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Die Metrology Light Source als Normal für Sonnenstrahlung

Kalibrierung des Sonnen-Spektrometers SPICE der ESA-Mission Solar Orbiter mit berechenbarer Synchrotronstrahlung

PTB-News 1.2015
07.04.2015
Besonders interessant für
  • Sonnen- und Atmosphärenforschung
  • Entwickler von Weltraumteleskopen

Das Sonnen-Spektrometer SPICE (SPectral Imaging of Coronal Environment) ist Teil der Solar-Orbiter-Mission der europäischen Raumfahrbehörde ESA, deren Start für das Jahr 2017 vorgesehen ist. Im Rahmen einer mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung vereinbarten Forschungskooperation und in Zusammenarbeit mit dem Rutherford Appleton Laboratory in England ist kürzlich das Engineering- Modell (EM) von SPICE rückführbar auf das primäre Strahlernormal Metrology Light Source (MLS) kalibriert worden. Im Sommer 2015 wird die Kalibrierung des Flugmodells erfolgen.

Der SPICE-Spektrograf eingebaut im großen Vakuumtank an der MLS

In den zurückliegenden Jahren hat die PTB für verschiedene Weltraummissionen eine ganze Reihe von Teleskopsystemen zur Sonnenbeobachtung und Atmosphärenforschung unter Nutzung von Synchrotronstrahlung im Spektralbereich des UV und Vakuum-UV (VUV) kalibriert. Dabei wurden entweder Einzelkomponenten oder die kompletten Systeme mithilfe von speziell entwickelten und mit Synchrotronstrahlung charakterisierten Transferstrahlungsquellen in den Laboratorien der jeweiligen Kooperationspartner charakterisiert. Durch die diesmal direkt erfolgte Kalibrierung des Komplettgeräts mit der berechenbaren Synchrotronstrahlung des Elektronenspeicherrings MLS in einem neuen großen Vakuumtank entfällt dieser Umweg über VUV-Transferquellen. Die Kalibrierkette wird dadurch stark vereinfacht und führt zu kleineren erreichbaren Unsicherheiten im Bereich weniger Prozent. Da die Synchrotronstrahlung ein kontinuierliches Spektrum aufweist, sind darüber hinaus auch alle Wellenlängen im interessierenden Spektralbereich zugänglich, im Gegensatz zu den bisher verwendeten und auf einer Hohlkathodenentladung basierten VUV-Transferstrahlungsquellen, die nur einzelne Linien emittieren.

 

SPICE ermöglicht die ortsaufgelöste Messung der VUV-Emission der Sonnenoberfläche und umgebender Corona im Spektralbereich von ca. 48 nm bis 105 nm und dient u. a. der wissenschaftlichen Untersuchung der Prozesse zur Entstehung und Lokalisierung von Quellregionen des Sonnenwindes und des Sonnenmagnetfeldes. Dazu wird die einfallende Sonnenstrahlung mit einem speziellen VUV-Multilayerspiegel auf einen schmalen langen Eintrittsspalt abgebildet und danach durch ein Gitter auf zwei Detektorarrays dispergiert. Auf jedem Array wird so jeweils in Dispersionsrichtung spektrale Information gesammelt, in der dazu senkrechten Richtung Ortsinformation in einem schmalen Streifen der Sonnenoberfläche oder -corona. Durch Kippen des Spiegels lassen sich dann ganze Sonnenbereiche erfassen.

Die Kalibrierung an der MLS wurde bei einer reduzierten Elektronenenergie durchgeführt, um kurzwellige Störstrahlung zu unterdrücken. Auch wurde die Möglichkeit genutzt, über den gespeicherten Elektronenstrom die spektrale Strahlstärke an die Empfindlichkeit der Detektoren anzupassen. So konnte die Linearität der Detektoren untersucht werden, was wegen der stark unterschiedlichen Linienemissionen der Sonne von Bedeutung ist.

Am SPICEProjekt beteiligt sind die ESAMitgliedsstaaten Deutschland , Frankreich, Großbritannien, Norwegen und die Schweiz, an dessen Finanzierung neben der ESA das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, das Centre National d’Etudes Spatiales in Frankreich, die UK Space Agency, das Norwegian Space Centre und das Swiss Space Office. Die Messungen am SPICE-EM-Modell dienten im Wesentlichen zum Test des Kalibrierschemas und zur Erprobung der Handhabung und des Betriebs des komplexen Gerätes mit der zugehörigen Versorgungsinfrastruktur an der MLS in Vorbereitung auf die für Sommer 2015 geplante Kalibrierung des SPICE-Flugmodells.

Ansprechpartner

Roman Klein
Fachbereich 7.1 Radiometrie mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7140
E-Mail: roman.m.klein(at)ptb.de


Wissenschaftliche Veröffentlichung

A. Fludra et al.: SPICE EUV spectrometer for the Solar Orbiter mission. Proc. SPIE 8862, 88620F (2013)