Eine hochpräzise Ebenheitsmessung für kryogene Mosaik-Focal-Plane-Arrays

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Wang Jian, dem stellvertretenden Chefdesigner des Wide Field Survey Telescope (WFST) und Fakultätsmitglied des State Key Laboratory of Nuclear Detection and Nuclear Electronics der School of Physics der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) führte die Schlüsseltechnologie der Hauptfokuskamera durch. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in IEEE-Transaktionen zu Instrumentierung und Messung.

Weitfeldkameras sind die Kernausrüstung von Weitfeldteleskopen. Aufgrund der Größenbeschränkungen einzelner Sensoren kann ein einzelner Sensor die Anforderungen einer großen Brennebene für Weitfeldkameras nicht erfüllen. Folglich liegt die entscheidende Technologie bei der Entwicklung von Weitfeldkameras in der mosaikartigen Anordnung von Großzieldetektoren.

Hochpräzise Focal-Plane-Arrays erfordern sowohl eine sorgfältige Herstellung als auch genaue Messungen. Da Detektoren typischerweise bei niedrigen Temperaturen arbeiten, um den Dunkelstrom zu reduzieren, müssen Messungen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Detektor auch unter kalten Bedingungen eine hervorragende Ebenheit behält, wodurch die Bildqualität des Detektors verbessert wird.

Basierend auf den aktuellen Entwicklungen in der Astronomie im In- und Ausland und im Einklang mit den in der astronomischen Wissenschaft und Technologie beobachteten Wachstumstrends wurden in China Anstrengungen unternommen, um vom Fachwissen und der Grundlagenforschung bestehender Forschungsteams zu profitieren.

Nach jahrelanger Vorbereitung und Akkumulation haben USTC und das Purple Mountain Observatory der CAS gemeinsam den Bau des WFST vorgeschlagen – eines 2,5-Meter-Teleskops mit den fortschrittlichsten Himmelsbeobachtungsmöglichkeiten auf der Nordhalbkugel. Dieses Unterfangen zielt darauf ab, eine führende Position bei astronomischen Beobachtungen im Zeitbereich zu etablieren.

Eine zentrale Komponente des WFST ist seine große Mosaik-Hauptkamera mit Brennebene. Die wissenschaftliche Bildgebung dieser Kamera wird aus einem Mosaik von neun 9K×9K-CCD-Chips zusammengesetzt, was zu einem geplanten Bildzieloberflächendurchmesser von D325 mm führt. Die Oberflächenebenheit des zusammengesetzten Bildes beträgt weniger als PV20um. Damit ist es das größte seiner Art im Inland und positioniert sich auf einem weltweit führenden Niveau.

Die Spezifikation für die Ebenheit des Fokalebenenmosaiks für den WFST ist außergewöhnlich streng. Eine primäre Herausforderung bei der Entwicklung der Hauptkamera besteht darin, hochpräzise Messungen, insbesondere unter kalten Bedingungen, zu ermöglichen.

Das Team stellte sich den wichtigsten technologischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Primärfokuskamera. Dazu gehören die Vakuum-Kaltverpackung der Detektoren, die hochpräzise Messung und Montage von Großzieldetektoren, das rausch- und stromsparende Auslesen und Ansteuern der Detektoren sowie eine effiziente Kamerasteuerung.

Für die hochpräzise Messung großer Zieldetektoren meisterte das Team die Herausforderungen bei der berührungslosen Messung hoher Planarität unter kalten Bedingungen. Sie führten eine Methode zur differenziellen Triangulationsmessung ein, die auf Lasertriangulation basiert und für Sensoren unter Verpackungsbedingungen bei niedrigen Temperaturen geeignet ist.

Der Messfehler bei Vakuumversiegelung überschreitet nicht 0,5 % und die Genauigkeit der wiederholten Messung kann bis zu ±2 μm erreichen. Darauf aufbauend schlossen sie die Entwicklung des DTS-Messinstruments ab und erreichten schließlich Messungen der WFST-Primärfokuskamera unter Tieftemperaturbedingungen.

Die primäre Fokuskamera des WFST wurde nun erfolgreich entwickelt und nach Cold Lake transportiert, wo sie zur Kalibrierung und Prüfung installiert und in den Hauptkörper des Teleskops integriert wird.