DE102005045463B4 - Messanordnung zur Strahlungserfassung unter Vakuumbedingungen - Google Patents

Messanordnung zur Strahlungserfassung unter Vakuumbedingungen Download PDF

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Abstract

Messanordnung zur Strahlungserfassung unter Vakuumbedingungen mit einem isolierenden Abstandshalter (12), an dem als erste Elektrode ein erster innerer gelochter elektrischer Leiter (14), der einen Innenraum (16) umschließt, und als zweite Elektrode ein zweiter gelochter elektrischer Leiter (18), der den inneren Leiter (14) umschließt, voneinander isoliert befestigt sind, wobei der innere Leiter (14) und der äußere Leiter (18) einen elektrisch leitenden Körper (50) als dritte Elektrode umschließen, und die drei Elektroden (14, 18, 50) über Strommesseinrichtungen (34, 54, 64) mit ihren zugeordneten Spannungsquellen (28, 32, 56) für die Bereitstellung vorbestimmter Potenziale so verbunden sind, dass der fließende Strom in Abhängigkeit vom jeweiligen Potenzial der Elektroden (14, 18) zur Gewinnung von Daten auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode eine Metallkugel (50) ist, dass die gelochten elektrischen Leiter (14, 18) und die Metallkugel (50) als drei konzentrisch angeordnete Elektroden mit im wesentlichen kugelförmiger Gestalt ausgebildet sind, und dass die erste und...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Strahlungserfassung unter Vakuumbedingungen mit einem isolierenden Abstandshalter, an dem als erste Elektrode ein erster innerer gelochter elektrischer Leiter, der einen Innenraum umschließt, und als zweite Elektrode ein zweiter gelochter elektrischer Leiter, der den inneren Leiter umschließt, voneinander isoliert befestigt sind, wobei der innere Leiter und der äußere Leiter einen elektrisch leitenden Körper als dritte Elektrode umschließen, und die drei Elektroden über Strommesseinrichtungen mit ihren zugeordneten Spannungsquellen für die Bereitstellung vorbestimmter Potenziale so verbunden sind, dass der fließende Strom in Abhängigkeit vom jeweiligen Potenzial der Elektroden zur Gewinnung von Daten auswertbar ist.
  • Zur Erhöhung der Genauigkeit von Satellitennavigationsdaten ist es erforderlich, eine Reihe von Störfaktoren im Weltraum und in Satellitensystemen zu erfassen. Die Genauigkeit von Navigationsmessungen mit Hilfe von Satelliten hängt wesentlich von der Berechnung der Ausbreitung der Signale auf ihrem Weg vom Satelliten zum Empfänger auf der Erde ab. Sie wird von der integralen Säulendichte der ionosphärischen Elektronen bestimmt und unterliegt aufgrund der fortlaufend variablen Sonnenaktivität ständigen Veränderungen. Diese werden zum überwiegenden Anteil durch solare extrem ultraviolette Strahlung und zu einem geringeren, aber nicht vernachlässigbaren Anteil vom Sonnenwind bestimmt.
  • Bei üblichen Messanordnungen zur Messung von extrem ultravioletter Strahlung werden drehbare optische Gitter oder Detektorzeilen aus vielen Einzeldetektoren verwendet. Diese müssen mit Hilfe von Sonnenfolgern zur Strahlungsquelle ausgerichtet wer den, wodurch sich ein erheblicher Aufwand ergibt. Außerdem führen Oberflächeneffekte an den optischen Gittern und Detektoren zu einer nicht berechenbaren Degradation, so dass fortlaufend eine Veränderung von Kalibrierparametern eintritt.
  • Eine Messanordnung zur Strahlungserfassung der eingangs genannten Art ist aus der DE 696 07 543 T2 bekannt. Bei der bekannten Messanordnung handelt es sich um Detektoren für geladene Teilchen sowie diese verwendende Massenspektrometer. Die Anordnung der Elektroden ist dabei so getroffen, dass ein Faraday-Becher im Bereich seiner Öffnung mehrere vom Faraday-Becher und voneinander isolierte Elektroden aufweist, die mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagbar sind. Im Innern des Faraday-Bechers befindet sich ein Kollektorsubstrat zum Auffangen der geladenen Teilchen.
  • In der WO 2005/006017 A1 ist eine Messanordnung zur Strahlungserfassung beschrieben, die in einem kastenförmigen Hohlraum mehrere parallel angeordnete flache Elektroden voneinander isoliert enthält. Der bekannte Faraday-Becher gestattet es, aus einer vorbestimmten Richtung eintreffende Strahlungen zu erfassen.
