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Inband-Frequency-Switching-Modus

Warning

With the installation of new 21-cm receivers and digital spectrometers at Effelsberg the instruction given below is out of date and will most likely not work anymore. However, I will leave this page up in the hope that some of the information may still be of use.

Einführung

Beim Inband-Frequency-Switching-Verfahren wird die Offset-Frequenz beim Frequency-Switching so klein gewählt, daß die zu beobachtende Quelle innerhalb der Bandbreite sowohl der Signal- als auch der Referenzmessung liegt. In Effelsberg beispielsweise bietet es sich an, eine Bandbreite von $10~\mathrm{MHz}$ zu wählen und diesen Bandpaß symmetrisch zur Frenquenz der Quelle um je $\Delta \nu = 2.4~\mathrm{MHz}$ nach oben und unten zu verschieben. So ist gewährleistet, daß die Quelle in beiden Bändern noch enthalten ist und damit die volle Beobachtungszeit für die Detektion des Signals genutzt werden kann. Dadurch erhält man gegenüber dem normalen Frequency-Switching-Modus eine um den Faktor $\sqrt{2}$ verminderte Rauschamplitude.

Wenn $T_{\rm sig}$ die Temperatur im Signalband ist und $T_{\rm ref}$ jene im Referenzband, so erhält man ein Ausgangssignal proportional zum Verhältnis $(T_{\rm sig} - T_{\rm ref}) / T_{\rm ref}$. Daraus resultiert ein Spektrum, in welchem die im Signalband gemessene Quelle als positives Signal und die im Referenzband detektierte Quelle als negatives Signal erscheint. Auf Grund der Division durch $T_{\rm ref}$ hat jedoch das negative Signal eine geringere Amplitude als das positive, so daß ein einfaches Mitteln der beiden Peaks zu falschen Ergebnissen führen würde. Der Effekt ist in der Abbildung rechts oben an einem Beispiel illustriert.

Um die Meßdaten dennoch auswerten zu können, muß man daher einen kleinen Trick anwenden: Bei der Bildung von $(T_{\rm sig} - T_{\rm ref}) / T_{\rm ref}$ erscheint die Quelle im Signalband positiv und mit der richtigen Skalierung. Wenn man jetzt außerdem das Verhältnis $(T_{\rm ref} - T_{\rm sig}) / T_{\rm sig}$ bildet, so enthält dieses die Quelle im Referenzband als positives und korrekt skaliertes Signal. Durch eine Verschiebung um $4.8~\mathrm{MHz}$ lassen sich beide Peaks aufeinanderschieben, und man behält bei der Mittelung das richtig skalierte Signal.

1. Extrahieren der Daten in Effelsberg

Um Inband-Frequency-Switching-Messungen gemäß der zuvor gemachten Bemerkungen auswerten zu können, sind folgende Schritte vonnöten. Zunächst muß wie gewohnt nachgesehen werden, in welcher Datei die aktuellen Daten abgelegt sind. Dies geschieht mit dem Befehl

Man erhält daraufhin eine Liste aller Beobachtungsdateien angezeigt, von denen die aktuelle Datei Exy mit einem Stern (*) versehen ist (zum Beispiel E06). Die eigenen Beobachtungen sind dann (normalerweise) in dieser Datei abgelegt und müssen zur weiteren Bearbeitung in das Sun-Format konvertiert werden:

Dabei sind <scan1> und <scan2> die erste und die letzte Scan-Nummer der durchgeführten Beobachtungen, und <step> ist die Schrittweite, die 1 betragen sollte, wenn alle Daten geschrieben werden sollen. Danach müssen Signal und Referenz vertauscht und die so erhaltenen Daten wiederum konvertiert werden:

Die Werte für die einzelnen Phasen werden dabei beim Start von spec2 auf dem Bildschirm angezeigt und können am einfachsten per »copy and paste« neu zugewiesen werden.

2. Kopieren der Daten nach Bonn

Als nächstes müssen beide Dateien per scp nach Bonn transferiert werden:

3. Umwandeln der Daten in das Alpha/PC-Format

In Bonn muß man dann auf einem Linux-Rechner die Dateien zur weiteren Verarbeitung vom Sun- in das Alpha/PC-Format umwandeln, indem man das Programm draw2 verwendet (hier nur am Beipiel der Datei daten.avk_sun). Dieser Schritt ist allerdings nur dann notwendig, wenn die Daten in Effelsberg auf einer Sun-Workstation extrahiert wurden. Wurde hingegen ein PC benutzt, kann der folgende Schritt übersprungen werden.

4. Bestimmung der Faktoren für die Flußkalibration

Im Anschluß liegen die Daten im Alpha/PC-Format vor, und es kann wie gewohnt mit der S7-Kalibration fortgefahren werden, was auch unter Linux möglich ist. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die Datei daten.avk Beobachtungen der S7-Kalibrationsquelle beinhaltet:

5. Ausführen der Flußkalibration

Die dabei erhaltenen Kalibrationsparameter $T_{\rm A}$ und $T_{\rm B}$ werden dem Kalibrationsprogramm als Eingabeparameter mitgeteilt, um die Kalibration der Spektren zu bewirken (hier am Beispiel der Datei daten.avk):

6. Verschieben der invertierten Daten

Im Falle der invertierten Daten funktioniert die S7-Kalibration nicht ohne weiteres, weil das Referenzsignal verschoben ist, so daß die Geschwindigkeitseichung der Spektren nicht stimmt. Als Abhilfe können die Daten mit Hilfe des Programms calib-shift korrigiert werden:

Mit dem korrigierten Datensatz daten_inv_shift.avk kann dann die S7-Kalibration auch für die invertierten Daten wie unter Punkt 4 und 5 beschrieben durchgeführt werden.

7. Korrektur der Streustrahlung

Nach der Kalibration wird die Streustrahlungskorrektur durchgeführt, die gleichzeitig die Korrektur der Daten bezüglich der »main beam efficiency« $\eta_{\rm MB}$ durchführt. (Sollte aus irgendwelchen Gründen auf die folgende Streustrahlungskorrektur verzichtet werden, müssen die Daten von Hand durch $\eta_{\rm MB}$ dividiert werden!)

8. Umwandeln der Daten in das CLASS-Format

Zuletzt müssen die Spektren noch in das CLASS-Format umgewandelt werden, damit die weitere Auswertung mit dem GILDAS-Paket vorgenommen werden kann. Hierzu muß man sich auf einer Alpha-Workstation einloggen und das Programm drawclass aufrufen:

Nun sind alle Spektren reduziert und im class-Format unter der Dateiendung .eff verfügbar. Für die weitere Auswertung kann das GILDAS-Programmpaket benutzt werden. Beim Mitteln der Spektren mit CLASS ist zu beachten, daß die Geschwindigkeit anstelle der Kanalnummer als Referenz genommen werden muß.