Hochspannungsverstärker für adaptive Optik

Das Konzept der Adaptiven Optik (AO) ist eine der Schlüsseltechnologien für die Leistungsfähigkeit moderner Teleskope. Nur durch diese Technik können solche Teleskope ihr großes Auflösungsvermögen tatsächlich ausreizen, d.h. beugungsbegrenzt abbilden und sogar an die Bildqualität von Weltraumteleskopen wie Hubble heranreichen.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) hat für das Very Large Telescope das AO-System MACAO entwickelt. Der Beitrag von 4D Engineering besteht dabei in der Konzeption, Entwicklung und Fertigung des Subsystems zur Hochspannungsgenerierung (HVD - High Voltage Driver).

Einer der grundsätzlichen Nachteile bodengestützter astronomischer Teleskope gegenüber Weltraumteleskopen besteht in der Tatsache, dass die Abbildungen von Himmelsobjekten durch atmosphärische Unruhe verschmiert werden - jedem schon mit bloßem Auge als Flimmern der Sterne bei unruhiger Luft bekannt. Die Idee der adaptiven Optik (AO) besteht nun darin, diese Verzerrungen in der Abbildung zu messen und das Licht über einen nachgeordneten Spiegel zu lenken, der mechanisch so verformt wird, dass er die Verzerrung gerade ausgleicht. Nach diesem verformbaren Spiegel erhält man theoretisch ein korrigiertes Bild, das frei von Störungen durch Luftunruhe ist. Allerdings stellen die Frequenz atmosphärischer Turbulenzen und ihre Kleinräumigkeit sehr hohe Anforderungen an die Rate mit der der Spiegel verformt werden muss, sowie an die Anzahl von Piezoelementen als Aktuatoren und deren Stellgenauigkeit. Daher sind AO-Systeme noch immer eine technische Herausforderung und Gegenstand weiterer Forschung.

Auch das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO ist mit solchen Systemen ausgestattet, die speziell dafür entwickelt wurden und MACAO (Multi-Application Curvature Adaptive Optics) genannt werden. Das VLT besteht im Kern aus vier baugleichen Einheiten mit 8,2 m Spiegel und den dazugehörigen Instrumenten. Alle vier Einheiten sind im Coudé-Fokus mit MACAO-Systemen ausgerüstet.

Ein AO-System wie MACAO besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:

Der Beitrag von 4D Engineering für MACAO bestand in der Konzeption, Entwicklung und Fertigung des Subsystems zur Hochspannungsverstärkung HVD und der Hochspannungsverstärkerkarten selbst. Wir sind exklusiver Lieferant kompletter Systeme für ESO, die seit 2001 ihren Dienst am VLT und seinen Instrumenten tun. Selbstverständlich sorgt 4D Engineering auch für Support und Wartung der Systeme.

Der HVD ist als VMEbus-System aufgebaut, mit allen Vorteilen der Verfügbarkeit und Skalierbarkeit dieser Standardtechnologie. Beide Eigenschaften sind für den angepeilten Einsatzzeitraum im Bereich von Jahrzehnten unabdingbar. Die Systemkonzeption nimmt zudem auf die besonderen Anforderungen der beobachtenden Astronomie bzgl. Wärmeabgabe, Fernwartung, usw. Rücksicht. Master des VME-Systems ist ein Motorola CPU Board auf PowerPC-Basis. Auf ihm läuft die - ebenfalls von 4D Engineering entwickelte - Software zur Kommunikation mit dem RTC, Umrechnung der Hochspannungswerte, Kontrolle der Hochspannungskarten, Konfiguration, Systemüberwachung und Housekeeping. Als Echtzeitbetriebssystem kommt hier VxWorks von Wind River zum Einsatz.

Als Aufsteckmodul trägt das CPU-Board auch eine High-Speed Fibre Link Karte zur Kommunikation mit dem RTC. Zusätzlich besteht eine Housekeeping- Verbindung zum RTC, ebenfalls auf Glasfiberbasis, umgesetzt auf RS232. Weitere Aufsteckkarten dienen der Auslesung von Temperatursensoren und digitalen bzw. analogen Aus- und Eingängen.

Die Hochspannungskarten selbst stellen eine Eigenentwicklung von 4D Engineering dar. Sie sind als 6U VME-Karten ausgeführt und tragen je 16 Hochspannungskanäle.

Diese Packungsdichte stellte für den Entwicklungszeitpunkt 2001 das Maximum dar, ließe sich aber mit aktuellen Techniken noch erheblich steigern. Die Skalierbarkeit des Systems bezüglich der Anzahl Hochspannungskanäle erfolgt über die Anzahl der gesteckten Karten. Die Kanäle erlauben jeweils eine Ausgangsspannung von ±400 V bei ±10 mA mit einer Linearität von 0,1% über den gesamten Ausgangsbereich. Zur Gewährleistung der Determiniertheit des Systems erfolgt die Freischaltung eingeregelter neuer Hochspannungen aller Kanäle synchron. Die Betriebssicherheit wird über eine automatische Relais-basierte Abschaltung aller Karten gewährleistet, sobald ein Ausgangsstecker den Kontakt verliert.

Das HVA-System ist für eine Updaterate von 1 kHz ausgelegt, also für eine Zykluszeit von 1 ms end-to-end, d.h. vom Empfang eines Datenpakets mit Sollwerten bis zur synchronen Freischaltung stabiler neuer Hochspannungen an den Ausgängen.