  • In M. R. Aellig et al., Rapid Measurement of Solar Winds with the Triana Plasma Faraday Cup, Astrophysics and Space Science 277: 305–307, 2001, wird der Einsatz von Faraday-Bechern beschrieben, um insbesondere einen Sonnenwind und Alpha-Teilchen richtungsabhängig zu erfassen.
  • J. Safránkova et al., Two Point Observation of Magnetopause Motion: The Interball Project, Adv. Space Res. Vol. 20, No. 4/5, pp. 801–807, 1997, beschreibt eine Anordnung aus mehreren Faraday-Bechern, um einen möglichst großen Raumwinkel zur Strahlungserfassung abzudecken.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zur Strahlungserfassung unter Vakuumbedingungen im Weltraum zu schaffen, die es gestattet, eine hohe Messgenauigkeit unabhängig von der Richtung der einfallenden Strahlung zu erzielen.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Messanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die dritte Elektrode eine Metallkugel ist, dass die gelochten elektrischen Leiter und die Metallkugel als drei konzentrisch angeordnete Elektroden mit im wesentlichen kugelförmiger Gestalt ausgebildet sind, und dass die erste und zweite Elektrode jeweils als sphärisches doppellagiges Gitter aus jeweils zwei Netzgittern mit hoher optischer Transmission ausgebildet sind.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass im Innern der Metallkugel ein Hohlraum ausgebildet ist, in dem Szintillationskristalle angeordnet sind, deren Licht von wenigstens einem optischen Detektor erfassbar ist.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sowie von Verfahren zur Erfassung extrem ultravioletter Strahlung, zur Erfassung des Sonnenwindes und zur Bestimmung der elektrischen Aufladung eines Raumflugkörpers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine Messanordnung mit zwei Gittern zur Erfassung der elektrischen Aufladung eines Satelliten,
  • 2 eine vergrößerte Darstellung der beiden Gitter der Messanordnung gemäß 1,
  • 3 Spannungs- und Stromverläufe der Elektroden der Messanordnung gemäß 1,
  • 4 eine Messanordnung zur Erfassung des Sonnenwindes,
  • 5 Spannungs- und Stromverläufe der Elektroden der Messanordnung gemäß 4,
  • 6 eine Messanordnung zur Erfassung und Auswertung einer extrem ultravioletten Strahlung,
  • 7 Spannungs- und Stromverläufe der Elektroden der Messanordnung gemäß 6,
  • 8 eine Messanordnung, die alle Komponenten der Messanordnungen gemäß den 1, 4 und 6 enthält.
  • 1 zeigt eine Messanordnung zur Erfassung von Betriebsparametern für ein unter Vakuumbedingungen im Weltraum oder im Labor arbeitendes Gerät. Wenn es sich bei diesem Gerät um einen Raumflugkörper, insbesondere um einen Satelliten handelt, gestattet es die in 1 dargestellte Messanordnung, die elektrische Aufladung des Satelliten sowie die Energieverteilung in der Elektronenwolke um den Satelliten zu bestimmen, die überwiegend aus Photoelektronen besteht, die durch Einstrahlung von Sonnenlicht aus dem Satelliten herausgeschlagen werden, wobei sich der Satellit stark positiv auflädt.
  • In 1 erkennt man einen Teil eines Satellitenkörpers 10, bei dem es sich beispielsweise um die metallische Außenhaut eines Raumflugkörpers handeln kann. Am Satellitenkörper 10 ist ein Abstandshalter 12 befestigt, der aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht. An dem Abstandshalter 12 ist ein inneres kugelförmiges Gitter 14 befestigt, das einen Innenraum 16 umschließt. Auf der vom Innenraum 16 wegweisenden Seite ist das innere Gitter 14 seinerseits von einem äußeren Gitter 18 umgeben, das ebenfalls kugelförmig ist und konzentrisch zum inneren Gitter 14 ausgerichtet ist.
  • Das innere Gitter 14 und das äußere Gitter 18 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material. 2 zeigt das innere Gitter 14 und das äußere Gitter 18 in einer gegenüber 1 vergrößert dargestellten Schnittansicht, um zu verdeutlichen, dass es sich bei diesen Gittern jeweils um ein Doppelgitter handelt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Doppelgitter Netzgitter mit annähernd gleicher, möglichst hoher optischer Transmission pro Flächeneinheit. Das innere Gitter 14 besteht aus einem ersten Teilgitter 20 und einem zweiten Teilgitter 22. Das äußere Gitter 18 besteht aus einem ersten Teilgitter 24 und einem zweiten Teilgitter 26. Die Teilgitter 20 bis 26 bestehen aus Gitterdrähten, die an ihren Kreuzungspunkten miteinander verbunden sind, um die erforderliche mechanische Stabilität zu erreichen.
