Der Echelle-Detektor

Frontseite
Rückseite

Diese Fotos zeigen den Echelle-Detektor, genauer: das vakuumdichte Gehäuse des Echelle-Detektors. Der Detektor wurde an unserem Institut entwickelt und gebaut. (Klicken Sie auf die Bilder um eine größere Ansicht zu bekommen.)

Vorne links ist der Verschluß zu sehen. Der Verschluß besteht aus einem handelsüblichen Plattenventil, welches mit einem motorischen Antrieb versehen wurde. Wenn der Verschluß geöffnet wird, gibt er die runde Öffnung frei, durch die das Licht direkt auf den eigentlichen Detektor fällt.

Die rechte Seite enthält die Stecker: 8 Hochspannungsstecker, einen Stromversorgungsstecker und einen Signalstecker.

Oben befindet sich ein Hochvakuumventil mit einem Pumpstutzen. Über dieses Ventil wird der Detektor während der Labor-Messungen gepumpt. Zum Betrieb des Detektors ist in dem Detektorgehäuse ein Vakuum von besser als 10-4 mbar notwendig. Wenn der Detektor nicht gepumpt wird, wird er über dieses Ventil mit reinem Argon-Gas geflutet, um zu verhindern, daß das Detektorgehäuse durch immer vorhandene kleine Lecks allmählich mit Luft gefüllt wird. Die in der Luft vorhandene Feuchtigkeit würde die Kaliumbromid (KBr) Photokathode des Detektors zerstören. Außerdem würde dies zur Verlängerung der Ausgaszeit des Detektors im Weltall führen. Gerade dort kommt es aber darauf an, daß das notwendige Vakuum möglichst schnell erreicht wird. Das Detektorgehäuse wird daher auch nach dem Einbau in den ASTRO-SPAS noch regelmäßig abgepumpt und frisch mit Argon gefüllt (Bild).

Das Prinzip des Echelle-Detektors

Der Echelle-Detektor ist ein photonenzählender, abbildender Detektor. Er registriert einzelne Photonen, bestimmt zu jedem Photon den Auftreffpunkt auf der Bildfläche und speichert die Photonenkoordinaten in einem Computer ab. 

Der Detektor besteht aus Mikrokanalplatten (micro channel plate, MCP) und einer Keil-Streifen-Anode (wedge-and-strip anode).

Mikrokanalplatten sind Platten mit mikroskopisch kleinen gebündelten Elektronenvervielfacher-Kanälen. Sie bestehen aus Glas. Die Ober- und Unterseite der Mikrokanalplatten sind mit metallischen Elektroden versehen. Dort wird eine Spannung von typisch 1000V angelegt. Die inneren Kanaloberflächen sind halbleitend beschichtet. Ein auf die Kanaloberfläche auftreffendes UV-Photon kann dort ein Photo-Elektron auslösen (unter Vakuum). Durch die hohe Feldstärke im Kanal wird das Elektron zur Rückseite der Mikrokanalplatte hin beschleunigt. Dabei wird es wieder auf die Kanalwand treffen und kann dort mehrere Elektronen auslösen. So entsteht in dem Elektronenvervielfacher-Kanal schließlich eine Elektronenlawine, die als Elektronenwolke aus der Rückseite der Mikrokanalplatte austritt. Aus einem Kanal können so etwa 10.000 Elektronen austreten.

Die Elektronenwolke trifft nach Austritt aus der Mikrokanalplatte auf die Keil-Streifen-Anode. Diese Anode besteht aus einer Goldschicht auf einer Quartzplatte, in die ein Muster aus 4 ineinander greifenden Leiterbahnen geätzt wurde. Dieses Muster ist so beschaffen, daß die auftreffende Elektronenwolke sich auf alle 4 Leiterbahnen verteilt. Aus den Verhältnissen der Elektronenmengen, die die 4 Leiterbahnen erhalten haben, läßt sich anschließend der Ladungs-Schwerpunkt der Elektronenwolke bestimmen. Damit hat man auch die Auftreffkoordinaten des registrierten Photons.

Die Ladungsmengen werden mit schnellen empfindlichen Ladungsverstärkern elektronisch verstärkt und als bipolare Spannungsimpulse vom Detektor zur Auswerte-Elektronik übertragen. Dort werden die Maximalausschläge der Spannungsimpulse mit Analog-Digital-Wandlern digitalisiert. Die weitere Verrechnung der vier Ladungsmengen-Werte zur Photonenkoordinate erfolgt dann digital. Der Echelle-Bordprozessor empfängt die digitalen Photonenkoordinaten und speichert sie ab.

