Systemtemperatur

Die sogenannte Systemtemperatur eines Empfangssystems stellt eine wichtige Kenngröße eines bestimmten Systems dar, welche Vergleiche zu anderen Systemen zuläßt. Weiterhin gibt die Systemtemperatur auch grob Auskunft darüber wie empfindlich das System ist und welche kosmischen Radioquellen dadurch mit diesem System tatsächlich dedektiert werden können.


Der Begriff Systemtemperatur wird nach meiner Erfahrung in der Literatur unterschiedlich ausgelegt. Gleichzeitig wird in Fachartikeln oft mit weiteren Temperaturbegriffen gearbeitet, je nach Aufgabe und Methode die im jeweiligen Artikel verfolgt werden. Meiner Meinung nach genügt es die Systemtemperatur im Rahmen der Messgenaugkeit zu ermitteln, die mit Amateurmitteln realistisch erzielbar ist. Deshalb habe ich im Folgenden eine einfach auszuführende  HOT/COLD Methode beschrieben, welche sehr oft in Übungsbeschreibungen von Studierenden zum Thema zu finden ist.


Unter dem Bergriff Systemtemperatur kann man alle direkt vom Empfangssystem verursachten Temperaturbeiträge der einzelnen Baugruppen verstehen. Die dabei verwendeten "Temperatur"-Angaben werden rechnerisch aus den physikalischen Eigenschaften der Baugruppen ermittelt.


Die Ermittlung der Systemtemperatur kann auf unterschiedlche Art und Weise erfolgen. Zum einen besteht die Möglichkeit die Eigenschaften der am Empfangssystem beteiligten Komponenten bezüglich ihrer jeweiligen Rauschtemperatur zu untersuchen.


  z. B.     Tsys = Tatmosphäre + Tradom + Tfeed + Tsteckverbinder + Tlna


Dabei ergibt die Summe der Beiträge dieser einzelnen "Temperaturwerte" die gesamte Systemtemperatur. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge wird der Begriff Systemtemperatur in der Literatur deutlich unterschiedlich ausgelegt. Um nun einigermaßen Klarheit über die Güte des eingesetzten Systems zu erhalten kann man jedoch mittels einer sehr einfachen Messung das System diesbezüglich beurteilen.


Die Hot/Cold Methode


Durch die Ermittlung des Sigalanstieges zwischen einem "heißen" und einem kalten Objekt kann über den Zusammenhang:


Tsys = (Thot - Y * Tcold) / (Y-1)


sehr einfach eine brauchbare Einschätzung der Systemtemperatur erfolgen. Das Empfangssystem wird dazu zunächst auf ein Objekt ausgerichtet dessen Temperatur bekannt ist, zum Beispiel nahe Bäume oder ein Gebäude. Man geht dabei davon aus, dass dieses Objekt Umgebungstemperatur hat. Was angenommen einer Temperatur von ca. 290 Kelvin entspricht. Der Messwert aus dem Empfangssystem wird in dB notiert. Dann wird das System auf einen kalten Punkt am Himmel (Sternbild Löwe) ausgerichtet. Dort sind Temperaturen um 10 Kelvin zu erwarten. Günstig sind dabei Positionen welche von der Galaktischen Scheibe wegweisen, weil hier sehr wenig Radiostrahlung zu erwarten ist, der Himmel also "kalt" ist. Der Messwert in dB wird notiert. Der Y-Wert ergibt sich durch das delogarithmieren der Differenz aus den beiden Werten.




Aus dem Diagramm lässt sich entnehmen, dass Werte für Y zwischen 4 und 6 dB über dem Rauschen eine Systemtemperatur zwischen 185 und 90 Kelvin ergeben.


Daraus folgt zum Beispiel, dass ein Empfangssystem mit einer Systemtemperatur Tsys = 130 K in der Lage sein sollte ca. 30 K pro 1 dB

aufzulösen.


Interstellarer atomarer Wasserstoff entlang des Milchstraßenbandes wird in der Literatur mit Temperaturen zwischen 40 K und 100 K angegeben. Grob ermittelt sollte sich die Wasserstoflinie (HI) in diesem Beispiel mit 2 - 3 dB über dem Rauschen zu erkennen geben. Die Kontinuumsstrahlung ist deutlich geringer. Linienstrahlung ist dem Dopplereffekt unterworfen. Messungen im Radio-Kontinuum erfassen die Emissionen einer Radioquelle in einem Frequenzbereich außerhalb der Linienemissionen.

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Einzelne, isoliert stehende Radioquellen mit geringer Flächenausdehnung sind gegenüber dem praktisch in allen Himmelsregionen mehr oder weniger stark vorhandenen Wasserstoff schwieriger zu detektieren. Zum Beispiel erfasst der große Öffnungswinkel eines 3 Meter Spiegels, der für 1,42 MHz etwa bei 5° liegt, neben der gesuchten Radioquelle selbst, die sicher eine Flächenausdehung kleiner 1° aufweist, viel Hintergrundsignal aus der unmittelbaren Umgebung der Quelle. Die Aufgabe des Empfangssystems besteht nun darin das gesuchte Signal aus dem Hintergrundrauschen herauszuheben. Um ein Gefühl dafür zu bekommen um welche Größenordnungen es sich dabei handelt hilft ein Blick auf die folgenden Tabellen:


In der ersten Tabelle sind beispielhaft die zu erwartenden Y-Faktoren für eine Messung zwischen dem kalten Himmel (10K) und der Umgebungstemperatur (290K) bzw. die Stärke des Sonnensiganls dargestellt.




In der folgenden Tabelle, die nur Werte enthält die kleiner als 0,2 dB ! sind, stehen die zu erwartenden Siganlstärken für einige prominente Radioquellen.




Damit ist schnell erkennbar, dass ein 3 Meter Empfangssystem ein durchgängig optimales Verhältnis von Signal zu Rauschanteil aufweisen muss, um die bekannten, von den Profis als starke Standartsignalquellen bezeichneten Strahler sicher zu detektieren.


Kann das System zum Beispiel den Mond wiederholt sicher detektieren, können die anderen oben erwähnten Radiostrahler ebenfalls detektiert werden. Nur Virgo A scheint hierbei mit einer kleinen Herausforderung für den Beobachter verbunden zu sein.

 

 

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