  • Durch die Ausgestaltung der Gitter 14, 18 als Doppelgitter wird erreicht, dass das elektrische Feld innerhalb der Doppelgitter den Durchgriff durch äußere elektrische Felder minimiert.
  • Bei der anhand der 1 und 2 erläuterten Messanordnung hat das erste Teilgitter 20 des inneren Gitters 14 einen Radius von 54 mm, das zweite Teilgitter 22 des inneren Gitters 14 einen Radius von 56 mm, das erste Teilgitter 24 des äußeren Gitters 18 einen Radius von 59 mm, und das zweite Teilgitter des äußeren Gitters 18 einen Radius von 61 mm.
  • Bei dem als Doppelgitter ausgebildeten inneren Gitter 14 und bei dem als Doppelgitter ausgebildeten äußeren Gitter 18 liegen die Teilgitter 20, 22 einerseits und die Teilgitter 24, 26 andererseits jeweils auf gleichem Potenzial.
  • Wie man in 1 erkennt, ist das innere Gitter 14 über eine Leitung 27 mit einer Spannungsquelle 28 verbunden, die bei der beschriebenen Messanordnung eine konstante Spannung UiG von 25 V hat, um zwischen der Masse 30 des Satelliten oder Körpers und dem inneren Gitter 14 für einen Potenzialunterschied zu sorgen.
  • Bei der in 1 dargestellten Messanordnung erkennt man weiter, dass das äußere Gitter 18 an eine zweite Spannungsquelle 32 angeschlossen ist, die ebenfalls mit der Masse 30 in Verbindung steht. Ein weiterer Anschluss der zweiten Spannungsquelle 32 ist über ein Amperemeter 34 und die Leitung 35 mit dem äußeren Gitter 18 verbunden. Das Amperemeter 34 gestattet es, den durch das äußere Gitter 18 fließenden Strom zu messen und den Messwert über eine Messleitung 36 zu einer Steuer- und Auswerteelektronik 38 zu übertragen. Die Steuer- und Auswerteelektronik 38 ist ihrerseits an einer Einheit zur Datenausgabe 40 angeschlossen.
  • Die Steuer- und Auswerteelektronik 38 ist weiterhin über eine Steuerleitung 42 mit der zweiten Spannungsquelle 32 verbunden, so dass die Ausgangsspannung der zweiten Spannungsquelle 32 auf vorherbestimmte Werte eingestellt werden kann.
  • Die Messleitung 36 und die Steuerleitung 42 können innerhalb des Satelliten als Drahtverbindungen zur Steuer- und Auswerteeinheit 38 vorgesehen sein oder aber ganz oder teilweise aus Telekommunikationskanälen bestehen, über die zwischen dem Satelliten und einer Bodenstation Daten ausgetauscht werden können.
  • Die Funktionsweise der in 1 dargestellten Messanordnung wird nunmehr anhand von 3 veranschaulicht.
  • 3 zeigt, wie über den gesamten Zeitraum t die Ausgangsspannung UiG der ersten Spannungsquelle 28 konstant bleibt, beispielsweise bei einem Wert von 25 V. Den in 3 dargestellten Spannungs- und Stromverläufen entnimmt man weiterhin, dass die von der zweiten Spannungsquelle 32 gelieferte Spannung UaG für das äußere Gitter 18 zunächst einen Wert von –30 V aufweist, wobei dieser Wert zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 konstant bleibt.
  • Während des Zeitraumes zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 fließt durch das Amperemeter 34 ein negativer Strom IaG, der bis zu dem Zeitpunkt konstant bleibt, zu dem die zweite Spannungsquelle 32 über die Steuerleitung 42 von –30 V auf +30 V umgeschaltet wird. Daher fließt ab dem Zeitpunkt t1 statt eines negativen Stroms ein positiver Strom durch das äußere Gitter 18.
  • Im Zeitabschnitt t0 bis t1 werden die im äußeren Plasma um den Satelliten befindlichen Photoelektronen vom äußeren Gitter 18 abgestoßen. Die sowohl im äußeren Gitter 18 als auch im inneren Gitter 14 gebildeten Photoelektronen werden ebenfalls vom äußeren Gitter 18 abgestoßen, so dass im äußeren Gitter 18 der in 3 veranschaulichte negative Strom fließt.
  • Nach der Umschaltung der Spannung UaG zum Zeitpunkt t1 auf +30 V und Halten dieser Spannung während des Zeitraums von beispielsweise 30 Sekunden bis zum Zeitpunkt t2 werden die im äußeren Gitter 18 gebildeten Photoelektronen angezogen, und der Photoelektronenstromanteil aus dem äußeren Gitter 18 geht gegen null. Ein Teil der im inneren Gitter 14 gebildeten Photoelektronen fließt ebenfalls aufs äußere Gitter 18. Darüber hinaus werden nunmehr Elektronen der den Satelliten umgebenden Elektronenwolke angezogen, so dass im äußeren Gitter 18 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ein konstanter positiver Strom fließt.
