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2. IR / Submillimeter Astronomie
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2. IR / Submillimetre Astronomy
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Die Infrarotgruppe verfolgt den Ansatz, wenige wissenschaftliche
Schlüsselprojekte mit neuartigen Instrumenten für den gesamten Infrarot- bis
Millimeterbereich anzugehen. Eigene Instrumente werden mit
Standardinstrumenten
von Observatorien wie IRAM, ESO und Keck ergänzt. Neben die klassische Stärke
von Infrarotbeobachtungen, die Durchdringung verhüllenden Staubs, tritt
zunehmend das Streben nach höchster räumlicher Auflösung, und Anwendungen auf
Galaxien bei hoher Rotverschiebung. Unsere Gruppe ist zur Zeit in einer sehr
aktiven Phase der Entwicklung von Schlüsselinstrumenten für große
erdgebundene, luftgestützte und Weltraumobservatorien der nächsten
Generation. In diesem Jahr wurden die hochauflösende Nahinfrarotkamera
CONICA für das VLT und die LISA-Testkamera für das VLT-Interferometer
fertiggestellt. Weitere Projekte im fernen und nahen Infrarot stehen in
unterschiedlichen Stadien der Verwirklichung. SOFIA und FIRST, die beiden
zukünftigen
Beobachtungsplattformen für Ferninfrarot-Astronomie, haben weiter
Fortschritte erzielt. Im nahen Infrarot sind SPIFFI/SINFONI am VLT und
LUCIFER für das LBT in Entwicklung, und die Laserleitsterntechnologie wird
auf das VLT übertragen.
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The infrared group takes the approach of
tackling a few key scientific issues with novel instruments over the entire
infrared to millimetre wavelength range. Our instruments are supplemented by
facility instruments at observatories like IRAM, ESO, and Keck. The
traditional
strength of infrared observations, penetration of obscuring dust, is
increasingly superseded by our desire to achieve the highest spatial
resolution and to study the properties of high redshift galaxies. Our group
is currently in a very active phase of developing key new instruments for
large ground based, airborne, and space observatories of the next generation.
This year, we have completed the high-resolution near infrared camera CONICA
for the VLT and the LISA test camera for VLT interferometry. Additional
projects in the far and near infrared are in different stages of completion.
SOFIA and FIRST, two future observing platforms for far-infrared astronomy,
have made further progress. In the near-infrared, SPIFFI/SINFONI for the VLT
and LUCIFER for the LBT are in development, and laser guide star technology
is being transferred to the VLT.
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Für die ESA-Cornerstone-Mission FIRST, vor kurzem in
Herschel Space Observatory umbenannt, trägt das MPE als
PI-Institut innerhalb eines europäischen Konsortiums die Verantwortung für
Bau und Betrieb eines der drei Fokalebeneninstrumente.
PACS (Photodetector Array Camera
& Spectrometer) ist ein kombiniertes, abbildendes Photo/Spektrometer für
den Wellenlängenbereich 60-210 µm, das ursprünglich auf Detektorarrays mit
Germaniumdetektoren basierte. Im Laufe der Entwicklung zeigte sich jedoch,
dass zwar die Detektoren die geforderte Quantenausbeute erreichen, die
kryogene Ausleseelektronik aber nur für den Spektroskopiebetrieb mit
entsprechend niedrigem Strahlungshintergrund geeignet ist. Deshalb erschien
für den Photometerteil des Instruments die Verwendung anderer Detektoren
zwingend,
um die notwendige Empfindlichkeit zu erzielen. Wir konnten nun mit CEA Saclay
einen zusätzlichen Partner für das PACS-Konsortium gewinnen, der die für die
Photometrie geeigneten Bolometer-Arrays beistellen wird. Damit wurde eine
weitgehende Neukonstruktion des Instruments erforderlich, die im Laufe des
Jahres erfolgreich abgeschlossen wurde und zu einer Vereinfachung der Optik
führte, da der Photometerkanal nun völlig getrennt vom Spektrometerkanal
aufgebaut ist (Abb. III-8).
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For the ESA Cornerstone Mission FIRST, recently renamed the Herschel
Space Observatory, MPE as the PI-institute in a European
consortium is taking the lead in the construction and operation of one of the
three focal plane instruments. PACS
(Photodetector Array Camera & Spectrometer) will be a combined imaging
photo/spectrometer for the wavelength range 60-210 µm. The instrument
originally was based on arrays of germanium detectors. In the course of the
detector development, however, it turned out that while the detectors
reached the required quantum efficiency, the associated cryogenic readout
electronics were only suited for spectroscopic operation with a
correspondingly low infrared background. Therefore, it became necessary to
employ
different detectors in the photometer part of the instrument to reach the
required sensitivity. We were able to win CEA Saclay as a new partner in the
PACS consortium, and they will provide bolometer arrays suitable for
photometry. The addition of the new detectors has required a major redesign
of the instrument. We have successfully completed this task. The redesign has
lead to a simplification of the optics since now the photometer channel is
completely separated from the spectrometer channel (Fig. III-8).
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Im Photometriebetrieb wird PACS jetzt ein größeres Gesichtsfeld
von ~ 1,75' x 3' gleichzeitig in zwei Wellenlängenbändern, 60-90 oder 90-130
µm und 130-210 mm,
mit ab 90 µm beugungsbegrenzter Auflösung abbilden. Dazu werden zwei
Bolometer-Arrays mit 16x32 bzw. 32x64 Pixeln eingesetzt. Die überlegene
Empfindlichkeit und Winkelauflösung wird vor allem bei tiefen
Durchmusterungen zum Tragen kommen, die uns einzigartige Information über die
Entstehung von Galaxien im frühen Universum geben werden, sowie neue
Einblicke in die Sternenstehung in Molekülwolken. Eine Kombination aller
photometrischen
Bänder von FIRST wird eine weitgehende Identifizierung hochrotverschobener,
leuchtkräftiger Quellen erlauben, die in der Folge durch Spektroskopie
genauer charakterisiert werden können.
