Bachelor thesis

The thesis deals with the application and characterization of a heterodyne emission spectrometer, with which due to a new design a broadband and highly accurate emission spectrum can be recorded. The intrinsic bandwidth is 2.5 GHz and the tuning range is between 73 and 110 GHz. First, there is a focus on the theory behind the relevant part of the laboratory astrophysics. Afterwards the experimental setup is presented and characterized. A large part of this work is spent on the analysis of the emission spectrum.

Since for the first time a spectrometer has been developed, which can selectively measure an emission or an absorption spectrum, the for the absorption spectrum necessary hot thermal radiator was developed. The resulting absorption spectrum was compared with that of a conventional absorption spectrometer and the emission spectrum. The obtained Results are a novelty: For the first time, the K structure of methyl cyanide (=3 mm) in emission was resolved and also the Hyperfine structure was partially detected. Furthermore the two vibration-excited states v₈ = 1 and v₈ = 2 were measured.

Some results can be found in this publication: N. Wehres, B. Heyne, F. Lewen, M. Hermanns, B. Schmidt, C. Endres, U. U. Graf, D. R. Higgins and S. Schlemmer: 100 GHz Room-Temperature Laboratory Emission Spectrometer, Proceedings of the International Astronomical Union, 332-345, (2017). DOI

Master thesis

This thesis describes characterizations and discusses improvements made over the last year of the Cologne Chirped-Pulse Fourier Transform Spectrometer. First, I discuss the theoretical background. The rotational spectroscopy is described in more detail and the technical principle of the spectrometer is explained. Subsequently, the experimental setup, including the timing scheme, is described and characterized by noise temperature measurements. At the noise temperature, the heterodyne mixing process is first left out and then integrated. For further characterization, the spectrum of carbonyl sulfide is measured and the results are compared to a similar spectrometer described by Brown et al. (2008). In order to improve the setup, several components are investigated and replaced by optimized parts. For example, various window materials are analyzed and new windows are installed in the vacuum chamber. To characterize the molecular beam cooling effect the intensities of carbonyl sulfide with and without supersonic jet are displayed and an intensity calibration is performed. Finally, a heatable nozzle with a reservoir is constructed and tested.

The spectrometer which was used is also described in this publication: M. Hermanns, N. Wehres, F. Lewen, H.S.P. Müller, S. Schlemmer, Rotational spectroscopy of the two higher energy conformers of 2-cyanobutane, Journal of Molecular Spectroscopy, Volume 358, April 2019, Pages 25-36, DOI

PhD thesis

Till the early 1960s, only three molecules, CH, CH+ and CN, had been detected in the interstellar medium. Then many molecules have been detected in space using radio astronomical methods. As of April 2024, more than 300 species have been found and their number keeps increasing constantly, particularly triggered by technological advances in laboratory astrophysics. Laboratory astrophysics has guided astronomers to identify the astronomical signals observed by them using both ground-based and space-based telescopes. Nevertheless, many detected astronomical spectra have still not been completely decoded.

Rotational spectroscopy of molecules in the laboratory is required to fully exploit these spectra and to identify new molecules in space. Each molecule has a unique rotational spectrum as it depends on its structural composition (moments of inertia i.e. "structure and mass"). A molecule and its spectrum can be compared to a human and the human's fingerprint.

Various experimental methods have been applied for obtaining rotational spectra in the laboratory. Chirped-pulse Fourier transform spectroscopy, which was developed in 2006, is one such technique. In this method, molecules are excited and macroscopically polarized by a short pulse of a sweep signal (chirped-pulse). Upon relaxing to their initial state the transition energy is emitted as radiation and thus their rotational spectrum can be detected. In this thesis, two home-built chirped-pulse Fourier transform spectrometers and their (further) development are described in detail. One instrument operates between 12 and 26.5 GHz and the other between 75 and 110 GHz. Both spectrometers can be equipped with a supersonic jet expansion as molecular source, which enables the measurement of rotationally cold molecules hence simplifying the rotational spectrum. These sources can also be prepared with various attachments (i.e. discharge and heated reservoir), further expanding the range of molecules that can be analyzed.