  • Wenn die Spannung UaG, wie in 3 erkennbar, nach dem steilen Anstieg auf 30 V und einer Haltezeit zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 langsam bis zum Zeitpunkt t3 auf den ursprünglichen Wert wieder abfällt, gelangt ein immer kleiner werdender Teil von Elektronen vom inneren Gitter 14 zum äußeren Gitter 18, da diese mit gleichmäßig abnehmender Spannung UaG zurückgedrängt werden und nach einem Abfallen der Spannung UaG unter +25 V nur noch vernachlässigbar zum Strom beitragen.
  • Die Analyse des Stromes IaG lässt durch Auswerten des Maximalwertes 44 und bei UaG = +25 V eine Erfassung der Aufladung des Satelliten zu, und durch Auswerten der abfallenden Flanke 46 ab dem Zeitpunkt t2 eine Erfassung der Energieverteilung und Dichte der Elektronen in der Elektronenwolke um den Satelliten.
  • Wenn nach einem Zeitraum von beispielsweise einer Minute nach der Zeit t2 der Zeitpunkt t3 erreicht ist, kann ein neuer Messzyklus vorbereitet und eingeleitet werden, wie in 3 durch den zweiten Zeitpunkt t1 veranschaulicht ist.
  • Die in 3 gezeigten Spannungs- und Stromkurven definieren in der oben beschriebenen Weise einen Aufladungs-Messmodus der Messanordnung.
  • 4 zeigt eine Messanordnung, die wie die anhand der 1 bis 3 beschriebene Messanordnung über einen Satellitenträger 10 verfügt, auf dem ein Abstandshalter 12 befestigt ist, der seinerseits zum Befestigen eines inneren Gitters 14 und eines äußeren Gitters 18 dient. Die insoweit beschriebene Anordnung entspricht der im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen Anordnung.
  • Zusätzlich verfügt die in 4 dargestellte Messanordnung über eine Metallkugel 50, die im Innenraum 16 des inneren Gitters 14 konzentrisch zum inneren Gitter 14 und äußeren Gitter 18 angeordnet ist. Der Abstandshalter 12 dient somit zusätzlich zur Befestigung der Metallkugel 50. Er weist eine Ausgasöffnung 52 auf.
  • Die Metallkugel 50 ist elektrisch vom Satellitenträger 10 isoliert und hat beispielsweise einen Außenradius von 50 mm bei einer Dicke von 1 mm.
  • Elektrisch ist die Metallkugel 50 über eine Leitung 53 und ein Amperemeter 54 mit einer dritten Spannungsquelle 56 verbunden. Die Spannungsquelle 56 ist weiterhin mit der Masse 30 des Satelliten verbunden.
  • Das innere Gitter 14 ist über die Leitung 27 mit der bereits oben im Zusammenhang mit der Messanordnung gemäß 1 beschriebenen ersten Spannungsquelle 28 verbunden.
  • Das äußere Gitter 18 benötigt bei der in 4 dargestellten Messanordnung keine Spannungsquelle. Aus diesem Grunde ist die Leitung 35 mit der Masse 30 verbunden.
  • Die Steuer- und Auswerteelektronik 38 übermittelt über die Steuerleitung 58 Steuersignale an die erste Spannungsquelle 28 und empfängt über die Messleitung 60 Informationen über die Höhe des durch das Amperemeter 54 fließenden Stromes. Nach einer Auswertung der Stromsignale erfolgt auf der Datenausgabe 40 eine Ausgabe der erfassten Messwerte für die Energieverteilung und die Dichte der Elektronen in dem Sonnenwind 55, der die Messanordnung gemäß 4 beaufschlagt.
  • Die Funktionsweise unter Zusammenwirken der verschiedenen Komponenten der in 4 dargestellten Messanordnung im Sonnenwind-Messmodus wird nachfolgend anhand des Verlaufs der Spannungen an den drei Elektroden 14, 18 und 50 sowie dem durch die Metallkugel 50 als dritte Elektrode fließenden Strom erläutert.
  • Bei der in 4 dargestellten Messanordnung liegt das äußere Gitter 18 immer über die Leitung 35 auf dem Massepotenzial des Satelliten. 5 veranschaulicht diesen Sachverhalt im Zusammenhang mit der Spannung UaG, die immer 0 V beträgt.
  • In 5 oben erkennt man, dass die Metallkugel 50 ebenfalls immer mit einer konstanten Spannung beaufschlagt ist, beispielsweise 15 V.