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In photometry mode, PACS will now image a
larger field-of-view of ~ 1.75' x 3' simultaneously in two wavelength bands,
60-90 or 90-130 µm and 130-210 µm, respectively, with diffraction-limited
resolution above 90 µm. Two bolometer arrays with 16x32 and 32x64 pixels are
used for that purpose. The superior sensitivity and angular resolution will
be crucial, particularly for deep surveys which will give us unique
information about the formation of galaxies in the early Universe, and for
study of star formation in nearby molecular clouds. A combination of all
photometric bands of FIRST will allow a fairly reliable identification of
highly redshifted, luminous sources, which then can be characterized in
detail by follow-up spectroscopy.
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Im Spektroskopiemodus wird PACS ein Gesichtsfeld von ~ 50'' x 50''
abdecken und dabei für jeden Bildpunkt gleichzeitig ein Linienspektrum
erzeugen. Da am Bildfeldzerleger starke Beugungseffekte zu erwarten waren,
wurde
eine Beugungsanalyse des gesamten Spektrometerteils abgeschlossen, um die
Optik zu verifizieren und Spiegelgrößen zu optimieren. Die Trennung von
Photometer
und Spektrometer erlaubt ein Auseinanderrücken der Detektorzeilen des
Spektrometers, zur weiteren Minimierung dieser Effekte.
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In spectroscopy mode PACS will cover a
field-of-view of ~ 50'' x 50'' and simultaneously produce a line spectrum for
each pixel. Since strong diffraction effects are to be expected from the
image slicer, a diffraction analysis of the entire spectrometer section was
completed to verify the viability of the design, and to optimize the mirror
dimensions accordingly. The new design with separate photometer and
spectrometer permits a slight separation of the spectrometer detector
columns, for further minimisation of these effects.
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Die Konstruktion des Instruments wurde in enger Zusammenarbeit
mit Kayser-Threde (München) als Hauptauftragnehmer für die kryogene
Fokalebenen-Einheit durchgeführt. Die Charakterisierung und Eichung des
Instruments erfolgt in der Verantwortung des MPE. Inzwischen wurde die
Definition aller benötigten Eich- und Testeinrichtungen weitgehend
abgeschlossen und mit der Entwicklung spezieller Messaufbauten begonnen. Die
am MPE und MPIA gemeinsam durchzuführende Erprobung aller 200
Germaniumdetektormodule (bevor diese in PACS integriert werden) verlangt drei
spezielle Kryostaten mit den erforderlichen Testoptiken. Diese Kryostaten
wurden inzwischen fertiggestellt. Die Konstruktion des großen Testkryostaten
samt Optik für die Eichung des Gesamtinstrumentes ist in Arbeit.
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This design of the instrument has been
done in close collaboration with Kayser-Threde (Munich) as the main
contractor for the cryogenic focal plane unit. MPE is responsible for the
complete characterisation and calibration phase of the instrument. All
required test- and calibration equipment is under specification. We have also
started design and development of special set-ups. MPE and MPIA (Heidelberg)
share the effort required for performance testing of all (200) germanium
detector modules before they are integrated into the PACS optics and
structure. Three cryostats with special optics will be used for this task.
Manufacture of these cryostats has been completed. Design of the big test
cryostat including optics to perform the instrument calibration is in
progress.
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MPE ist aktiv beteiligt an SOFIA (Stratospheric
Observatory for Infrared Astronomy), einer zukünftigen Beobachtungsplattform
der Ferninfrarotastronomie. Sowohl die Konstruktion des Teleskopsystems als
auch der Umbau des Flugzeugs für SOFIA (eine Boeing 747SP), haben im Laufe
des Jahres 2000 bedeutende Fortschritte gemacht.
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MPE is
actively participating in SOFIA (Stratospheric
Observatory for Infrared Astronomy), a future observing platform for far
infrared astronomy. For SOFIA, both the construction of the telescope system,
and the modification of the aircraft (a Boeing 747SP) have progressed
significantly during 2000.
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Am MPE entwickelten wir inzwischen eines der beiden
deutschen PI Instrumente der ersten Generation für SOFIA weiter: FIFI
LS (Field-Imaging
Far-Infrared Line Spectrometer). Unser Instrument ist insofern einzigartig,
als es abbildende Spektroskopie in zwei Bereichen des Ferninfraroten
gleichzeitig ermöglicht. Das Design ist stark geprägt von dem Ziel, die
Beobachtungseffizienz zu erhöhen. Unser Instrument wird deshalb zwei separate
Gitterspektrometer mittlerer Auflösung (R~1700)
beinhalten, die mit einer gemeinsamen Voroptik zwei großformatige
Ge:Ga-Arrays mit jeweils 16x25 Pixeln ausleuchten. Diese zwei diamantgefrästen
Gitter (Abb. III-9) sind dieses Jahr hergestellt worden.
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At MPE we continued to develop one of the
two, first-generation German PI instruments for SOFIA: FIFI LS
(Field-Imaging
Far-Infrared Line Spectrometer). Our instrument is unique in that it will
provide integral field spectroscopic capabilities in the far infrared in two
bands simultaneously. The design is driven strongly by the goal of optimising
observing efficiency. Our instrument will therefore feature two separate
medium resolution (R~1700) grating spectrometers with common fore-optics
feeding two large format Ge:Ga arrays of 16x25 pixels. These two diamond
ruled gratings (Fig. III-9) have been manufactured this year.
