MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002

3.
Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects

3.1
Physik des erdnahen Weltraums /
Space Physics of the Near-Earth Environment

In diesem Arbeitsbereich des Instituts untersuchen wir plasmaphysikalische Vorgänge im Sonnensystem. Für diese Untersuchungen werden Experimente eingesetzt, die das Studium solcher Vorgänge in-situ gestatten, vor allem in der Magnetosphäre der Erde und im interplanetaren Raum. In this branch of the institute we are investigating plasma physical processes inside the solar system. For these studies, we develop scientific instruments for the in-situ investigation of these processes, for example in the magnetosphere of the Earth and in interplanetary space.

Experimente auf Erdsatelliten und Raumsonden /
Experiments on Earth Orbiting Satellites and Deep Space Missions

Die Mission Cluster ist einer der "Cornerstones" des wissenschaftlichen Programms der ESA. Die Aufgabe von Cluster ist die Untersuchung von Prozessen an Plasma-Grenzschichten. Mit insgesamt vier Satelliten mit identischer Instrumentierung, die in einer variablen Tetraeder-Konfiguration fliegen, ist es zum ersten Mal möglich, dreidimensionale Strukturen und deren zeitliche Variation zu untersuchen und räumliche und zeitliche Variationen zu unterscheiden. Die Laufzeit der Mission wurde durch Beschluss der ESA in diesem Jahr bis Ende 2005 ausgedehnt. Dies ermöglicht Messungen in einem größeren Bereich von Separationsdistanzen zwischen den Satelliten, wie in Abb. 3-1 dargestellt. Durch Einsatz einer zusätzlichen Bodenstation (Mas Palomas) konnte im Juni dieses Jahres auch die Datenüberdeckung von 50% auf 100% erhöht werden. The Cluster mission is one of the "cornerstones" of ESA's scientific program. The prime purpose of Cluster is the identification and detailed study of the space-time structure of the processes in plasma boundaries. The four Cluster spacecraft with identical instrumentation fly in a tetrahedral formation when crossing regions of interest. This enables scientists for the first time to study three-dimensional and time-varying phenomena and makes it possible to distinguish between spatial and temporal variations. Earlier this year ESA decided to extend the mission duration until the end of 2005. This allows for a variety of inter-spacecraft separations, as illustrated in Fig. 3-1. Since June this year the data return has also been increased from 50% to 100%, thanks to the addition of an extra ground station (Mas Palomas).

Abb. 3-1: Separationsdistanzen zwischen den Cluster Satelliten während der gesamten Laufzeit des Projekts.

Fig. 3-1: Separation distances between the Cluster spacecraft for the entire mission duration.

Das MPE ist an zwei Instrumenten der wissenschaftlichen Nutzlast wesentlich beteiligt, und zwar beim Elektronendrift-Instrument EDI und beim Cluster-Ionen-Spektrometer CIS. Das Elektronendrift-Instrument misst die Driftbewegung des Plasmas infolge
elektrischer Felder. Die EDI Methode basiert auf der Injektion zweier künstlicher Elektronenstrahlen von ~1 keV ins umgebende Medium und der Messung ihrer Versetzung infolge der Plasmadrift. Das Cluster-Io-nen-Spektrometer besteht aus zwei Sensoren, CODIF (Composition and Distribution Function Analyser, CIS-1) und HIA (Hot Ion Analyser, CIS-2) (s. a. Jahresbericht 2001).
MPE has been heavily involved in two instruments of the science payload: the Electron-Drift Instrument, EDI, and the Cluster Ion Spectrometer, CIS. The Electron-Drift Instrument measures the plasma drift resulting from the electric fields. The EDI technique is based on injecting two weak beams of 1-keV electrons into the plasma and detecting their displacement induced by the plasma drift. The Cluster-Ion-Spectrometer consists of two sensors, CODIF (Composition and Distribution Function Analyser, CIS-1) and HIA (Hot Ion Analyser, CIS-2) (s. a. Annual Report 2001).
Im Berichtsjahr wurden die Messmöglichkeiten von EDI durch Einführung eines neuen Messmodus für natürliche Elektronen erweitert. Da die beiden Elektronendetektoren von EDI zusammen jederzeit den gesamten Raumwinkelbereich überdecken, lassen sich so vollständige Pitchwinkelverteilungen der Elektronen mit hoher Zeitauflösung bestimmen. Dies ist für die Auslotung von Magnetfeldstrukturen außerordentlich nützlich. This year the measurement capabilities of EDI were extended by introducing a measurement mode for natural electrons. Since the two electron detectors together cover the full solid-angle sphere at all times, we can determine the full pitch-angle distribution of the electrons with very high time-resolution. This is a very useful tool for the sounding of the magnetic field topology, which we will explore in the future.
Abb. 3-2: Vergleich der von CIS (Linie) und WHISPER (Datenpunkte) bestimmten Plasmadichten. Die CIS Werte sind durch Integration über die gemessene dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung der Ionen ermittelt (die Linie im unteren Panel). WHISPER misst das elektrische Wellenspektrum und ermittelt daraus die Plasmafrequenz, die proportional zur Plasmadichte ist (Datenpunkte im unteren Panel).

