English Title: Characterisation of the far-infrared detectors for HERSCHEL/PACS spectrometer

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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die schwach gedrückten Ferninfrarot-Ge:Ga-Flug- und Flugersatzmodule für die PACS-Spektrometerkamera des HERSCHEL-Weltraumobservatoriums unter repräsentativen Bedingungen charakterisiert und kalibriert. Die Kalibrierung der Detektoren am Boden ist für die Gesamtkalibrierung und das Verständnis des Detektorverhaltens im Weltraum wichtig. Eine genaue absolute Kalibrierung ist unter anderem erforderlich, um genaue Farbtemperaturen und Staubmassen abzuleiten, die z.B. in Modellierungen von Sternentstehungsgebieten eingehen. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen des Antwortverhaltens einer flugrepräsentativen Detektorzeile auf kleine Änderung der Beleuchtungsintensität deuten darauf hin, dass Signaltransienten bei PACS aufgrund des hohen Photonenuntergrunds des ~80 K-warmen Hauptspiegels aller Wahrscheinlichkeit nach keine Rolle spielen werden. Die Auswirkung kosmischer Strahlung auf die Ge:Ga-Detektoren wurde anhand von Replikadetektoren und unter Verwendung einer 137Cs-Strahlungsquelle untersucht. In Abhängigkeit der eingestrahlten Energiedosisleistung, des FIR-Untergrundflusses und der Detektorparameter stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Bestrahlungseffekten durch die ionisierende Strahlung und Selbstrelaxation aufgrund des hohen IR-Untergrundflusses ein. Unter L2-repräsentativen Umgebungsbedingungen sowie mit stark reduzierter Vorspannung und geeigneter Datenanalysesoftware besitzen die schwach gedrückten Detektoren in diesem Zustand im Mittel eine um ~30% höhere Empfindlichkeit als ohne Bestrahlung. Die Eichung der Detektoren ist dabei bis auf 1.5% stabil und die Reproduzierbarkeit beträgt ~6%. Auf Basis der im Labor erzielten Ergebnisse wurde unter anderem die Modulreihenfolge für die Integration der einzelnen Detektormodule in die Spektrometerkamera definiert und ein Programm zur Inbetriebnahme der Ge:Ga-Detektoren einschließlich detaillierter Prozeduren zur sukzessiven Feinabstimmung der Detektorparameter sowie Strategien zur Kalibrierung und für den Betrieb der Detektoren im Weltraum entwickelt. Unter Einsatz von optimierten Betriebsparametern wird die erreichbare photometrische Genauigkeit der Spektrometerkamera beim Betrieb auf dem Stromempfindlichkeitsplateau ohne Ausheilung temporärer Strahlungsschäden auf ~12% geschätzt. Die im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Betriebsstrategie wurde bei der Inbetriebnahme der Ge:Ga-Detektoren im Weltraum verifiziert und die optimalen Betriebsparameter ähneln den Ergebnissen der Labortests.

Translation of abstract (English)

This PhD thesis presents the results of the characterisation and calibration of the low stressed far infrared Ge:Ga flight and flight spare modules for the PACS spectrometer camera aboard the HERSCHEL space observatory, obtained under simulated in-flight operation conditions. The ground calibration of the detectors is crucial for the full calibration and understanding of the detector behaviour in space. A good absolute calibration is essential for deriving accurate color temperatures and dust masses, which for example enter modeling of star formation regions. Experimental studies and numerical calculations of the transient response of a flight representative Ge:Ga detector array to a small step change in the incident photon flux level suggest that transients are not expected to play a major role for the low signal regime in PACS. To study the effects of cosmic radiation on the ground, flight representative Ge:Ga detectors were exposed to a 137Cs radiation source. During irradiation the signal of the detector increases continuously until the irradiation effect is balanced out by the self relaxation due to the simulated IR flux of the HERSCHEL telescope. This equilibrium depends on dose rate, FIR background and the detector parameters. Under simulated space environment the sensitivity of the low stressed detectors was increased by ~30% compared to an environment without radiation when using a significantly reduced bias voltage and suitable data analysis algorithms. The calibration is stable within 1.5% and the test results can be reproduced within ~6%. Based on the obtained results the arrangement of the detector arrays into the PACS camera was defined. Furthermore, a plan for the commissioning of the Ge:Ga detectors including detailed procedures for revised tuning of detector parameters and strategies for calibration and in-orbit operation of the detectors were developed. Using the optimal parameter set, the photometric accuracy achievable operating the detectors on the responsivity plateau without curing temporary radiation damages is estimated to be ~12%. The operating strategy developed as part of this thesis was verified during the commissioning phase of the Ge:Ga detectors in space and the optimal detector parameters are similar to those achieved during laboratory tests.