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Mit den beiden
Spektrometern können wir simultan in den Wellenlängenbereichen 42-110 µm (in
erster oder zweiter Beugungsordnung) und 110-210 µm beobachten. Zum ersten
Mal im fernen Infrarot löst unsere Gruppe das Problem des flächenhaften
Multiplexing durch Anwendung eines optischen Bildfeldzerlegers. Drei von
diesen Elementen, jeweils aus einem Satz von fünf Spiegeln bestehend, teilen
das (zweidimensionale) Bild aus 5x5 Pixeln in 5 Zeilen und setzen
diese dann auf optischem Wege zu einer (eindimensionalen) Zeile von 25 Pixeln
zusammen - effektiv ein herkömmlicher Langspalt. Dieser Spalt beleuchtet über
anamorphe Kollimationsspiegel, die den Strahlengang quer zur Beugungsrichtung
kompakt halten, das Gitter. Das am Gitter spektral zerlegte Spaltbild wird
mittels anamorpher Optik auf die Detektorarrays abgebildet. Damit wird ein
Datenkubus (spektrale und räumliche Information) gleichzeitig gewonnen;
instantan wird ein Geschwindigkeitsbereich von 1500 km/s um eine gewählte
Spektrallinie für jeden der 25 räumlichen Bildpunkte nachgewiesen.
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With the two spectrometers we can
simultaneously observe in the wavelength bands of 42-110 µm (in first or
second diffraction order) and 110-210 µm. For the first time in the far
infrared, our group is solving the problem of spatial multiplexing by using
an optical slicer. These three specialty mirrors, in sets of five, slice the
two-dimensional image of 5x5 pixels into 5 rows, then optically rearrange the
5 rows into a single one-dimensional row of 25 pixels - effectively a
traditional long slit. This slit is passed through anamorphic collimating
mirrors, which keep the optics compact in the cross-dispersion direction, and
onto a grating. The grating spectrally disperses the images of the slit,
which are then anamorphically projected onto the detector arrays. In this
manner,
we obtain spectral and spatial information for the entire data cube; we will
instantaneously cover a velocity range of 1500 km/s around the selected
spectral line for each of the 25 spatial pixels.
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In Vorbereitung für die bevorstehende, von der FAA
geforderte Flugtauglichkeitsüberprüfung haben wir in Zusammenarbeit mit H.
Dohnalek die Konstruktion des Kryostaten mit optischer Bank und Haltestruktur
für das SOFIA-Teleskop vorangetrieben. Insbesondere wurde eine detailierte
Finite-Elemente-Analyse aller strukturellen Teile durchgeführt; ebenso wurden
alle kritischen Kryomechanismen (Gitterantrieb, mechanische Durchführungen)
entworfen. Ergänzend wurden Tieftemperaturtests auf Komponentenebene
durchgeführt. Entwurf und Analyse der Optik sind abgeschlossen, und mit dem
Entwurf des Echtzeit-Kontrollsystems für den Flugbetrieb wurde begonnen.
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As we near our airworthiness design
review, which is required by the FAA to fly, we continued, in collaboration
with H. Dohnalek, the design of the cryostat with optical bench and the
mounting structure for the SOFIA telescope. In particular, we have carried
out a complete finite-element analysis of all structural parts, as well as a
detailed design study for the critical cryo-mechanisms (grating drive,
mechanical feedthroughs). The design work was complemented by cryogenic tests
on a component level. We have completed design and analysis of the optics,
and have started the design of the real-time control system for on-board
operation.
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Wir entwickeln sowohl für FIFI LS als auch für PACS
in Zusammenarbeit mit ANTEC (Kelkheim) zweidimensionale 25x16-Pixel-
Detektorarrays. Hierzu werden für den Wellenlängenbereich von 40 bis 120 mm
und von 120 bis 210 mm Ge:Ga-Detektoren leicht (~ 100 N/mm-2) bzw.
stark (~ 700 N/mm-2) gedrückt. Die Arrays bestehen aus 25 linearen
Modulen mit jeweils 16 Pixeln.
Messungen der spektralen Empfindlichkeit an ersten linearen Modulen zeigen
einen nahezu identischen spektralen Verlauf, was das mechanische Konzept der
gedrückten Module bestätigt. Die für einige der FIFI LS - Detektoren
gegenüber früheren Detektoren gemessene verbesserte Quantenausbeute konnte
inzwischen für die Detektoren eines der PACS - Module bestätigt werden; sie
lag über den für PACS geforderten 30%.
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For FIFI LS and PACS we are developing - in collaboration with ANTEC
(Kelkheim) - two-dimensional 25x16 pixel detector arrays. For the wavelength
ranges of 40 to 120 µm and 120 to 210 µm we
use lightly (~100 N/mm-2) and heavily (~700 N/mm-2)
stressed Ge:Ga detectors, respectively. The arrays consist of 25 linear
modules with 16 pixels, each. Measurements of the first linear modules show a
nearly identical spectral response of all pixels, which proves the mechanical
concept of the stressed modules. First measurements of the quantum efficiency
of a few FIFI LS detectors, which indicated a significant improvement
compared to previous detectors, could be also confirmed for one of the PACS
modules. The quantum efficiency is above the PACS requirement of 30%.