Fig. 3-2: Comparison between plasma densities obtained from CIS (line-plot) and WHISPER (data points). The CIS values are determined by integration over the entire three-dimensional velocity distribution of the ions. WHISPER measures the electric wave spectrum and extracts the values of the plasma frequency from it. The plasma frequency is proportional to the plasma density.

Komplexe Flugzeit-Massenspektrometer wie CODIF erfordern umfangreiche Eichmessungen, sowohl vor dem Start, als auch während der Betriebsphase. Darüber hinaus ist bei Cluster die Gegen-Eichung der Sensoren auf verschiedenen Satelliten, sowie die Kenntnis der Zeitvariation besonders wichtig, da Parameter wie z.B. Dichtegradienten oder Geschwindigkeitsunterschiede bestimmt werden sollen. Gegen-Eichung der Plasmadichte geschieht regelmäßig durch Vergleich mit der von WHISPER gemessenen Plasmafrequenz. Abb. 3-2 zeigt ein Beispiel eines solchen Vergleichs. Die Ergebnisse der Flugeichung werden eingesetzt, um die Kalibrierungsfiles, die zur Umwandlung der Messgrößen in physikalische Parameter notwendig sind, regelmäßig auf den neuesten Stand zu bringen. Complex mass spectrometers using time-of-flight techniques for mass separation require extensive pre-flight and in-flight calibration, as well as in-flight cross-calibration. Furthermore, on Cluster the cross-calibration of the instruments on different spacecraft and the knowledge of their time variation is essential for the reliable determination of, for example, density gradients or velocity differences. Inter-calibration of the plasma density has been achieved from an in-flight check of the sensitivity of the instruments using monitor rates and through comparison with the plasma frequency measurements from the WHISPER instrument. Fig. 3-2 shows the result of such a comparison. The inter-calibration results are used for regular updates of the calibration files used for on-board moment calculations and ground data analysis.
Eine weitere Möglichkeit für die Gegen-Eichung von CIS ist der Vergleich der von CIS-CODIF und EDI gemessenen Plasmadriftgeschwindigkeiten. EDI bestimmt die Elektronendrift unmittelbar. CIS-CODIF misst zunächst die dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung verschiedener Ionen. Aus diesen lässt sich durch geeignete Integration die Geschwindigkeit des Plasmas berechnen, sofern die Plasmadichte groß genug ist und das Verhältnis aus Driftgeschwindigkeit und thermischer Geschwindigkeit der Ionen nicht zu klein ist. Abb. 3-3 zeigt einen Vergleich der von CIS-CODIF gemessenen Driftgeschwindigkeit von Sauer-stoffionen mit der von EDI direkt gemessenen Elektronendrift. In Anbetracht der extrem unterschiedlichen Messmethoden ist die gute Übereinstimmung bemerkenswert. Another possibility for cross-calibration of CIS is the comparison of the plasma drift velocities measured by CIS-CODIF and EDI. EDI determines the drift velocity of electrons directly. CIS-CODIF measures the three-dimensional velocity distributions of various ions. From those one can determine the plasma bulk velocity by proper integration over velocity space, as long as the plasma density is sufficiently high, and the ratio between the bulk velocity and the thermal velocity of the ions is not too small. Fig. 3-3 shows a comparison between the drift velocity of Oxygen ions measured by CIS-CODIF and the electron drift velocity measured directly by EDI. In view of the extremely different measurement methods the good agreement is truly remarkable.