  • Mit Hilfe der Steuer- und Auswerteelektronik 38 wird über die Signalleitung 58 ein Steuersignal zur ersten Spannungsquelle 28 geschickt, so dass diese den in 5 sägezahnförmigen Verlauf zwischen –50 V und +30 V hat. Der Spannungsimpuls UiG hat zwischen den Taktzeiten t11 und t12 beispielsweise eine Länge von 3 Minuten, und zwischen den Taktzeiten t11 und t13 eine Länge von weniger als einer Minute.
  • Im Zeitraum zwischen den Taktzeiten t10 und t11 liegt am inneren Gitter 14 eine Spannung UiG in Höhe von –50 V an. Das äußere Gitter 18 läßt Ionen und Elektronen mit Energien von mehr als 0 eV aus dem äußeren Plasma in Richtung der Oberfläche der Metallkugel 50 durch. Die Ionen werden vom inneren Gitter 14 eingefangen, wohingegen die Elektronen mit Energien von weniger als 50 eV das negative Potenzial von –50 V nicht überwinden können und zurückgedrängt werden. Da folglich bis zur Metallkugel 50 keine Plasmaanteile und speziell Elektronen mit weniger als 50 eV gelangen, nimmt der Strom IMK seinen Minimalwert ein, zumal die in der Metallkugel 50 gebildeten Photoelektronen von der Metallkugel 50 wieder aufgefangen werden. Im Zeitintervall zwischen den Taktzeiten t11 und t12 erfolgt die in 5 veranschaulichte kontinuierliche Erhöhung der über die Leitung 27 zum inneren Gitter 14 gelangenden Spannung UiG von –50 V bis +30 V. Dabei können Elektronen mit höheren Energien das negative Potenzial zunehmend überwinden, wobei der Plasmaelektronenstrom IMK durch das Amperemeter 54 und die Metallkugel 50 bis zu einem Maximalwert ansteigt, der in 5 bei einer Spannung UiG von etwa +15 V erreicht wird.
  • Bei einem weiteren Anstieg der Spannung UiG von +15 V auf +30 V werden zunehmend Plasmaelektronen mit niedrigeren Energien vom inneren Gitter 14 abgefangen, weshalb der Plasmaanteil im Strom IMK am Ende des Zeitintervalls zwischen t11 und t12 wieder abnimmt. Die Beiträge von Photoelektronen der Metallkugel 50 können aus Messungen im weiter unten beschriebenen Spektrometer-Messmodus für Spannungsdifferenzen von UMK und UiG ermittelt und zur Korrektur herangezogen werden.
  • Der in 5 in der unteren Kurve erkennbare Maximalwert 62 von IMK ist ein Maß für die Elektronendichte im Sonnenwind 55. Die Auswertung der Messkurve IMK im Bereich zwischen dem Zeitpunkt t11 und dem kurz vor t12 liegenden Maximum 62 gestattet eine Quantifizierung der Energieverteilung der Elektronen aus dem Sonnenwind 55 beziehungsweise der suprathermischen Elektronen aus der Ionosphäre oder der Photoelektronenwolke um den Satelliten sowie die Elektronentemperatur des den Satelliten umgebenden Plasmas. Mit der beschriebenen Anordnung ist es daher auch möglich, koronale Massenausbrüche der Sonne zu erfassen.
  • Die Energie der Elektronen des Sonnenwindes 55 übertrifft die Energiewerte der übrigen Elektronen wie des ionosphärischen Plasmas und der Photoelektronen derart, dass die entsprechenden Stromwerte von letzteren bei den Messungen mit der gleichförmigen Änderung der Spannung von UiG getrennt analysiert und unterschiedlichen Quellen zugeordnet werden können.
  • Die Steuer- und Messelektronik 38 enthält Programme für die erforderlichen Berechnungen oder aber diejenigen Daten, die es gestatten, die Messanordnung zu kalibrieren und aufgrund dieser Werte die gesuchten Messdaten zu ermitteln.
  • 6 zeigt eine Spektrometer-Messanordnung für einen Spektrometer-Messmodus. Die Messanordnung gemäß 6 dient der Erfassung einer extrem ultravioletten Strahlung 68 und hat einen mechanischen Aufbau, der im wesentlichen dem im Zusammenhang mit 4 beschriebenen Aufbau entspricht. Daher sind für entsprechende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.
  • Im Unterschied zu der Messanordnung gemäß 4 verfügt die zum Spektrometer-Messmodus vorgesehene Messanordnung gemäß 6 über eine zweite Spannungsquelle 32, die bereits aus der in 1 dargestellten Messanordnung bekannt ist. Die zweite Spannungsquelle 32 ist über die Leitung 35 unmittelbar und ohne Amperemeter mit dem äußeren Gitter 18 verbunden.