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Die Entwicklung eines Photoleiter-Detektorarrays aus
n-leitendem Galliumarsenid wurde fortgesetzt. Derartige
Ferninfrarot-Detektoren würden bei einer Betriebstemperatur von 1.8K den
nutzbaren Wellenlängenbereich von derzeit 220 µm auf 300 µm erweitern und
könnten aufgrund ihrer monolithischen Bauweise die Verwirklichung großer
Arrays zulassen. Ein kleineres Demonstrator-Array mit einer Anordnung von 4x8
Detektorelementen wurde getestet. Die Erprobung dieses mit ESA-Mitteln
geförderten Probearrays FIRGA wurde im Frühjahr abgeschlossen. Es konnte
gezeigt werden, dass die gewählte Bauweise - ein rückseitig beleuchtetes
Mehrschichten-Element
mit separater kryogener Si-CMOS Ausleseelektronik - die Herstellung
aufreihbarer Module zulässt. Die Verbesserung der Empfindlichkeit des
Detektors
(derzeit wird eine noch zu dünne Absorptionsschicht verwendet) ist das
nächste Entwicklungsziel. Es soll mit dem Prinzip einer hochdotierten
Absorptionsschicht und einer nachgeschalteten Sperrschicht (sogenanntes
blocked impurity band Konzept BIB) gelöst werden.
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We have also continued the development of
n-type photoconducting gallium arsenide detector arrays for the far infrared
spectral region. Those arrays, operated at 1.8 Kelvin, can offer an extension
of the cut-off wavelength from presently 220 µm to 300 µm. Large array
formats are feasible because of the monolithic structure of a GaAs
photoconductor. The ESA sponsored FIRGA study, which aimed for manufacture and
test of a 4x8 pixel demonstrator array was successfully finished this spring.
We demonstrated that the chosen concept - a back-illuminated multi-layer
detector structure with associated cryogenic read-out electronics (in Si CMOS
technology) - allows the manufacture of buttable subarrays. Further
development will concentrate on the improvement of the FIR sensitivity. The
presently used thin absorption layer in the detector limits the responsivity.
Enhanced performance can be achieved by using a highly doped sensitive layer
and a subsequent blocking layer (blocked impurity band BIB).
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Dazu ist die Herstellung von höchstreinem GaAs notwendig.
Mit dem Aufbau einer Flüssigphasenepitaxie-Zentrifuge sind wir diesem Ziel
jetzt erheblich näher gekommen. Diese Anlage wurde von uns im Sommer am
Physikdepartment der Universität von Kalifornien in Berkeley aufgebaut und
wird gemeinsam von MPE und UCB betrieben. Ende des Jahres fanden die ersten
Probeläufe statt. Detaillierte Untersuchungen an den bereits gezüchteten
Schichten
sind derzeit im Gange. Abb. III-10 zeigt das Kernstück der
aufwendigen Computer-gesteuerten Anlage, die magnetgelagerte Zentrifuge. Das
Forschungsprogramm des kommenden Jahres konzentriert sich vorrangig auf die
Erlangung der extremen Materialreinheit, die Aktivitäten erfolgen in einer
internationalen Zusammenarbeit von MPE, UCB und der Fairfield Universität.
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To reach this goal, growth of ultra high
purity material is a prerequisite. Therefore, we have now completed design,
development and setting-up of a liquid phase epitaxy centrifugal growth
facility. The centrifuge will be operated by MPE and the Physics Department
of the University of California Berkeley. Since October this year pre-growth
runs have been carried out to adjust operational parameters. Detailed
investigations of the first grown GaAs samples are in progress.
Fig. III-10
shows the core of the sophisticated, computer-controlled equipment: the
centrifuge running on active magnetic bearings. The most important aim of the
research and development program next year is the production of ultra-pure
GaAs material. This will be done in an international cooperation of MPE, UCB
and Fairfield University.
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An der hochauflösenden Nahinfrarotkamera CONICA
wurden im Frühjahr 2000 kleinere Änderungen wie die Modifikation des
Kabelbaums durchgeführt, um die geforderte Auslesegeschwindigkeit des Arrays
zu erreichen. Ab April wurde das Instrument am MPIA in Heidelberg optimiert
(insbesondere wurde die Hintergrundstrahlung im Kryostaten reduziert, wodurch
der Dunkelstrom von mehreren hundert auf etwa ein Elektron pro Sekunde
verringert wurde). CONICA wurde an ESO übergeben und wird seit September am
Observatoire de Paris / Meudon zusammen mit der adaptiven Optik NAOS (Nasmyth
Adaptive Optics System) getestet. Ende April 2001 werden CONICA und NAOS nach
Chile zum VLT transportiert, erste Beobachtungen werden für Anfang Juli
erwartet, ab Winter 2001 wird CONICA / NAOS Beobachtern am UT4 des VLT zur
Verfügung stehen.
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In spring 2000 smaller changes have been made
on the detector part of the high resolution near infrared camera
CONICA,
such as the modification of the cable harness to increase the array read
speed to the value required. Starting in April, CONICA was optimised at the
MPIA in Heidelberg (a main concern was to reduce the instrument radiation
background
and thus the dark current from several hundred to about one electron per
second). CONICA has been delivered to ESO and has been tested in September
together with the adaptive optics system NAOS (Nasmyth Adaptive Optics
System) at the Observatoire de Paris / Meudon. At the end of April 2001 both
instruments will be shipped to Mt. Paranal in Chile. First light at the VLT
UT4 is planned for July, and CONICA / NAOS will be available to observers
from Winter 2001 on.
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LISA, die Kamera für das VLT Test-Interferometer
VINCI, wurde im ersten Halbjahr 2000 fertiggestellt und im August an die ESO
zur Integration in die ESO Software-Umgebung und in das VINCI-System
übergeben. Mitte November 2000 wurden mit dem Instrument im Labor erstmals
Interferenzmuster beobachtet und damit seine Funktionsfähigkeit demonstriert.