Furthermore, two data acquisition/generation boards implemented in one of the spectrometers will be presented. The boards are unique and contain systems of digital-to-analog converters, analog-to-digital converters and field-programmable gate arrays. They were developed in cooperation with the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn to match the requirements of the spectrometer and measurements. Thus enabling a variety of measurement techniques, such as the cyclic recording in a fast manner. This can be applied to different phases of the chirped-pulse, leading to a signal clean-up and sideband separation or the investigation of time-dependent processes. All these methods have been employed over the course of this thesis with the latter being tested on a discharge measurement.

Of the molecules detected in space, many contain a cyano group. The cyano-group increases the dipole moment and aids the molecule's detectability thereby highlighting the importance of CN in many of these astrophysical environments. Some cyano-containing aromatic (cyclic compounds) hydrocarbons have also been detected in the past decade. It is assumed that polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contain a large proportion of the carbon in space and may be responsible for various phenomena (i.e. the unidentified infrared and the diffuse interstellar bands), however individual identification has remained difficult. Furthermore, recently the first heterocycles containing oxygen (oxirane and propylene oxide) have also been detected in space, which makes similar heterocycles relevant. Based on recent detections, three interesting candidates were selected for this work and investigated with the two chirped-pulse Fourier transform spectrometers developed in Cologne:

The first is 4-cyanobiphenyl (C₁₃H₉N) a highly polar molecule, which consists of a biphenyl (C₆H₅-C₆H₅) in which one of the hydrogen atoms in para-position has been replaced with a cyano group. Biphenyl is a potential building block of PAHs. The next candidates are the singly substituted C-13 isotopologs of n-propyl cyanide (C₃H₇CN). This molecule is of astrophysical interest because the main isotopolog has already been detected in space and it can be assumed that the rare single C-13 isotopologs may be detectable. Having an understanding of the isotope ratio in space will also provide information on stellar nucleosynthesis. The last molecule investigated in the scope of this thesis is the carbon and oxygen-containing heterobicycle cyclopentadiene oxide (C₅H₆O). These measurements were not only done with one of the chirped-pulse spectrometers but also with a conventional mm/submm-wave absorption spectrometer with a frequency range of up to 500~GHz. The results of the three studied molecules will now allow for an astronomical search and possible detection in space.

This abstract can also be downloaded here .

German translation

Bis Anfang der 1960er Jahre waren nur drei Moleküle, CH, CH^+ und CN, im interstellaren Medium entdeckt worden. Dann ist eine Vielzahl von Molekülen mit Hilfe radioastronomischer Methoden im Weltraum erfasst worden. Zum aktuellen Stand (April 2024) sind mittlerweile mehr als 300 Spezies bekannt und die Zahl der Neuentdeckungen wächst stetig, besonders durch technologische Weiterentwicklung in der Laborastrophysik. Die Laborastrophysik hilft astronomische Signale zu identifizieren, die sowohl mit bodengebundenen als auch mit welt-raumgestützten Teleskopen realisiert wurden. Dennoch sind viele astronomische Spektren noch nicht vollständig entschlüsselt worden.

Die Rotationsspektroskopie von Molekülen im Labor ist erforderlich, um diese Spektren vollständig zu erschließen und neue Moleküle im Weltraum zu identifizieren. Jedes Molekül hat ein einzigartiges Rotationsspektrum, da es von seiner strukturellen Zusammensetzung (Trägheitsmomente, d. h. „Struktur und Masse") abhängt. Ein Molekül und sein Spektrum können in seiner Einzigartigkeit mit einem Menschen und seinem Fingerabdruck verglichen werden.

Für die Untersuchung von Rotationsspektren im Labor werden verschiedene experimentelle Methoden eingesetzt. Die 2006 entwickelte Chirped-Pulse Fourier Transform Spektroskopie ist eine besonders schnelle Technik dafür. Bei dieser Methode werden Moleküle durch einen kurzen Puls mit einer schnell durchgestimmten Frequenz ("chirped-pulse") angeregt und makroskopisch polarisiert. Beim Relaxieren in den Ausgangszustand wird die Übergangsenergie als Strahlung emittiert, so dass ihr Rotationsspektrum detektiert werden kann. In dieser Arbeit werden zwei selbstgebaute Chirped-Pulse Fourier Transform Spektrometer und deren (Weiter-)Entwicklung im Detail beschrieben. Ein Spektrometer arbeitet zwischen 12 und 26,5~GHz und das andere zwischen 75 und 110~GHz. Beide Spektrometer können mit einem Überschall-Düsenstrahl als Molekülquelle kombiniert werden, was die Messung von rotationskalten Molekülen ermöglicht und dadurch das Rotationsspektrum vereinfacht. Diese verwendeten Düsen können auch mit verschiedenen Aufsätzen (z.B. Entladung und beheiztes Reservoir) ausgestattet werden, was die Palette der analysierbaren Moleküle erweitert.

