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Messung der Geschwindigkeit von kleinen Hochgeschwindigkeitspartikeln

23.07.2007

Zur Geschwindigkeitsmessung von kleinen Weltraumpartikeln wurde ein Messaufbau entwickelt, der den beim Durchflug durch eine Laserlichtebene entstehenden Lichtblitz detektiert. Erste Funktionstests mit schnellen Miniaturgeschossen wurden erfolgreich absolviert. Der Messaufbau ermöglicht durch Detektion und Auswertung einzelner Lichtblitze auch die Untersuchung von Geschossgarben.

Im Rahmen des von der AiF geförderten Forschungsvorhabens „Messung des Geschwindigkeitsvektors kleiner, schneller Teilchen im Weltraum“, einer Kooperation zwischen PTB, Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) und der etamax space GmbH, wurde ein neuer laseroptischer Messaufbau entwickelt, mit dem sich die Geschwindigkeit von submillimetergroßen, mehrere Kilometer pro Sekunde schnellen Partikeln messen lässt.

Das Geschwindigkeitsmessverfahren basiert auf einer Flugzeitmessung, bei der die für das Zurücklegen einer bekannten Wegstrecke benötigte Zeit gemessen wird. Die Messstrecke wird durch zwei hintereinander liegende Laserlichtebenen definiert, die das eintreffende Teilchen durchfliegt. Die hierbei entstehenden Streulichtblitze werden von schnell ansprechenden, hochempfindlichen Streulichtsensoren detektiert. Mit Hilfe einer zweidimensionalen Array-Anordnung von Streulichtsensoren lässt sich der Ort eines Streulichtblitzes und darüber dann die Trajektorie bzw. vektorielle Geschwindigkeit bestimmen. Alternativ ist eine Flugzeitmessung mit nur einer Laserlichtebene möglich, wenn der beim Auftreffen auf ein Target entstehende Einschlagblitz detektiert wird.

Ein erster Versuchsaufbau mit zunächst nur einer Laserlichtebene ist in Bild 1 abgebildet. Mit einem Laserlinienprojektor und zwei streifenförmigen Spiegeln wird ein ca. 3 mm dicker und ca. 0,1 m² großer Lichtvorhang aufgespannt. Die von einem durchfliegenden Partikel erzeugten Streulichtblitze werden von einem Photomultiplier mit vorgeschalteter Optik detektiert. Der Messaufbau wurde in der PTB und am EMI mit Hochgeschwindigkeitsprojektilen erfolgreich getestet. In der AG 1.33 „Dynamische Druckmessung“ wurden mittels Treibspiegeltechnologie beschleunigte Stahlkugelgarben mit 0,5 mm-Kugeln auf etwa 1,7 km/s gebracht. Beim Projektpartner EMI konnten mit einer zweistufigen Leichtgaskanone im Vorvakuum (ca. 100 hPa Druck) verschossene 1,5 mm-Aluminiumkugeln auf bis zu 5,7 km/s beschleunigt werden, von Luftreibung sehr viel stärker abgebremste Glaskugeln (Ø 40 µm bis 70 µm) bislang auf etwa 0,5 km/s. Der Photomultiplier konnte die von den durchfliegenden Projektilen erzeugten Streulichtblitze problemlos nachweisen (s. Bilder 2 bis 4).

Laseroptischer Messaufbau zur Geschwindigkeitsmessung von Hochgeschwindigkeitspartikeln. Zur Verdeutlichung ist der bei staubfreier Luft und streulichtarmer Optik nahezu unsichtbare Laserstrahl grafisch nachgezeichnet. Das auf einem Labortisch liegende Gerät ist geöffnet, Photomultiplier und Detektoroptik sind voneinander getrennt.

Bild 1: Laseroptischer Messaufbau zur Geschwindigkeitsmessung von Hochgeschwindigkeitspartikeln. Zur Verdeutlichung ist der bei staubfreier Luft und streulichtarmer Optik nahezu unsichtbare Laserstrahl grafisch nachgezeichnet. Das auf einem Labortisch liegende Gerät ist geöffnet, Photomultiplier und Detektoroptik sind voneinander getrennt.

Der im Bild 1 gezeigte Messaufbau wird zur Zeit auf zwei Laserlichtebenen erweitert und mit einer Zeilenanordnung von Streulichtsensoren ausgestattet. Hierdurch lässt sich dann auch die vektorielle Geschwindigkeit bestimmen. Es ist weiterhin geplant, den Messaufbau am EMI mit noch schnelleren Glaskugel-Geschossgarben zu testen.

Für irdische Anwendungen können mit dem Messaufbau Geschwindigkeiten von kleinen, schnellen Projektilen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Durch Detektion und Auswertung einzelner Lichtblitze lassen sich dabei auch Geschossgarben (z.B. Schrot) untersuchen. Zur Detektion kleiner Weltraumpartikel (insbesondere von Space Debris im Erdorbit) ist vorgesehen, die laseroptische Geschwindigkeitsmessung als erste Messstufe mit einer zweiten Stufe, einem Einschlagdetektor zur kalorimetrischen Messung der kinetischen Energie, zu kombinieren. Die interessierenden Partikelparameter Masse, Geschwindigkeit und Trajektorie ließen sich dann mit bislang unerreichter Präzision bestimmen. Ein Prototyp des Energiedetektors wurde in der PTB bereits in einem früheren Projekt entwickelt.

Photomultiplier-Signal einer mit ca. 1,7 km/s durch den Lichtvorhang fliegenden Stahlkugel-Geschossgarbe

Bild 2: Photomultiplier-Signal einer mit ca. 1,7 km/s durch den Lichtvorhang fliegenden Stahlkugel-Geschossgarbe

Photomultiplier-Signal eines durch den Lichtvorhang fliegenden Hochgeschwindigkeitsprojektils. Die 1,5 mm-Aluminiumkugel emittierte einen Streulichtblitz von ca. 0,8 µs Dauer, und beim Auftreffen auf das 57 cm dahinter angebrachte Target wurde ein Aufschlagblitz erzeugt. Aus dem gemessenen zeitlichen Abstand beider Blitze wurde die Projektilgeschwindigkeit zu 5,4 km/s berechnet.

Bild 3: Photomultiplier-Signal eines durch den Lichtvorhang fliegenden Hochgeschwindigkeitsprojektils. Die 1,5 mm-Aluminiumkugel emittierte einen Streulichtblitz von ca. 0,8 µs Dauer, und beim Auftreffen auf das 57 cm dahinter angebrachte Target wurde ein Aufschlagblitz erzeugt. Aus dem gemessenen zeitlichen Abstand beider Blitze wurde die Projektilgeschwindigkeit zu 5,4 km/s berechnet.

Streulichtsignale einer Glaskugel-Geschossgarbe mit ca. 0,5 km/s

Bild 4: Streulichtsignale einer Glaskugel-Geschossgarbe mit ca. 0,5 km/s

Ansprechpartner:

Michael Kobusch, FB 1.3, AG 1.34, michael.kobusch@ptb.de