Anfang 2001 wird VINCI / LISA zum VLT transportiert und ab dem Frühjahr zum
Test der VLTI Delay-Lines eingesetzt, wobei das Interferometer zunächst mit
zwei 50 cm Siderostaten und ab Frühjahr 2002 mit zwei externen 1.8 m Teleskope
betrieben wird.
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LISA, the
camera for the VLT test-interferometer VINCI, has been completed in the first
half of 2000, and has been delivered to ESO in August for integration into
the ESO software environment, and into the VINCI system. The instrument
detected first fringes in the laboratory in mid-November, thus demonstrating
that the main components were properly functioning. In the beginning of 2001,
VINCI / LISA will be shipped to Paranal, and tests with the VLTI delay lines
will start in spring. In the beginning, the delay lines will be fed by two
siderostats with 50 cm mirrors, which will be replaced by two of the
auxiliary 1.8 m telescopes in spring 2002.
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Der Bau des Large Binocular Telescope, an dem
das MPE mit anderen deutschen Instituten zu 25% beteiligt ist, hat 2000 unter
anderem mit dem Guss des zweiten Spiegels und der Fertigstellung der
Außenwände des Gebäudes große Fortschritte gemacht. Die Vormontage des
Teleskops bei Ansaldo in Mailand soll im Mai 2001 abgeschlossen sein, wonach
es abgebaut und nach Mount Graham versandt wird. Das erste Licht für das
"einäugige" Teleskop ist für Juni 2003 geplant, das zweite Licht im September
2004.
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Construction of the Large Binocular
Telescope, in which MPE and other German institutes have a 25% share,
made substantial progress during the year 2000, including casting of the
second mirror and completion of the external walls of the telescope
enclosure. The telescope pre-assembly at Ansaldo in Milan, Italy is due to be
completed by May 2001, after which it will be dismantled and shipped to Mt.
Graham. First light for the "one-eyed" telescope is foreseen in June 2003,
with second light in September 2004.
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MPE stellt die Unterstützungspunkte der LBT-Hauptspiegel
her. Diese sehr steifen Strukturen variabler Länge definieren in drei
räumlichen und drei Winkelkoordinaten eine Referenz für die Hauptspiegel und
bestimmen deren Dynamik. Der erste Unterstützungspunkt wurde hergestellt,
zusammengebaut und getestet. Die gemessene Steifheit ist 70 N/µm über
einen Hub von 25mm. Sechs Exemplare für den ersten Hauptspiegel sind zur Zeit
in Fertigung. Ein zweiter Satz wird in den nächsten Jahren hergestellt.
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MPE is constructing the primary mirror
hard-points for the LBT. These supports provide an absolute reference for the
primary mirrors in three spatial and three angular co-ordinates. They are
very stiff, adjustable length structures that govern the dynamic performance
of the primary mirrors. We fabricated, assembled and tested the first
hard-point during 2000, with a measured stiffness of 70 N/µm over a 25
mm travel range. Six pieces are presently under assembly to make up the first
set for the primary #1. We will fabricate the second set in the coming years.
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Die Nahinfrarotkamera und -spektrometer LUCIFER für
das LBT durchlief im Juli die vorläufige Entwurfsprüfung. Das Instrument wird
von einem Konsortium aus fünf Instituten gebaut, wobei MPE für die
Bereitstellung der Multiobjektspektroskopie zuständig ist. Das thermische
Konzept des Instruments wurde in den letzten Monaten mit der Einführung
mechanischer Kühler als Hauptkühlquelle wesentlich verbessert.
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The LUCIFER near infrared imager
and multi-object spectrograph being built for the LBT had its Preliminary
Design
Review in July. A consortium of five institutes is building the instrument,
with MPE being responsible for providing the multi-object spectroscopic
capability. The cryogenic concept of the instrument underwent substantial
improvement during the last months, with the introduction of cryo-coolers as
the primary coolant.
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Multiobjektspektroskopie (MOS) mit LUCIFER wird kryogene
Multi-Spaltmasken benützen, die nach Wunsch in die Fokalebene eingebracht
werden. Diese Lösung ist besser mit den Randbedingungen in LUCIFER verträglich
als die alternativ untersuchte Lösung mit Glasfaser-MOS. Zur Zeit wird der
Maskenwechsler konstruiert, der Einbringung neuer und Entfernung alter Masken
mittels eines Hilfsdewars erlaubt, ohne dass das Gesamtinstrument aufgewärmt
werden muss. Erstes Licht für LUCIFER wird für Januar 2004 erwartet.
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Multi-object spectroscopy (MOS) with
LUCIFER will use cryogenic multi-slit masks that can be inserted at the focal
plane as desired. This option is more compatible with the LUCIFER design
constraints than the fibre MOS option we have studied alternatively. Work is
presently underway to define the mask exchange mechanism that would allow the
introduction of new and removal of old masks using an auxiliary dewar without
thermal cycling of the entire instrument. First light for the LUCIFER is
expected for January 2004.
