UBB

Fig. 1: Der UBB-Empfänger im Juni 2012 kurz bevor er am Effelsberg-Teleskop installiert wurde. Bild vergrößern
Fig. 1: Der UBB-Empfänger im Juni 2012 kurz bevor er am Effelsberg-Teleskop installiert wurde.

Der Antrag zur Förderung des BEACON-Projekts wurde im Oktober 2010 dem Europäischen Forschungsrat (ERC) eingereicht. Er beinhaltete unter anderem das Anliegen zur Finanzierung der Konstruktion eines Ultrabreitbandempfängers (UBB) mit einer Frequenzabdeckung zwischen 0.6 und 3 GHz - die optimalen Frequenzen um „Pulsar Timing”-Beobachtungen durchzuführen. Der Antrag beinhaltete auch die Kostenübernahme für die Konstruktion der Backends, dessen Installation, Wartung und  Betrieb am 100-m-Radioteleskop für eine Zeitspanne von fünf Jahren. Das ERC beschloss im Juni 2011 das Projekt zu bewilligen.

Die Realisierung startete im September 2011 in den Werkstätten und  Elektroniklaboren des MPIfRs. Das Haupt-Backend-System besteht aus einem Hochgeschwindigkeits (12.5 GHz) Tektronix ADC, der volle Nyquist-Abstastung von zwei 3.125 GHz Polarisationskanälen garantiert. Dieser wird unterstützt von einer komplexen und anspruchsvollen Schnittstelle. Diese leitet die 8-bit Daten der Spannungsmessungen an ein digitales Polyphasenspektrometer, das in einen FPGA basierten Uniboard 1 Computer implementiert ist. Die Firmware wird am INAF/Arcetri, dem italienischen Partnerinstitut im BEACON-Projekt, entwickelt. Die Konfiguration garantiert einzelne 25-MHz-Bänder, die kohärent gebündelt und in Echtzeit von einem GPU Cluster gefaltet werden.

Parallel dazu wird auch die Bandbreite der existierenden „Pulsar Timing”-Systeme (ASTERIX - basierend auf ROACH boards und konventionellen CPUs) erhöht. Dies ermöglicht die frühe Nutzung des UBB für wissenschaftliche Zwecke. Sobald das Haupt Back-End fertiggestellt ist, wird dies sogar als Redundanz dienen, um die Messgenauigkeit des UBB bestimmen zu können.

Im Juni 2012 wurde der Empfänger (Abb.1) im Labor getestet. Abbildung 2 gibt einen Einblick in die Vierfachkonstruktion des Horns, entwickelt von Sander Weinreb an den Jet Propulsion Laboren innerhalb des amerikanischen Technologieentwicklungsprojekts (TDP). Der „Feed” ist einer der neu entwickelten Teile des Empfängers, der mit großem Aufwand gefertigt wurde. In Abbildung 3 schauen wir an der hinteren Seite des Horns hinunter und sehen wie es an den Dewar angeschlossen ist. Die Verbindungsstücke sind ein neues Design und verringern das Empfängerrauschen erheblich - eine sehr wichtige Kennziffer für Pulsarexperimente. Die ersten Tests zeigten eine Systemtemperatur von weniger als 25 K.

Anfang Juli 2012 wurde der Empfänger in der Fokuskabine des Effelsberger Radioteleskops installiert und erste Pointing- und Fokustests wurden durchgeführt. Die ersten Pulsarbeobachtungen wurden am 18. Juli 2012 mit dem ROACH board/ASTERIX System durchgeführt. Erfreulicherweise funktionierte alles sofort: Wir richteten den Empfänger auf einen Pulsar und sofort wurde eine klare Detektion auf dem Bildschirm sichtbar (Abb. 4 und 5)!

Die Beobachtungen ermöglichten eine vorläufige Abschätzung der Empfindlichkeit des Systems, die durch sehr starke Interferenzen im Radiofrequenzbereich (engl. „Radio Frequency Interference” (RFI)), viel stärker als erwartet, eingeschränkt wurde. Diese Interferenzen konnten auf eine TETRA-Sendeanlage nahe des Effelsberger Radioteleskops zurückgeführt werden, mit einer unerwartet starken Linie bei 396 MHz. Normalerweise liegt diese Frequenz außerhalb des Detektionsbereichs, jedoch war die Emission so stark, dass der LNA immer noch über lange Zeitspannen während der Beobachtung in Sättigung ging.

Aufgrund dessen wurde der Empfänger mit einem Hochpassfilter vor dem ersten Verstärker ausgestattet, der die Systemtemperatur leicht um 1 K erhöht, ein guter Kompromiss, um die Stabilität des Systems zu garantieren. Der Empfänger wurde im Mai 2013 wieder in die Fokuskabine des Effelsberger Radioteleskops eingebaut. Der Test verlief positiv.

(Ursprünglicher (englischer) Text auf  http://www.mpifr-bonn.mpg.de/staff/pfreire/BEACON.html)

Abb. 2: Die einmalige Vierfachkonstruktion des Horns, die den Empfänger für Frequenzen zwischen 0,6 und 3 GHz empfindlich macht Bild vergrößern
Abb. 2: Die einmalige Vierfachkonstruktion des Horns, die den Empfänger für Frequenzen zwischen 0,6 und 3 GHz empfindlich macht [weniger]
Abb. 3: Sicht von oben, die die Verbindung zwischen dem Empfängerhorn und dem Kühldewar, wo die Verstärker installiert sind, zeigt. Bild vergrößern
Abb. 3: Sicht von oben, die die Verbindung zwischen dem Empfängerhorn und dem Kühldewar, wo die Verstärker installiert sind, zeigt. [weniger]
Abb. 4: PSR B1937+21 war der erste Millisekundenpulsar, der mit dem neuen System beobachtet wurde. Der untere Plot zeigt die Flussdichte (gelb hoch, orange gering) aufgetragen gegen die Beobachtungsfrequenz (Y-Achse) und Phase der Pulse (X-Achse). Jede Einheit der Phase des Pulses entspricht einer Rotation des Pulsars (1,57ms). Im oberen Plot wird die integrierte Flussdichte gegen die Phase des Pulses gezeigt. Dies ist das Pulsprofil des Pulsars. Bild vergrößern
Abb. 4: PSR B1937+21 war der erste Millisekundenpulsar, der mit dem neuen System beobachtet wurde. Der untere Plot zeigt die Flussdichte (gelb hoch, orange gering) aufgetragen gegen die Beobachtungsfrequenz (Y-Achse) und Phase der Pulse (X-Achse). Jede Einheit der Phase des Pulses entspricht einer Rotation des Pulsars (1,57ms). Im oberen Plot wird die integrierte Flussdichte gegen die Phase des Pulses gezeigt. Dies ist das Pulsprofil des Pulsars. [weniger]
Abb. 5: Wie Abb. 4, jedoch im unteren Bereich des Frequenzbandes. Bild vergrößern
Abb. 5: Wie Abb. 4, jedoch im unteren Bereich des Frequenzbandes.
 
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