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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Messanordnung mit zwei Gittern zur Erfassung der elektrischen Aufladung
eines Satelliten,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
der beiden Gitter der Messanordnung gemäß 1,
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3 Spannungs-
und Stromverläufe
der Elektroden der Messanordnung gemäß 1,
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4 eine
Messanordnung zur Erfassung des Sonnenwindes,
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5 Spannungs-
und Stromverläufe
der Elektroden der Messanordnung gemäß 4,
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6 eine
Messanordnung zur Erfassung und Auswertung einer extrem ultravioletten
Strahlung,
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7 Spannungs-
und Stromverläufe
der Elektroden der Messanordnung gemäß 6,
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8 eine
Messanordnung, die alle Komponenten der Messanordnungen gemäß den 1, 4 und 6 enthält.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Funktionsweise der in 1 dargestellten Messanordnung
wird nunmehr anhand von 3 veranschaulicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
in 3 gezeigten Spannungs- und Stromkurven definieren
in der oben beschriebenen Weise einen Aufladungs-Messmodus der Messanordnung.
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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.
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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.
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Die
Metallkugel 50 ist elektrisch vom Satellitenträger 10 isoliert
und hat beispielsweise einen Außenradius
von 50 mm bei einer Dicke von 1 mm.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In 5 oben
erkennt man, dass die Metallkugel 50 ebenfalls immer mit
einer konstanten Spannung beaufschlagt ist, beispielsweise 15 V.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.