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Die ursprünglich für LUCIFER geplante Glasfaser-MOS Einheit
wird für ein eigenes Instrument weiterentwickelt. Um Verluste innerhalb der
Bildfelder zu vermeiden, werden deren Bildelemente durch ein lückenloses Array
aus 5 x 5 Mikrolinsen mit hexagonalem Querschnitt auf die Kerne von 25
Glasfasern abgebildet. Jedes Mikrolinsen-Array ist an der Spitze eines Stabes
befestigt, der durch Magneten auf einer Grundfläche gehalten und von einem
Roboter innerhalb des Gesichtsfelds positioniert wird. Neben der Kombination
von Mikrolinsen und Glasfasern ist dieser Roboter die technisch
anspruchvollste
Komponente, da das gesamte Instrument bei einer Temperatur von -200 C
betrieben wird. Vergleichbare Instrumente, die bei Raumtemperatur arbeiten,
benutzen zur Positionierung der Glasfasern eine Rotation um den Mittelpunkt
des Gesichtsfeldes und eine Verschiebung in radialer Richtung. Da diese
Kombination bei tiefen Temperaturen nicht leicht zu realisieren ist, wurde in
Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Weisz ein Roboter entwickelt, der die
Gesichtsfelder mit drei Drehbewegungen positioniert. Eine Testversion dieses
Roboters wurde im November fertig gestellt (Abb. III-11). Parallel
dazu wurden Programme entwickelt, mit denen bei gegebener Anordnung der
Gesichtsfelder die optimalen Positionen der Haltestäbe und die Wege des
Roboters berechnet werden. Erste Tests des Roboters bei Raumtemperatur wurden
im Dezember durchgeführt.
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MPE continues design of the fibre-MOS
originally planned for LUCIFER for a future dedicated spectrograph. To avoid
losses within the sub-fields, the field elements will be imaged onto the
fibre cores by an array of 5 x 5 hexagonal micro-lenses with a filling factor
of 100 % for each sub-field. Each micro-lens array is attached to the tip of
a rod, which can be positioned freely within the telescope field of view.
Each rod is attached to a base plate by two magnets and can be freely moved
across the image plane by a robot. Since the whole instrument is operated at
liquid nitrogen temperature, the combination of a micro-lens array with
fibres and the robot are the technically the most demanding components.
Similar robots for instruments operated at room temperature use one rotation
around the field centre in combination with a radial linear motion to
position the rods. Since this combination is difficult to implement in a
cryogenic device, we use three rotations to position the rods in our device,
which has been developed in collaboration with Ingenieurbüro Weisz. We have
finished the first test version of this robot in November (Fig. III-11).
In parallel to the hardware integration, we have written programs to find the
best arrangement of the rods from the positions of the sub-fields and to find
the paths from the previous to the new positions of the rods. First tests of
the robot at room temperature have been done in December.
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Das feldabbildende Nahinfrarotspektrometer SPIFFI
machte weitere Fortschritte. SPIFFI kann im Gegensatz zu konventionellen
Langspaltspektrometern in einer Belichtung die Spektren eines
zusammenhängenden, zweidimensionalen Gesichtfelds messen. Ein Bildzerleger
wandelt das Gesichtsfeld mit 32x32 Bildpunkten in einen Quasi-Langspalt um.
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We have made further progress on the field
imaging near-infrared spectrometer SPIFFI. In contrast to conventional
long slit spectrometers, SPIFFI is capable of obtaining spectra for a
contiguous two-dimensional field of view in a single exposure. An image
slicer transforms the field of view with 32x32 pixels into a quasi-longslit.
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Von der Entwicklungsphase des Jahres 1999 sind wir in die
Konstruktions- und Herstellungsphase des Instruments übergegangen. Die
Konstruktion der opto-mechanischen Bauelemente ist abgeschlossen und ein
Großteil der Baugruppen ist hergestellt worden. Kalttests einzelner
Baugruppen sind bereits erfolgreich gewesen. Der Entwurf des Kryostats ist
abgeschlossen und die Fertigung in Auftrag gegeben. Auch die Elektronik zur
Instrumentensteuerung ist komplett und wird dieses Jahr integriert.
Gleichzeitig arbeiten wir an der Software zur Steuerung, so dass Ende 2001
SPIFFI für Tests bereit sein wird.
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From the development phase of 1999 we have
moved on to the manufacturing phase of the instrument. Construction of the
opto-mechanical elements has been completed and a major part of the
components has been manufactured. Cold tests of several components have
already been successful. We have completed the design of the cryostat and
contracted the manufacturing. The instrument control electronics is finished
as well and will be integrated this year. Simultaneously, we are preparing
the instrument control software, in order to make SPIFFI ready for testing by
the end of 2001.
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SPIFFI wird als Schlüsselkomponente des SINFONI-Projekts am
Very Large Telescope (VLT) eingesetzt werden. SINFONI vereinigt SPIFFI mit
der Adaptiven Optik der Europäischen Südsternwarte (ESO) und erlaubt damit
Spektroskopie an der Beugungsgrenze des 8m-Teleskops. Ein wichtiger Schritt
in der Zusammenarbeit mit der ESO war die Unterzeichnung des "Memorandum of
Understanding" zwischen dem MPE und ESO am 16. Februar 2000. Um die
astronomischen Beobachtungen mit SPIFFI und SINFONI vorzubereiten wurde ein
"SPIFFI Science Team" gegründet, das im Juni 2000 zum erstmals in Garching
zusammengetroffen ist.
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SPIFFI will be used at the Very Large Telescope (VLT) as key part of the
SINFONI high resolution imaging spectrometer.
SINFONI combines SPIFFI with the adaptive optics of the European Southern
Observatory ESO and hence allows spectroscopy at the diffraction limit of the
8m telescope. An important step in the collaboration with ESO has been
signature of the Memorandum of Understanding between MPE and ESO on February
16, 2000. A "SPIFFI Science Team" has been set up to prepare astronomical
observations with SPIFFI and SINFONI, and had its first meeting in June in
Garching.
