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Bestimmung der Ansprechfunktion und Energiekalibrierung von Teilchendetektoren für eine NASA Mission

15.01.2007

Wissenschaftler des Instituts für Experimentelle und Angewandte Physik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel entwickelten ein System von Teilchenteleskopen für die STEREO Mission der NASA. An Bord von zwei Satelliten sollen aus unterschiedlichen Richtungen koronale Massenauswürfe der Sonne in 3 Dimensionen von der Sonne bis zum Eintreffen auf der Erde verfolgt werden. Die energiereichen Materieteilchen von der Sonne, hauptsächlich Elektronen und Protonen, werden dabei in den SEPT-Modulen (Solar Electron and Proton Telescope) nachgewiesen und nach Art, Energie und Einfallsrichtung unterschieden. Damit entsteht ein Frühwarnsystem für Ereignisse, die nicht nur Polarlicht-Erscheinungen auslösen, sondern auch das Kommunikationsnetz oder gar die Energieversorgung stören und im Weltraum arbeitende Astronauten gefährden können.

An den Teilchenbeschleunigern des Fachbereichs 6.4 wurden am Reservemodul der SEPT-Teilchenteleskope deren Ansprechfunktion und Energiekalibrierung untersucht. Es wurden Messungen mit Protonen und Alpha-Teilchen im Energiebereich von 0,07 MeV bis 15 MeV durchgeführt. Der Streukammeraufbau und die Detektoranordnung sind schematisch in der Abbildung dargestellt. Der Ionenstrahl mit der gewählten Energie passiert in der Streukammer eine dünne Goldfolie und wird anschließend außerhalb der Kammer in einem Faraday Cup gestoppt, wo auch der Strahlstrom gemessen wird. Ein Teil der Ionen wird an der Goldfolie gestreut und trifft jeweils unter 45°, nach Passieren von identischen Blenden, auf den SEPT-Detektor in einer Vakuumkammer beziehungsweise auf einen Monitor-Teilchenzähler. Durch die Streuung an einer Goldfolie und Messung unter einem ausgewählten Winkel (45°) sowie durch entsprechende Blenden vor den Detektoren wird die Teilchenrate von ca. 1010/s im direkten Strahl auf ca. 103/s im Detektor reduziert. Gleichzeitig werden unter einem anderem Winkel (-45°) das Energiespektrum und die Teilchenzählrate monitoriert. In der Vakuumkammer trifft der Strahl auf eines der Teilchenteleskope des SEPT-Moduls. Durch Verschiebung oder Drehung des Moduls in der Vakuumkammer wurden nacheinander alle Teilchendetektoren kalibriert.

Abb.: Streukammer und Detektoraufbau

Die Wissenschaftler der Universität Kiel übernahmen die Bedienung des SEPT-Moduls, die Datenaufnahme und die Analyse der SEPT-Teilchendetektorspektren. Das ausgeklügelte Experiment mit zwei Paaren von Teilchendetektoren kann durch eine komplexe Anordnung von hauchdünnen Folien und ultrastarken Permanentmagneten Protonen von Elektronen trennen. Für alle Detektoren konnte eine lineare Energiekalibrierung und effektiver Nachweis bis zu Zählraten von über 105 Teilchen pro Sekunde etabliert werden. Für die Protonenteleskope konnte bewiesen werden, dass auch Teilchen mit einer geringen Energie von 70 keV einwandfrei nachweisbar sind. Die Schwellenenergien für Protonen, die bedingt durch die Folien in den Elektronenteleskopen bei ca. 400 keV liegen, wurden vermessen und die Anti-Koinzidenzschaltung beim Durchdringen eines der Detektoren im Teleskop wurde mit hochenergetischen (15 MeV) Protonen untersucht.

Zum Einsatz kommen die SEPT Module wahrscheinlich noch in diesem Jahr. Der Start der Delta II Rakete mit den Satelliten der STEREO Mission erfolgte am 26. Oktober 2006 (http://www.nasa.gov/mission_pages/stereo/main/index.html).