Die Kanaldurchmesser betragen bei den verwendeten Mikrokanalplatten 12 Mikrometer (0,012 mm) bei einem Mitte-zu-Mitte Abstand von 15 Mikrometer (hexagonal angeordnet). Die Dicke der Mikrokanalplatten ( = Länge der Kanäle) beträgt 1 mm. Damit ist das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Kanäle etwa 80:1.

Der Echelle-Detektor verwendet insgesamt drei hintereinander geschaltete Mikrokanalplatten und erreicht so eine Verstärkung von 107 bis 108 Elektronen pro Photon. Dabei haben die ersten beiden Mikrokanalplatten eine Dicke von 1,0mm und die dritte Mikrokanalplatte eine Dicke von 0,6mm.

Eine Besonderheit des Echelle-Detektors ist, daß die Mikrokanalplatten isoliert gegeneinander mit einem Abstand von etwa 0,3mm montiert sind. Dadurch ist es möglich, die drei Mikrokanalplatten getrennt mit Hochspannung zu versorgen und auch zwischen den Platten eine Beschleunigungsspannung anzulegen. Über die Spannung der dritten Mikrokanalplatte wird die Verstärkung des Detektors auch während des Fluges nachgeregelt.

Vor den Mikrokanalplatten befindet sich in 1cm Abstand ein Gitter, welches auf einer Spannung von 500V liegt. Dieses Gitter sorgt für ein elektrisches Feld von 50V/mm vor der Photokathode. Dieses elektrische Feld bewirkt, daß Photoelektronen, die auf den Stegen zwischen den Kanälen der MCP erzeugt werden, zurück in die Kanäle gelenkt werden. Ohne dieses elektrische Feld würden diese Photoelektronen nach außen davonfliegen. Auf diese Weise erhöht sich die Quantenausbeute des Detektors um etwa 30%, während das Gitter selbst etwa 10% der Photonen zurück hält. So bleiben immer noch 20% Gewinn an Empfindlichkeit durch das Gitter.

Das Funktionsprinzip der Keil-Streifen-Anode

Keile kodieren die X-Achse
Streifen kodieren die Y-Achse

Prinzip der Keil-Streifen-Anode
Prinzip der Keil-Streifen-Anode

 

Die Keil-Strukturen kodieren die X-Achse, da das Breitenverhältnis der beiden gegenläufigen Keil-Elektroden sich kontinuierlich mit der X-Achse ändert. Die X-Koordinate berechnet sich also aus den Verhältnissen der Ladungsmengen X1 und X2, die auf die Keile auftreffen:

x = X2/(X1+X2)

Entsprechend ändert sich das Breitenverhältnis der beiden Streifen-Elektroden kontinuierlich mit der Y-Achse, wobei die Summe der Breiten eines Streifenpaars konstant bleibt. Daher berechnet sich die Y-Koordinate aus den Ladungsmengen Y1 und Y2, die auf die Streifen auftreffen:

y = Y2/(Y1+Y2)

Das Funktionsprinzip dieser Anode setzt voraus, daß die Breite der auf die Anode auftreffenden Ladungswolke mindestens das doppelte der Periodenlänge der Anodenstruktur von 4 Leiterbahnen beträgt. Nur dann kann man bei einer kontinuierlichen Änderung der Y-Position des Ladungsschwerpunkts auch eine kontinuierliche Änderung der berechneten Koordinaten erwarten.

Die im Echelle-Detektor verwendete Anode ist auf einer Quartzplatte von 70mm x 70mm Größe aufgebracht. Die aktive Anodenfläche beträgt 44mm x 44mm. Die Periodenlänge der Struktur aus 4 Leiterbahnen beträgt 1mm, d.h. 44 solcher Leiterbahn-Quartette sind über die aktive Anodenfläche verteilt.

Wie in der Schema-Zeichnung oben angedeutet wird, müssen die Verbindungsleitungen der Streifen überbrückt werden, damit alle Keile untereinander verbunden werden können. Dies geschieht mit kleinen Bond-Drähten. Es gibt auch Anoden-Layouts mit nur drei Leiterbahnflächen, die dann ohne diese Bondverbindungen auskommen. Wir haben jedoch dieses 4-Elektroden-Layout gewählt, weil sich damit ein Anodendesign entwickeln ließ, das besonders geringe Bildverzeichnungen in den Randbereichen der Bilder aufweist. Zusätzlich wurde die aktive Fläche der Anode mit 44mm Breite etwas größer gewählt, als die aktive Detektor-Bildfläche von 40mm Breite, so daß die restlichen unvermeidlichen Randverzeichnungen keine Rolle spielen.