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Leistungsfähigkeit und
wissenschaftlicher Ertrag des MPE/MPIA-Systems ALFA für adaptive Optik
mit Laserleitstern haben sich weiter verbessert. Die Algorithmen zur
Zentrierung der Punkte des Wellenfrontsensors und zur
Wellenfrontrekonstruktion wurden durch Berücksichtigung des Rauschabstands
verbessert; zusammen mit Verbesserungen in Teilen des Instruments ist ALFA
jetzt in der Lage, mit Sternen bis V=14.5 zu korrigieren und im K-Band eine
Auflösung von 0.25" bei V-Band-Seeing von 0.7" zu erreichen. Im Programm zur
wissenschaftlichen Verifikation wurde ALFA mit vielfältigen Zielen
eingesetzt. Auf der galaktischen Seite sind das ultrakompakte HII-Regionen,
Haufen um Herbig Ae/Be-Sterne, und doppelte junge stellare Objekte.
Extragalaktische
Beobachtungen zielten auf tiefe (1 h) Integrationen mit einer Strehlzahl über
30%, um kompakte Objekte hoher Rotverschiebung zu untersuchen.
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Both the performance and science return of
the MPE/MPIA laser guide star adaptive optics system ALFA have
continued to improve. The algorithms for centroiding on the spots on the
wavefront
sensor and reconstructing the wavefront have been refined by taking into
account the signal to noise; combined with upgrades in some of the hardware,
ALFA is now able to correct on stars as faint as V=14.5, obtaining a K-band
resolution of 0.25" in V-band seeing of 0.7". The continued Science
Verification Programme has allowed ALFA to be used on a wide variety of
targets. On the Galactic side these include ultra-compact HII regions,
clustering around Herbig Ae/Be stars, and binary young stellar objects. The
extragalactic work has been aimed at obtaining deep (1 hr) integrations with
Strehl ratios greater than 30%, in order to study compact high redshift
objects.
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Auf der Erfahrung mit ALFA
aufbauend arbeiten wir jetzt mit ESO zusammen, um bis 2003 die Laser Guide
Star Facility am VLT zu errichten. Unser Beitrag, das PARSEC-Projekt,
wird die Beistellung des Lasers selbst sein. Andere Observatorien
verwirklichen Entwürfe, die auf dem ALFA-System basieren. Entsprechend
verwenden
wir für PARSEC Farbstoff-Ringlaser, um die noch großen Unsicherheiten anderer
Technologien zu vermeiden. Feststofflaser als Pumplaser werden aber die
Leistungsaufnahme
stark verringern. PARSEC nutzt auch einen neuartigen Aufbau, der eine von
einem Referenzlaser kontrollierte Verstärkerzelle beinhaltet. Die Qualität
des Strahls wird vom Referenzlaser bestimmt, der leichter abzustimmen und
stabiler ist, da er mit weniger Leistung betrieben wird. Die Leistung wird
dann in der Verstärkerstufe deutlich über das sonst Mögliche erhöht, bis zur
erforderlichen Ausgangsleistung von 10-15 W.
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Building on the experience acquired with
ALFA, we are now collaborating with ESO to implement a Laser Guide Star
Facility on the VLT by 2003. Our contribution, the PARSEC project,
will be to provide the laser itself. A number of other observatories have
adopted designs based on the ALFA system, and for PARSEC we do likewise, using
ring dye lasers in order to avoid the serious uncertainties which still
persist in other technologies. However the pump lasers are totally
solid-state, so that the power consumption is very much reduced. It also
makes use of an innovative design involving an amplifier that is injection
seeded by a master laser. The beam quality is determined by the master laser,
which is easier to tune and more stable because it runs at lower power. The
power can then be boosted in the amplifier stage considerably above what
might otherwise be possible, to reach the required output power of
10-15 W.
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MPE ist Teil eines von Astrium GmbH geführten Konsortiums, das eine
Vor-Phase-A-Studie zum Nahinfrarot-Multiobjektspektrographen
des NGST durchführt, der Teil des ESA-Beitrags zur NGST-Mission sein
wird. Der Spektrograph wird MEMS-Technologie nutzen, um eine dynamisch
konfigurierbare Multispaltmaske für den Wellenlängenbereich 1 bis 5µm
und ein Gesichtsfeld von 3 x 3 Bogenminuten zu erzeugen. Das Konsortium plant
auch, eine optionale feldabbildende Einheit in die Designstudie
einzubeziehen. Diese ergänzt die Multiobjektspektroskopie und erlaubt
eingehende kinematische und dynamische Untersuchungen schwacher Galaxien mit
komplexer Morphologie und bei hoher Rotverschiebung.
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MPE is one of the partners of a consortium
led by Astrium GmbH carrying out the pre-phase A study of the near infrared
multi-object spectrograph for NGST, which will be part of the European Space
Agency's contribution to the NGST mission. The spectrograph will use
MEMS technology to provide a dynamically reconfigurable multi-slit mask for
multi-object spectroscopy in the 1 to 5µm wavelength range over a field
of view of 3 x 3 arcminutes. The consortium also plans to include an optional
integral field unit within the design study, to complement the multi-object
spectroscopic capability and enable detailed kinematic and dynamical studies
of faint high redshift galaxies with complex morphologies.
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Das ISO-Spektrometerdatenzentrums (ISOSDC) am MPE
unterstützt in Zusammenarbeit mit Instituten in Groningen, Leuven und
Villafranca (ESA) bis mindestens Ende 2001 die Aktivitäten zur weiteren
Verbesserung und Nutzung der Datenbasis der ISO-Mission. In diesem
Jahr wurden eine neue Version der "Pipeline"-Software zur automatischen
Auswertung der ISO-SWS Daten entwickelt und die zweite Ausgabe der offenen
Version der Interactive Analysis (OSIA) fertiggestellt, die Astronomen
Reduktion der SWS-Daten direkt an ihren Heimatinstituten ermöglicht. Die
endgültige Version des ISO Spectral Analysis Package (ISAP) zur Verarbeitung
von SWS- und LWS-Daten wurde freigegeben. Die Kalibration der SWS-Daten wurde
grundlegend revidiert und Untersuchungen zu Nichtlinearitäten bei hohen
Flüssen durchgeführt. Die erste Version des ISO-"Handbuchs" zur Dokumentation
aller wichtigen Eigenschaften steht kurz vor der Fertigstellung. Die
vollständige
Neuprozessierung aller ISO-SWS-Daten für die lokale Kopie des ISO-Archivs
wurde abgeschlossen. Das ISOSDC ist über das Internet erreichbar.