Darüber hinaus werden zwei Karten zur Datenerfassung und -erzeugung vorgestellt, die in eines der Spektrometer eingebaut wurden. Die Karten sind einzigartig und enthalten Systeme aus Digital-Analog-Wandlern, Analog-Digital-Wandlern und Field-Programmable Gate Arrays. Sie wurden in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn entwickelt, um die Anforderungen des Spektrometers und der Messungen zu erfüllen. Sie ermöglichen eine Vielzahl von Messtechniken, wie z.B. die zyklische Aufzeichnung auf schnelle Art und Weise. Diese kann auf verschiedene Phasen des chirped-pulse angewendet werden, was zu einer Signalbereinigung und Seitenbandtrennung oder zur Untersuchung zeitabhängiger Prozesse führt. Alle diese Methoden wurden im Rahmen dieser Dissertation angewandt, wobei die letztgenannte Methode an der zeitlichen Entwicklung einer Entladungsmessung getestet wurde.

Eine große Zahl der astronomisch detektierten Moleküle enthalten eine Cyano-Gruppe. Die Cyano-Gruppe erhöht das Dipolmoment, was die Nachweisbarkeit der Moleküle begünstigt und dabei die Bedeutung von CN in vielen dieser astrophysikalischen Umgebungen unterstreicht. In den letzten Jahren wurden auch einige cyanohaltige aromatische Kohlenwasserstoffe nachgewiesen. Man geht davon aus, dass die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) einen großen Teil des Kohlenstoffs im Weltraum enthalten und für verschiedene Phänomene verantwortlich sein könnten (z.B. die nicht identifizierten Infrarot- und die diffusen interstellaren Banden), doch die individuelle Identifizierung war bisher schwierig. Darüber hinaus wurden vor kurzem die ersten Heterozyklen, die Sauerstoff enthalten (Oxiran und Propylenoxid), im Weltraum entdeckt, was ähnliche Heterozyklen für astronomische Entdeckungen relevant macht. Auf der Grundlage der jüngsten Entdeckungen wurden drei interessante Kandidaten für diese Arbeit ausgewählt und mit den beiden in Köln entwickelten Chirped-Pulse Fourier Transform Spektrometern untersucht:

Der erste ist 4-Cyanobiphenyl (C₁₃H₉N) ein hochpolares Molekül, das aus einem Biphenyl (C₆H₅-C₆H₅) besteht, bei dem eines der Wasserstoffatome in para-Position durch eine Cyanogruppe ersetzt wurde. Biphenyl ist ein potenzieller Baustein von PAKs. Die nächsten Kandidaten sind die einfach substituierten C-13-Isotopologe von n-Propylcyanid (C₃H₇CN). Sie sind von astrophysikalischem Interesse, da das Hauptisotopolog bereits im Weltraum nachgewiesen wurde und man davon ausgehen kann, dass die seltenen C-13-Isotopologe nachweisbar sein könnten. Ein Verständnis des C-12/C-13 Isotopenverhältnis im Weltraum könnte auch Informationen über die stellare Nukleosynthese liefern. Das letzte im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Molekül ist der kohlenstoff- und sauerstoffhaltige Heterobizyklus Cyclopentadienoxid (C₅H₆O). Diese Messungen wurden nicht nur mit einem der Chirped-Pulse Spektrometer, sondern auch mit einem konventionellen mm/submm-Wellen-Absorptionsspektrometer mit einem Frequenzbereich von bis zu 500 GHz durchgeführt. Die Ergebnisse der drei untersuchten Moleküle werden nun eine astronomische Suche und einen möglichen Nachweis im Weltraum ermöglichen.

Diese Kurzzusammenfassung kann auch hier heruntergeladen werden.