Entwicklung und Aufbau eines 1,8 THz-Heterodynempfängers für die ballongestützte Fernerkundung von Spurengasen in der Erdatmosphäre

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist der Entwurf und Aufbau eines neuartigen Heterodynempfänger-Prototypen, der im fernen Infrarot bei 1,8 THz arbeitet. Zentrale Komponente des Prototypen ist ein Hot-Electron-Bolometer (HEB) als Mischerelement, das das empfangene atmosphärische Signal in ein Zwischenfrequenzsignal konvertiert. In dieser Arbeit werden Design, Aufbau und Test eines auf einem HEB basierenden Heterodyn-Empfängers beschrieben. Dieser Empfänger wird als einer von drei Heterodynkanälen des Fernerkundungssystems TELIS ("TErahertz LImb Sounder") auf dem Stratosphären-Ballon MIPAS-B zum Einsatz kommen. TELIS wird am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) entwickelt und wird Spurengaskonzentrationen von OH, HO2, ClO, BrO und anderen wichtigen Molekülen in der Erdatmosphäre messen. TELIS setzt sich aus drei unabhängigen Frequenzkanälen im Bereich von 1,8 THz, 650 GHz und 500 GHz zusammen. Neben einem Einzeltest der Komponenten des 1,8 THz-Empfängers wurde in dieser Arbeit das gesamte Instrument in Betrieb genommen und radiometrisch charakterisiert. Verschiedene Test- und Charakterisierungsmessungen zeigen dabei, dass der Prototyp die Anforderungen an den späteren Einsatz auf TELIS erfüllt. Dabei wurde mit dem im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Prototypen eine Empfänger-Rauschtemperatur von 8000 K bei einer Zwischenfrequenz von 4 GHz erreicht. Die Funktionsfähigkeit des Prototypen wird durch laborspektroskopische Messungen mit Methanolgas demonstriert.

The focus of this thesis is the development of a new heterodyne receiver prototype operating in the far infrared at 1.8 THz. The key component of the receiver is a Hot Electron Bolometer (HEB) which operates as heterodyne mixer element for down conversion of the atmospheric signal into an intermediate frequency signal. In this thesis the design, setup, and test of a heterodyne receiver utilizing a HEB are introduced. The receiver described will be operated as one of three heterodyne channels of the instrument TELIS ("TErahertz LImb Sounder") aboard the stratospheric balloon MIPAS-B. The heterodyne instrument TELIS is currently under development at the German Aerospace Center (DLR) and will measure trace gas concentrations of OH, HO2, ClO, BrO and other key molecules of the Earth's stratosphere. TELIS is a scientific cooperation between DLR, SRON and RAL and will utilize three frequency channels for the measurement of emission lines in the frequency range at 1.8 THz, 650 GHz and 500 GHz. A variety of test procedures and characterization measurements show that the 1.8 THz receiver prototype will fulfill all requirements and boundary conditions given by the operation as a remote sensing system aboard a stratospheric balloon. A major result describing the expected sensitivity of the 1,8 THz receiver is a measured total system noise temperature of approx. 8000K at an intermediate frequency of 4 GHz. To demonstrate the accurate operation of the instrument, spectroscopic gas cell measurements of Methanol are presented.