  • Die erste Spannungsquelle 28 ist im Unterschied zur Anordnung nach 4 unter Zwischenschalten eines Amperemeters 64 über die Leitung 27 mit dem inneren Gitter 14 verbunden.
  • Die aus der in 4 bekannte dritte Spannungsquelle 56 ist ohne Zwischenschalten eines Amperemeters über die Leitung 53 mit der Metallkugel 50 verbunden. Abweichend von dem in 4 dargestellten elektrischen Schaltbild verfügt die dritte Spannungsquelle 56 im Ausführungsbeispiel gemäß 6 über einen Steuereingang, so dass die Steuer- und Auswerteelektronik 38 über eine Steuerleitung 66 die von der dritten Spannungsquelle 56 der Metallkugel 50 zugeführte Spannung je nach der aktuellen Messphase verändern kann.
  • Die Funktion der Messanordnung gemäß 6 ist in 7 verdeutlicht, die den Verlauf der Spannungen an den drei kugelförmigen Elektroden, nämlich den beiden Gittern 14, 18 und der Metallkugel 50, sowie den Stromverlauf zum inneren Gitter 14 während verschiedener Zeitintervalle zeigt.
  • Die am inneren Gitter 14 liegende Spannung ist konstant und hat bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Wert von etwa +25 V. Die von der dritten Spannungsquelle 56 gelieferte Spannung ist im Zeitintervall t20 bis t21 konstant bei –30 V und hat im Zeitintervall t21 bis t22 den in 7 oben gezeigten sägezahnförmigen Verlauf zwischen –30 V und +30 V. Das Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t21 und t22 währenddessen die Metallkugel 50 mit einer kontinuierlich ansteigenden Spannung UMK versorgt wird, beträgt beispielsweise 3 Minuten.
  • Am äußeren Gitter 18 liegt über die Leitung 35 eine ebenfalls zwischen –30 V und +30 V veränderbare Spannung UaG, die den in 7 gezeigten impulsförmigen Verlauf hat und im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t24 und t25 ihren konstanten Maximalwert 69 von 30 V annimmt. Nach dem Zeitpunkt t25 fällt die am äußeren Gitter 18 liegende Spannung UaG wieder auf –30V ab, wobei jedoch das Abfallen der Spannung auf –30 V wesentlich langsamer geschieht als die Veränderung beim Anstieg zum Zeitpunkt t24 ist.
  • Um die extrem ultraviolette Strahlung, die in 6 durch die Linien 68 veranschaulicht ist, zu analysieren, wird mit Hilfe der Messanordnung gemäß 6 der in der Leitung 27 fließende und durch das Amperemeter 64 gemessene Strom IiG gemessen und in der Steuer- und Auswerteelektronik 38 ausgewertet.
  • Während des Zeitraumes zwischen den Zeitpunkten t20 und t21 werden alle aus der Metallkugel 50 infolge eines Photoeffekts der extrem ultravioletten Strahlung 68 frei werdenden Photoelektronen auf das innere Gitter 14 gezogen, wo sie einen positiven Stromwert IiG verursachen, der in 7 unten dargestellt ist.
  • Elektronen aus dem die Messanordnung umgebenden Plasma werden aufgrund der am äußeren Gitter 18 liegenden Spannung UaG von –30 V ins Plasma nach außen zurückgedrängt. Ionen aus dem äußeren Plasma werden von dem äußeren Gitter 18 abgefangen. Ein Teil der im äußeren Gitter 18 ausgelösten Photoelektronen trägt ebenfalls zum Strom IiG bei, der in 7 als Untergrundstrom 70 gestrichelt markiert ist.
  • Der Strom IiG nimmt aufgrund der erwähnten Spannungsverhältnisse im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t20 und t21 seinen Maximalwert ein, wobei sich dieser aus der Summe der Photoelektronenströme der Metallkugel 50 und zu einem geringeren Anteil der Photoelektronenströme vom äußeren Gitter 18 zusammensetzt.
  • In 7 erkennt man, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 38 zum Zeitpunkt t21 einen Anstieg der Spannung UMK an der Metallkugel 50 auslöst. Während des Anstiegs der Spannung UMK im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t21 und t22 tragen zunehmen nur höher energetische von energiereichen Photonen im Spektrum der extrem ultravioletten Strahlung 68 stammende Photoelektronen aus der Metallkugel 50 zum Strom IiG bei. Der Strom IiG nimmt ab. Während des Zeitintervalls zwischen den Zeitpunkten t22 bis t23 wird die Spannung UMK kontinuierlich auf ihren Ausgangswert von –30 V reduziert und bleibt dann konstant.