Effektivitäten

Die obige Grafik gibt die gemessenen Effektivitäten der einzelnen Komponenten des Echelle-Spektrometers an und die daraus resultierende Effektivität des gesamten Instruments. Die Effektivitäten der einzelnen Komponenten sind in Prozent angegeben (linke Skala), während die Effektivität des gesamten Instruments als effektive Fläche in cm2 (rechte Skala) angegeben ist.

Komponenten:

  • Mirror: Hauptspiegel des Teleskops (Reflektivität)
  • Collimator: Kollimatorspiegel (Reflektivität)
  • Echelle: Echelle-Gitter (Reflektivität und Gitter-Effizienz in die jeweilige Ordnung)
  • Cross-Disperser: Querzerleger-Gitter (Reflektivität und Gitter-Effizienz)
  • Detector: Echelle-Detektor (Quantenausbeute). Dieser Wert ist die reine Quanteneffizienz des Detektors ohne Berücksichtigung von elektronischen Auswahl- und Totzeiteffekten. Die Verluste durch elektronische Impulshöhen-Schwellen betragen ca. 5% bis 10% und sind abhängig von der aktuellen Verstärkung des Detektors. Die Totzeitverluste sind zählratenabhängig, die Totzeit pro Photonen-Impuls beträgt ca. 13 Mikrosekunden. Dadurch wird die maximal registrierbare Zählrate auf 30000 Impulse pro Sekunde begrenzt.
  • Effective Area: Die effektive Fläche des Instruments (durchgezogene Linie, rechte Skala) berechnet sich aus der gesamten lichtsammelnden Fläche des Teleskops multipliziert mit den Effektivitäten sämlicher Komponenten des Instruments. Mit Hilfe dieser Angabe läßt sich leicht abschätzen, welche Intensitäten das Instrument bei einem bestimmten Himmelsobjekt sieht: die Photonenflüsse (Photonen pro cm2) des Objekts sind in etwa bekannt oder lassen sich aus der Helligkeit in anderen Wellenlängenbereichen abschätzen. Durch einfache Multiplikation des Photonenflusses mit der effektiven Fläche erhält man sofort die zu erwartende Zählrate des Detektors für das betreffende Objekt. 

Die in der Grafik gezeigten Werte beziehen sich auf Messungen, die vor dem Flug durchgeführt wurden. Aus den Beobachtungen während des Fluges wurde eine effekive Fläche errechnet, die etwa halb so groß war wie die zuvor bestimmte. Dies dürfte auf Ungenauigkeiten in den Einzelmessungen zurückzuführen sein.

Technische Daten

Anzahl MCPs  3 Stück, isoliert, getrennte Versorgung mit Hochspannung 
MCP-Dicke  1,0 mm, 1. und 2. MCP 
0,6 mm, 3. MCP 
MCP-Kanaldurchmesser  12 Mikrometer 
MCP-Kanalabstand  15 Mikrometer (Mitte-Mitte, hexagonal) 
MCP-Kanalneigung  13 Grad gegen Oberflächen-Normale 
MCP-Durchmesser  60 mm 
MCP-Hersteller  Fa. Hamamatsu, Sonderanfertigung 
Photokathode  Kaliumbromid (KBr), direkt auf 1. MCP aufgedampft 
Quantenausbeute  maximal 20% bei etwa 103 nm 
aktive Bildfläche  40 mm x 40 mm 
Gesamt-Verstärkung  107 bis 108 Elektronen pro Photon 
elektronische Totzeit  13 Mikrosekunden pro Photon 
maximale Zählrate  30.000 Impulse pro Sekunde 
Abstand MCP-Anode  7 mm 
Anoden-Substrat  Quartz, 70mm x 70mm, Dicke 5mm 
Elektroden  Goldschicht, 2 Mikrometer dick 
Periodenlänge  1 mm 
aktive Anodenfläche  44 mm x 44 mm 
Anoden-Hersteller  Fa. Heidenhain, Sonderanfertigung 
elektronische Auflösung  1024 Bildpunkte pro 44 mm (ca. 45 Mikrometer pro Bildpunkt) 
elektronische Punktbildbreite  ca. 80 Mikrometer 
(zum Vergleich: optische Punktbildbreite des Echelle-Spektrometers ca. 150 Mikrometer) 
Gewicht des Detektors  9,5 kg (mit Gehäuse, Verschluß, Ventil) 
Hersteller des Detektors  Universität Tübingen 
Institut für Astronomie und Astrophysik 
Abteilung Astronomie