Extrem rauscharme integrierte Ladungsverstärker für Detektoren zur Erfassung von interstellaren, interplanetaren und terrestrischen Staubpartikeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Berroth; Privatdozent Dr.-Ing. Ralf Srama
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389806487

Staub stellt einen der wichtigsten Bestandteile des Universums dar. Unser eigenes Sonnensystem ist vor ca. 4,6 Milliarden Jahren aus einer interstellaren Staub- und Gaswolke entstanden. Die Staubastronomie versucht durch die Untersuchung solcher interstellarer, kometarer und asteroidaler Stäube Rückschlüsse auf die Bedingungen während der Entstehung unseres Planetensystems zu gewinnen.Durch die gleichzeitige Erfassung der Partikeltrajektorie und der chemischen Zusammensetzung ermöglichen zukünftige Staubteleskope tiefe Einblicke in den Ursprung der Partikel, insbesondere auch bei der Suche nach organischen Molekülen im Weltraum. Auf der Erde und auf Monden sollen ähnliche Detektoren in Zukunft die präzise, nicht kumulative Untersuchung von Feinstäuben erlauben.Ein wichtiger Bestandteil der Detektoren stellt der influenzladungsbasierte Trajektoriensensor dar. Vereinfacht handelt es sich um mehrere hintereinander angeordnete Gitter, wobei jeder Draht an einen Ladungsverstärker angeschlossen ist. Fliegt ein, zumeist durch UV-Strahlung geladenes Teilchen durch die Gitter, influenziert es in den Drähten Ladungsimpulse, durch die die Geschwindigkeit und Richtung des Partikels berechnet werden kann. Eine der größten Herausforderungen bei der Ladungsdetektion stellt die Erfassung der geringen Ladung der Partikel mit Ladungsverstärkern dar, wobei zukünftige Staubdetektoren die Erkennung von Ladungen ab ca. 35 Elementarladungen anstreben. Gleichzeitig sind im Vergleich zum Stand der Technik deutlich gesteigerte Bandbreitenanforderungen zu erfüllen. Die Erforschung der notwendigen Maßnahmen, um diese Anforderungen in Ladungsverstärkern zu erreichen, stellt das primäre Ziel des beantragten Vorhabens dar. Bedingt durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Partikel werden drei Frequenzbereiche definiert, die sich zusammen von 7 Hz bis 50 MHz erstrecken. In den höheren Frequenzbereichen ab 10 kHz soll eine Optimierung des Rauschverhaltens einer-seits durch eine theoretische Untersuchung und darauf folgende Optimierung des Gesamtsystems erfolgen. Andererseits soll ein konfigurierbarer Verstärker untersucht werden, der an unterschiedli-che Detektoren angepasst werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik soll die maximale betrachtete Frequenz zudem von 10 MHz auf 50 MHz gesteigert werden. Der Schwerpunkt des Antrags liegt auf der Reduzierung des Rauschens im Frequenzbereich von 7 Hz bis 300 kHz, der für langsame Partikel relevant ist. Wesentlicher Bestandteil des Vorhabens ist hierbei die Reduzierung des Rauschens durch Switched Biasing, einem Verfahren, bei dem durch das periodische Umschalten des Arbeitspunkts das 1/f-Rauschen potentiell reduziert werden kann. Dies wäre nach der Erkenntnis der Autoren die erste erfolgreiche Anwendung eines aktiven Verfahrens zur Reduzierung der Rauschleistung in dieser Verstärkerkategorie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Markus Grözing