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In collaboration with institutes in
Groningen, Leuven and Villafranca (ESA), the ISO Spectrometer Data Centre
(ISOSDC) at MPE is supporting at least until end of 2001 activities for
improvement and use of the database of the ISO mission. This year, we
have completed a new version of the pipeline software for automatic
processing of ISO-SWS data and the second release of the open version of our
Interactive Analysis (OSIA), which allows astronomers to reduce their SWS
data directly at their home institutes. The final version of the ISO Spectral
Analysis Package (ISAP) for processing of SWS- and LWS data has been
released. We have revised the calibration of the SWS data and studied
nonlinearitites at high fluxes. The first version of the ISO "handbook" for
documentation of the important properties is close to completion. The complete
reprocessing of all ISO-SWS data for the local copy of the ISO archive has
been completed. The ISOSDC can be contacted via:
http://www.mpe.mpg.de/ISO/isosdc.html
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In diesem Jahr wurde durch Memorandum zwischen der MPG und
der University of California, Berkeley das UCB/MPG Centre for
International Exchange in Astrophysics and Space Science begründet. Ziel
ist die Zusammenarbeit auf allen Gebieten der Astrophysik, Astronomie, und
extraterrestrischen Forschung. Wissenschaftleraustausch, Arbeitsaufenthalte
und Konferenzen werden ergänzt durch gemeinsame Projekte wie SOFIA und die
Detektorentwicklung für das ferne Infrarot. MPE koordiniert dieses Projekt
mehrerer Max-Planck-Institute.
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This year, the UCB/MPG Centre for
International Exchange in Astrophysics and Space Science has been
established by memorandum between MPG and University of California, Berkeley.
Its goal is cooperation in all fields of astrophysics, astronomy and space
sciences. Exchange of scientists, visits and conferences are supplemented by
joint projects like SOFIA and the detector development for the far infrared.
MPE is coordinating this project involving several Max-Planck institutes.
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Vom DLR werden unterstützt: Das
ISO-Spektrometer-datenzentrum (50 QI 9402 3), SRON/ESA (10999/
94/NL/CC) und FIRST/PACS (50 OF 9901 1). Die EU unterstützt die Projekte
Laser Guide Star, ELAIS und POE (CT96-0094, CT96-0068, HPRN-CT-2000-00138).
Die Zusammenarbeit mit der Universität Tel Aviv wird mit einem GIF-Grant
(I-0551-186.07/97) gefördert. ESO unterstützt das Projekt CONICA
(35685/VLT/91/7843). Wir erhalten Unterstützung der Verbundforschung für ISO
und Lucifer (50 OR 9913 7 und 05 AL9EE1 7)
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The ISO
spectrometer data centre is supported by DLR (50 QI 9402 3) and SRON/ESA
(10999/94/NL/CC). FIRST/PACS is supported by DLR (50 OF 9901 1). EU/TMR
supports the projects Laser Guide Star, ELAIS and POE (CT96-0094 CT96-0068,
HPRN-CT-2000-00138). Our collaboration with Tel Aviv University is supported
by a GIF grant (I-0551-186.07/97). ESO supports the CONICA project
(35685/VLT/91/7843). We receive support from Verbundforschung for ISO and
LUCIFER (50 OR 9913 7 and 05 AL9EE1 7).
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Abb. III-8: Fokalebenen-Einheit des
PACS-Instruments. Eine Eingangsoptik bildet den Teleskop-Sekundärspiegel auf
den Chopper ab und verteilt dann das Licht in die Kanäle für Spektroskopie
und Photometrie. Im Photometerteil wird der Teleskopfokus mit
unterschiedlicher Vergrößerung auf die beiden Bolometer-Arrays abgebildet. Im
Spektrometerteil wird das Licht über einen Bildfeldzerleger in ein
Gitterspektrometer geleitet und nach der spektralen Zerlegung auf die
Germaniumdetektor-Arrays abgebildet.
Fig II1-8: The PACS Focal Plane
Unit. The entrance optics forms an image of the telescope secondary mirror on
the chopper and splits the light between the spectroscopy and photometry
channels. In the photometer part, the telescope focal plane is re-imaged with
different magnification onto the two bolometer arrays. In the spectrometer
part, an image slicer feeds the light into a grating spectrometer after which
the spectrally dispersed light is imaged onto the germanium detector arrays.
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Abb III-9: Eines der beiden diamantgefrästen
Gitter für FIFI LS. Die Fachwerkstruktur dient der Gewichtserleichterung.
Fig III-9: One of the diamond
machined gratings for FIFI LS. In this image one can see the lightweight spaceframe.
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Abb. III-10: Zentrifuge zur Herstellung
ultrareinen GaAs-Detektormaterials am MPE/UCB Centre in Berkeley.
Fig. III-10: Centrifuge for the
growth of ultra-pure GaAs detector material, at the MPE/UCB Centre in
Berkeley.
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Abb. III-11: Prototyp eines kryogenen Roboters
zur Positionierung von Faserbündeln eines Multiobjekt-spektrographen.
Fig. III-11: Prototype of a
cryogenic robot positioning the fibre bundles of a multi-object spectrograph.
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