  • Der durch die vom äußeren Gitter 18 frei werdenden und ebenfalls auf das innere Gitter 14 auftreffenden Photoelektronen verursachte Messfehler ist aufgrund der weitaus kleineren effektiven Fläche des äußeren Gitters 18 gegenüber der Oberfläche der Metallkugel 50 relativ klein und durch die Linie des Untergrundstroms 70 in 7 veranschaulicht.
  • Um den Messfehler zu ermitteln, wird die Spannung UaG am äußeren Gitter 18 während des Zeitintervalls zwischen den Zeitpunkten t24 und t25 impulsförmig von –30 V auf 30 V erhöht. Dadurch werden die vom äußeren Gitter 18 ausgehenden Photoelektronen vom äußeren Gitter 18 wieder eingefangen und mindern den maximalen Stromwert 72 auf einen geringeren Stromwert 74, der in der Strom-Messkurve für IiG als kurzer Einbruch in 7 übertrieben eingezeichnet ist. Die Verringerung auf den geringeren Stromwert 74, ausgehend vom maximalen Stromwert 72, gestattet es, durch Bestimmen der Stromdifferenz beider Messungen den Wert für die Korrektur des Maximalwertes zu ermitteln.
  • Die Auswertung der für den Beitrag der Photoelektronen vom äußeren Gitter korrigierten Stromkurve IiG führt zur Quantifizierung des Spektrums der einfallenden extrem ultravioletten Strahlung 68. Der Verlauf der Stromkurve 76 im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t21 und t22 erlaubt es, mit Hilfe der Steuer- und Auswerteelektronik 38 den Gesamtfluß der Photoelektronen, die von der extrem ultravioletten Strahlung 68 aus der Metallkugel 50 gelöst werden, zu bestimmen. Weiterhin gestattet es die Steuer- und Auswerteelektronik 38, aus dem Verlauf der Stromkurve 76 durch Berechnungen oder aufgrund von Kalibrierungen die Energieverteilung der Photoelektronen zu erfassen, die durch die Photonen der extrem ultravioletten Strahlung 68 frei geworden sind.
  • Die zusätzliche Messung des Stromverlaufs IiG während des Zeitintervalls zwischen den Zeitpunkten t25 und t20 stellt für die Auswertung für jeden Spannungswert UaG einen entsprechenden Korrekturwert zur Verfügung. Diese Feinkorrektur dient der Überwachung des möglichen Einflusses außergewöhnlich starker, von der Sonne ausgehender Störungen auf die Messwerte. Die Steuer- und Auswerteelektronik 38 gestattet es, aus dem zeitlichen Verlauf des Stromes zum inneren Gitter 14 im Zeitintervall zwischen t25 und t20 die Energieverteilung der Photoelektronen des äußeren Gitters 18 zu ermitteln.
  • 8 veranschaulicht eine Messanordnung, in der die im Zusammenhang mit den 1 bis 7 erörterten Messanordnungen und Messmethoden in einer Messanordnung zusammengeführt sind. Die Anordnung gemäß 8 gestattet es, solare extrem ultraviolette Strahlung 68, den Sonnenwind 55, die Aufladung eines Satelliten sowie eintreffende Korpuskular- und Gammastrahlung 78 zu erfassen.
  • In 8 sind bereits bekannten Komponenten mit den oben erwähnten Bezugszeichen versehen. Zusätzlich verfügt die in 8 dargestellte Messanordnung im Innern der Metallkugel 50 über Szintillationskristalle 80, die durch die Schraffuren veranschaulichte unterschiedliche Eigenschaften haben. Den Szintillationskristallen 80 sind jeweils optische Detektoren 82 zugeordnet, um die von kosmischer Strahlung 78 in den Szintillationskristallen 80 ausgelösten Lichtsignale zu empfangen.
  • Durch die Abstimmung des Materials, der Metallkugel 50, ihrer Wandstärke, eventuell regelmäßig verteilter metallbeschichteter Fenster in der Metallkugel 50 und der Wellenlängenempfindlichkeit der optischen Detektoren 82 können auch Komponenten der kosmischen Strahlen mit Hilfe der Szintillationselektronik 84 gemessen und ausgewertet werden. Die Szintillationselektronik 84 ist durch Leitungen 86 und 88 mit der Steuer- und Auswerteelektronik 38 verbunden. Eingangssignale enthält die Szintillationselektronik 84 über Leitungen 90, 92, die die elektrischen Signale der jeweils zugeordneten optischen Detektoren 82 aus dem Innern der Metallkugel 50 zur Szintillations-Elektronik 84 weiterleiten.
  • Abschließend soll noch erwähnt werden, dass die Metallkugel 50 nicht notwendigerweise eine ideale sphärische Oberfläche haben muss. Sie kann beispielsweise eine Facettenkugel oder auch eine mit kleineren Flachspiegeln besetzte Anordnung sein. Im Extremfall kann auch eine annähernd raumsymmetrische, z. B. würfelförmige Geometrie angewendet werden, wodurch die Genauigkeit der Messungen allerdings sehr stark eingeschränkt wird.

