogen cooled Fabry-Perot interferometer for the K-band (R» 2000), 4 wire grid polarizers, 2 Wollaston prisms, and several coronographic, slit, and field masks. These components allow wide band and narrowband photometry, low resolution spectroscopy, and polarimetry with a spatial resolution down to about 40 milliarcseconds. CONICA is being built by MPIA and by MPE. MPE is responsible for the detector array, the readout electronics, the fast cold shutter and the data reduction software. In 1999, the Aladdin array, an InSb array with 1024 x 1024 pixel, has been tested and characterized together with the readout electronics. The system has been delivered to MPIA in September for integration into the CONICA cryostat and further testing. An ESO standard software package for the control and readout of infrared arrays (DCS) has been adapted to the special CONICA requirements and has been integrated into the CONICA system software. The electronics of the cold shutter is presently being integrated and will be tested by the end of the year. LISA, the infrared camera for the VLT interferometer test instrument VINCI, is also being built at MPE. Since it will be used for testing the performance of the rather complicated VLTI delay lines it should be as simple as possible and use to a large extent existing and tested components. LISA mainly uses existing components such as a cryostat available at MPE, a standard ESO readout system, and a Hawaii array (HgCdTe from Rockwell) which is also supplied by ESO. The optical components of the camera have been newly designed by the VINCI team and have been procured by MPE. Presently, the cryostat is modified to accommodate the ESO cold array electronics. LISA will be integrated at the end of this year, then the system will be tested together with ESO's readout electronics. In spring 2000, it will be ready for integration into the interferometer at ESO.

Im Jahr nach Ende der ISO-Mission konzentrierten sich die Aufgaben des ISO-Spektrometerdatenzentrums (ISOSDC) am MPE auf Softwareverbesserungen und Kalibrationsaktivitäten im Rahmen der bis Ende 2000 andauernden Archivphase. Neben der Weiterentwicklung der Software zur wissenschaftlichen Auswertung der ISO-SWS-Daten (Pipeline, Interactive Analysis) und der erstmaligen Freigabe einer offenen Version der Interactive Analyis (OSIA) wurde die Entwicklung des gemeinsam für SWS und LWS entwickelten ISO Spectral Analysis Package (ISAP) zum Abschluß gebracht. ISOSDC unterstützte die Entwicklung des zentralen Archivsystems des ISO-Datenzentrums der ESA in Villafranca, in dem seit Ablauf der letzten Schutzfristen im Sommer sämtliche ISO-Daten frei zur Verfügung stehen. Eine Kopie dieses Systems für die SWS-Daten wird am ISOSDC installiert. Damit wird ständig die neueste Kalibration zur Verfügung gestellt und der Zugriff auf größere Beobachtungssätze erleichtert. Kalibrationsaktivitäten konzentrierten sich auf die Charakterisierung der spektralen Auflösung von SWS und die Erweiterung des nutzbaren Konfigurationsbereichs durch Eichung weiterer Kombinationen von Detektor, Apertur und Gitterordnung. Großen Raum nimmt weiterhin die Unterstützung deutscher und teilweise internationaler Astronomen bei der Auswertung ihrer ISO-Spektrometerdaten ein. Das ISOSDC ist erreichbar über http://www.mpe-garching.
mpg.de/ISO/isosdc.html.

One year after the end of the ISO-mission, activities of the ISO spectrometer data center (ISOSDC) at MPE focussed on software improvements and calibration in the framework of the archive phase which lasts until end of 2000. In addition to further development of the software for scientific analysis of ISO-SWS data (Pipeline, Interactive Analysis) and the first release of an open version of the Interactive Analysis (OSIA), development was completed for the ISO Spectral Analysis Package developed jointly for SWS and LWS. ISOSDC supported the development of a central archive system at ESAs ISO data center in Villafranca, which provides free access to all ISO data since expiry of the last proprietary periods this summer. A copy of this system for SWS data is being installed at the ISOSDC, in order to provide the most recent calibration and facilitate the access to large sets of observations. Calibration activities were focussed on characterising the spectral resolving power of SWS and on enlarging the useful range of configurations by calibration of additional combinations of detector, aperture, and grating order. Emphasis continues to be put on support of German and partly international astronomers for reduction of their ISO spectrometer data. The ISOSDC can be contacted via http://www.mpe-garching.mpg.de/ISO/isosdc.html.
Das ISO-Spektrometerdatenzentrum wird unterstützt vom DLR (50 QI 9402 3) und SRON/ESA (10999/
94/NL/CC). FIRST/PACS wird gefördert vom DLR (50 OF 9901 1). Die EU/TMR unterstützt die Projekte Laserleitstern und ELAIS (CT96-0094 und 0068). Unsere Zusammenarbeit mit der Universität Tel Aviv wird mit einem GIF-Grant (I-0551-186.07/97) gefördert. ESO unterstützt das Projekt CONICA (35685/VLT/91/7843), ESA das Projekt FIRGA (11450/95/NL/PB). Wir erhalten Unterstützung der Verbundforschung für ISO und Lucifer (50 OR 9913 7 und 05 AL9EE1 7).
The ISO spectrometer data center is supported by DLR (50 QI 9402 3) and SRON/ESA (10999/94/NL/CC). FIRST/PACS is supported by DLR (50 OF 9901 1). EU/TMR supports the projects Laser Guide Star and ELAIS (CT96-0094 and 0068). Our collaboration with Tel Aviv University is supported by a GIF grant (I-0551-186.07/97). ESO supports the CONICA project (35685/
VLT/91/7843), ESA the FIRGA project (11450/95/
NL/PB). We receive support from Verbundforschung for ISO and LUCIFER (50 OR 9913 7 ad 05 AL9EE1 7).

MPE Jahresbericht 1999 / MPE Annual Report 1999


HTML version: 2000-03-13; Helmut Steinle