Ontvangers

In het ontvanger laboratorium in Dwingeloo zijn op basis van de wensen van astronomen de meest gevoelige en stabiele meetontvangers in eigen beheer ontwikkeld, ondanks dat de beschikbare en geschikte componenten en materialen in de beginjaren soms schaars op de markt waren. De ontvangerbouw vertoonde een doorgaande ontwikkeling naar steeds grotere en complexere ontvangersystemen die later ook gekoeld werden met vloeibare stikstof. Die ontwikkeling werd ook zichtbaar in een voortdurende groei van de personeelsomvang.

21 cm-waterstoflijn ontvanger

Voor de eerste 21 cm-waterstoflijn ontvanger die voor de Dwingeloo Radiotelescoop werd ontwikkeld, kwam de ervaring opgedaan met de ontvanger in Kootwijk goed van pas. De radio-ontvangapparatuur van die tijd bestond uit een antenne, golfpijpen en coaxiale kabels. De versterking van het radiosignaal gebeurde met apparatuur opgebouwd uit losse componenten zoals radiobuizen (die veel warmte produceerden), spoelen, condensatoren en weerstanden.

Stabiliteit en gevoeligheid

Typisch belangrijke eigenschappen van radio-ontvangers voor radioastronomie zijn stabiliteit en gevoeligheid.

De stabiliteit van de apparatuur vormde een groot probleem: de versterking van ontvangers varieerde steeds, zij het langzaam. Bovendien produceren radiobuizen zelf ruis die vele malen sterker is dan het ontvangen signaal van de waterstof in de Melkweg.

De gevoeligheid van een ontvanger is afhankelijk van de ruis van de ontvanger, maar ook van de gebruikte bandbreedte en de waarneemtijd. De gevoeligheid neemt toe met de wortel van de waarneemtijd. Dus langer waarnemen betekent een betere gevoeligheid of een betere signaal-ruisverhouding. Maar daarmee wordt het probleem van de stabiliteit – de langzaam variërende ontvanger eigenschappen – alleen maar weer groter. Immers, de ontvanger moet stabiel gehouden worden gedurende de gehele waarneemtijd.

Truc met radioachtergrondruis van de hemel

Radioastronomen konden stabiliteit en gevoeligheid de baas blijven door hun metingen met een constante signaalbron te vergelijken. Hiervoor gebruikten zij de radioachtergrondruis van de hemel zelf op een frequentie die iets meer dan 1 MHz verschilde van de frequentie van de 21 cm-waterstoflijn (1420,406 MHz). Door de ontvanger snel heen en weer te schakelen tussen de frequentie van de waterstoflijn en de 1 MHz verschoven frequentie van de hemelachtergrond, kon steeds gecompenseerd worden voor veranderingen in de versterking van de ontvanger. Dit heen en weer schakelen gebeurde 400 keer per seconde. Dat had wel weer als nadeel dat maar de helft van de tijd gemeten werd. En dat verslechterde dan weer de signaal-ruisverhouding die afhangt van de wortel van de waarnemingstijd.

De tweede truc was een dubbele ontvanger: één helft schakelde tussen de frequentie van de 21 cm-lijn en een frequentie die 1 MHz hoger lag, de andere helft schakelde tussen een frequentie die 1 MHz lager lag en de frequentie van de 21 cm-lijn. Door de signalen van de beide ontvangerhelften op een slimme manier op te tellen verkreeg men een stabiel en goed gekalibreerd signaal met voldoende signaal-ruisverhouding.

Doorgaande ontwikkeling

Tegenwoordig is veel van bovenstaande apparatuur geminiaturiseerd in compacte schakelingen en chips op printplaten. Er zijn diverse spectraallijn ontvangers voor 18 cm en 21 cm gebouwd. De laatste lijnontvanger voor de Dwingeloo Telescoop was een nauwkeurige 1024-kanaals (auto)correlator, het radio equivalent van een spectrometer. Deze correlator kon snelheidsverschillen in het waterstofgas tot 1 km/s onderscheiden. Met die ontvanger is in het begin van de jaren negentig een laatste zeer gedetailleerde studie gemaakt van de neutrale waterstof in onze Melkweg.

De waterstoflijn ontvangers zijn ook gebruikt voor onderzoek van extragalactische stelsels waarbij de ontvanger soms vanwege de roodverschuiving verstemd moest worden. Heel bijzonder in 1959 was een verstemming van 1420 MHz tot beneden 1389 MHz voor waarnemingen van de waterstof in de Coma cluster.

Continuüm en polarisatie ontvangers

Naast de spectraallijn ontvangers zijn er veel typen ontvangers gebouwd voor verschillende golflengtes van 92 cm tot 6 cm die gebruikt werden voor het meten van de continuümstraling uit de Melkweg en de polarisatie daarvan. Typerend voor een polarisatie ontvangersysteem was een dubbele ontvanger gekoppeld aan een roterend gekruist dipoolpaar in het brandpunt.

Interferometrie en Very Long Baseline Interferometry

In een interferometer opstelling met één van de twee naast de radiotelescoop staande 7,5 meter Würzburg antennes werd in 1970 het antennepatroon van de radiotelescoop op 1415 MHz gemeten.

In 1976 ging de Dwingeloo Radiotelescoop op 1612 MHz meedoen als element in een ‘Very Long Baseline Interferometry’ netwerk met de 100 meter telescoop in Effelsberg (Duitsland), de 25 meter telescoop in Onsala (Zweden) en een 26 meter telescoop in Fort Davis (Texas, USA) als tegenstations.

Zonneontvanger

Vanaf 1972 is de Dwingeloo Radiotelescoop ook gebruikt voor onderzoek aan de zon. De ontvanger was een nieuwe 60-kanaals spectrograaf voor 160-320 MHz en later verstemd naar 400-900 MHz. Om uitbarstingen op de zon te kunnen waarnemen was het noodzakelijk om binnen een kwartier van ontvangersysteem te kunnen wisselen. Dit vroeg een ingrijpende verandering met als gevolg dat in 1974 de driepoot werd vervangen door de vierpoot.