Claims (5)

  1. Messanordnung zur Strahlungserfassung unter Vakuumbedingungen mit einem isolierenden Abstandshalter (12), an dem als erste Elektrode ein erster innerer gelochter elektrischer Leiter (14), der einen Innenraum (16) umschließt, und als zweite Elektrode ein zweiter gelochter elektrischer Leiter (18), der den inneren Leiter (14) umschließt, voneinander isoliert befestigt sind, wobei der innere Leiter (14) und der äußere Leiter (18) einen elektrisch leitenden Körper (50) als dritte Elektrode umschließen, und die drei Elektroden (14, 18, 50) über Strommesseinrichtungen (34, 54, 64) mit ihren zugeordneten Spannungsquellen (28, 32, 56) für die Bereitstellung vorbestimmter Potenziale so verbunden sind, dass der fließende Strom in Abhängigkeit vom jeweiligen Potenzial der Elektroden (14, 18) zur Gewinnung von Daten auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode eine Metallkugel (50) ist, dass die gelochten elektrischen Leiter (14, 18) und die Metallkugel (50) als drei konzentrisch angeordnete Elektroden mit im wesentlichen kugelförmiger Gestalt ausgebildet sind, und dass die erste und zweite Elektrode (14, 18) jeweils als sphärisches doppellagiges Gitter aus jeweils zwei Netzgittern (20, 22; 24, 26) mit hoher optischer Transmission ausgebildet sind.
  2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Metallkugel (50) auf kosmische Strahlung, insbesondere Korpuskularstrahlung und Gammastrahlung ansprechende Szintillationskristalle (80) angeordnet sind, deren Licht von wenigstens einem optischen Detektor (82) im Hohlkörper (50) erfassbar ist.
  3. Verfahren zur Erfassung der elektrischen Aufladung eines durch extrem ultraviolette Strahlung aufgeladenen Körpers, insbesondere eines dem Sonnenlicht ausgesetzten Raumflugkörpers, mit Hilfe einer Messanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode an eine konstante positive Spannung gelegt wird und die zweite Elektrode an eine negative Spannung angeschlossen wird, die impulsförmig mit einer steilen Flanke auf einen positiven Wert erhöht wird und im Anschluss daran mit einer flachen Flanke auf den ursprünglichen negativen Wert wieder abfällt, wobei der während des Impulses auftretende maximale Strom in der zweiten Elektrode als Maß der Aufladung des Körpers und der zeitliche Verlauf des Stromabfalls während der abfallenden Flanke des Spannungsimpulses zur Bestimmung der Dichte und Energieverteilung der durch Photoelektronen gebildeten Elektronenwolke um den Flugkörper auswertbar ist.
  4. Verfahren zur Erfassung von Plasmaparametern, insbesondere des Sonnenwindes im Weltall, mit Hilfe einer Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode auf Massepotenzial und die dritte Elektrode auf ein festes positives Potenzial gelegt wird, und dass während eines Spannungsanstiegs an der ersten Elektrode ausgehend von einer negativen Spannung zu einer positiven Spannung der Strom durch die dritte Elektrode erfaßt und ausgewertet wird, indem aus der maximalen Amplitude des Stromes der dritten Elektrode die Dichte der Elektronen des Sonnenwindes und aus dem Verlauf des Anstieges des Stromes der dritten Elektrode die Energieverteilung der Elektronen des Sonnenwindes bestimmt wird.
  5. Verfahren zur Quantifizierung des Spektrums einer ultravioletten Strahlung im Weltall mit Hilfe einer Messanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode mit einer konstanten positiven Spannung beaufschlagt wird und der abfallende Strom durch die erste Elektrode bei negativ konstant bleibender Spannung an der zweiten Elektrode während eines Ansteigens der Spannung an der dritten Elektrode ausgehend von einem maximalen negativen Wert auf einen maximalen positiven Wert auswertbar ist, um die Energieverteilung der Photonen der Strahlung zu erfassen, und dass zur Reduzierung des Messfehlers die hohe negative feste Spannung an der zweiten Elektrode anschließend kurzzeitig auf eine hohe positive Spannung erhöht wird, um aus dem dann abfallenden Strom in der ersten Elektrode einen Wert für die Korrektur des Maximalwertes zu erreichen, und dass während des Abfallens der Spannung an der zweiten Elektrode vom kurzzeitigen positiven Maximalwert auf die hohe negative feste Spannung das erneute Ansteigen des Stromes in der ersten Elektrode ausgewertet wird, um einen Feinkorrekturwert zu ermitteln.
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