Development of Low Power Readout Electronics for Micro Channel Plate Detectors with Cross Strip Anodes for UV Space Observatories

Abstract

Scientific progress in astrophysics is strongly supported by observations in the ultraviolet (UV) wavelength regime of the electromagnetic spectrum. Insight into unique features of astrophysical objects is only possible in the UV. At the Institute for Astronomy and Astrophysics in Tübingen (IAAT), novel solar blind and photon counting micro channel plate (MCP) UV detectors are developed to improve scientific work in the UV significantly. For the application of the detectors in satellite observatories, enhanced sensitivity, longer lifetime and low power dissipation are crucial properties. These are at the focus of the work at IAAT. In this thesis, a novel concept of low power readout electronics for the MCP detectors has been investigated and realized. The concept furthermore allows for an enhanced lifetime of the detectors. The Beetle pre-amplifier chip which was developed at Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg for LHCb at CERN is the key component to realize the concept. To control and readout the Beetle chip and further electronic components, a corresponding unit was implemented in a field-programmable gate array (FPGA). Control and analysis software was furthermore implemented. For tests of the readout electronics, a charge injector device and a readout electronics laboratory setup were manufactured. The accurate readout of signals that are comparable to signals from an actual MCP detector was performed. The commissioning of components to further improve the electronics setup in terms of the scientific constraints was carried out. The proper function of a low power readout front-end electronics for MCP detectors that can be implemented space-qualified was shown in this work. It allows to build MCP detectors for future UV missions that have a so far unrivaled lifetime and performance.

Der wissenschaftliche Fortschritt in der Astrophysik wird maßgeblich unterstützt durch Beobachtungen im ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Erkenntnis über spezielle Eigenschaften astrophysikalischer Objekte ist allein durch Beobachtungen im UV möglich. Am Institut für Astronomie und Astrophysik in Tübingen (IAAT) werden neuartige, photonenzählende Mikrokanalplatten (MCP)- Detektoren entwickelt, um die wissenschaftliche Arbeit im ultravioletten Spektralbereich deutlich zu verbessern. Zusätzlich sind diese Detektoren unempfindlich im optischen Spektralbereich. Für den Einsatz der Detektoren in wissenschaftlichen Satelliten sind eine höhere Empfindlichkeit, eine längere Lebensdauer und eine geringe Leistungsaufnahme entscheidende Eigenschaften. Diese sind im Fokus der Arbeit am IAAT. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein neuartiges Konzept für eine Elektronik zur Auslese der MCP-Detektoren untersucht und realisiert. Das Konzept ermöglicht die Erhöhung der Lebensdauer bei gleichzeitig geringer elektrischer Leistungsaufnahme. Die Schlüsselkomponente zur Realisierung des Konzeptes ist der Beetle Vorverstärker-Chip, welcher am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg für das LHCb- Experiment am CERN entwickelt wurde. Zur Steuerung und Auslese des Beetle Chip und weiterer elektronischer Komponenten wurde eine entsprechende Einheit in einem field-programmable gate array (FPGA) umgesetzt. Des weiteren wurde Steuer- und Analysesoftware implementiert. Für Tests der Ausleseelektronik wurden ein Gerät zur Ladungseinkopplung und ein Laboraufbau realisiert. Die akkurate Verarbeitung von Signalen ähnlich denjenigen eines MCPDetektors wurde durchgeführt. Komponenten, welche eine weitere Verbesserung der Ausleseelektronik hinsichtlich ihrer wissenschaftlichen Zielsetzung ermöglichen, wurden in Betrieb genommen. Die korrekte Funktion einer weltraumtauglich realisierbaren Ausleseelektronik mit geringer Leistungsaufnahme wurde in dieser Arbeit gezeigt. Damit können MCP-Detektoren für zukünftige UV-Missionen gebaut werden, die einen bisher unerreichte Lebensdauer und Dynamik besitzen.