Abb. 3-3: Vergleich der aus den CIS-CODIF und EDI Messungen bestimmten Plasmadriftgeschwindigkeit während einer Passage der polaren Magnetosphäre. CIS-CODIF bestimmt die Driftgeschwindigkeit aus der Integration der dreidimensionalen Geschwindigkeitsverteilung der O+ Ionen, während EDI diese aus der Versetzung der Bahnen von künstlich injizierten 1 keV Elektronen bestimmt.

Fig. 3-3: Comparison of plasma drift velocities obtained with CIS-CODIF and EDI during a passage of the polar magnetosphere. CIS-values are from integration of the measured three-dimensional velocity distribution of O+ ions, the EDI values are obtained from the measured displacement of the orbits of artificially injected 1-keV electrons.

Das Deutsche Cluster Science Data Center (GCDC) an unserem Institut ist eines der acht europäischen Datenzentren des Cluster Science Data Systems (CSDS). Das GCDC verarbeitet die wissenschaftlichen Daten für die beiden in Deutschland beheimateten Instrumente, RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) des MPAe und EDI unseres Instituts. Die resultierenden Datensätze werden mit den anderen Datenzentren ausgetauscht, so dass jedes der Zentren im Besitz der Daten aller Cluster Instrumente ist. Diese Daten können dann von allen Ko-Investi-gatoren abgerufen werden. Das GCDC stellt außerdem Übersichtsplots der Daten aller Cluster Instrumente her, die an die anderen Zentren verteilt werden. "The German Cluster Science Data Centre (GCDC) located at our institute is one of the 8 National Data Centres building the Cluster Science Data System (CSDS). The GCDC is responsible for processing the scientific data for the German instruments, RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) from the MPAe and EDI from our institute. The resulting datasets are distributed among the various data centres such that each centre is in the possession of the data from all Cluster instruments. The data can then be retrieved from any Cluster Co-Investigator. The GCDC is also responsible for the production of survey plots of all Cluster instruments that are distributed to the other data centres.
Das Experiment PLASTIC (Plasma und Supra-Thermal Ion Composition) ist der primäre Sensor für die Untersuchung des solaren Windes und suprathermischer Ionen bei der Mission STEREO (Solar Terrestrial Relations Observatory). Der PLASTIC Sensor basiert auf dem CIS-CODIF Sensor auf Cluster. Die wesentlich verbesserte Massenauflösung wird die Messung einzelner Ladungszustände von schweren Ionen im Massenbereich C bis Fe gestatten. Außerdem wurde der Energiebereich bis 100 keV/e erweitert, um den Bereich suprathermischer Ionen, die an der Sonne oder im interplanetaren Raum beschleunigt werden, abzudecken. In diesem Jahr wurden die Flugzeitelektronik für das EQM Modell fertiggestellt, sowie die Qualifikationstests für die Flugmodelle durchgeführt. The Plasma and Supra-Thermal Ion Composition (PLASTIC) experiment is the primary sensor on the Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) for studying the Solar Wind and suprathermal particles. PLASTIC is based on the design of the CIS-CODIF sensor onboard Cluster. However, it has a much improved mass resolution to resolve individual ionic charge states of heavy ions in the solar wind. The energy range is also extended to 100 keV/e, to cover suprathermal ions accelerated at the Sun and in interplanetary space. This year, the time-of-flight electronics for the EQM model was delivered to UNH and the qualification tests of the flight model electronics was carried out.
Seit einigen Jahren ist das MPE auch an Experimenten zur Untersuchung der Wechselwirkung des Sonnen-windes mit planetaren und kleinen Körpern des Sonnensystems, sowie der Konstitution dieser Körper selbst, beteiligt. Hierbei stehen die Staubexperimente CIDA für die Kometenmission Stardust der NASA und COSIMA für die Rosetta-Mission der ESA im Vordergrund. Since several years the MPE is also involved in studies of the solar wind interaction with Planetary and Small Bodies of the Solar System and of the constitution of these bodies. In this context the dust analysers CIDA on the cometary mission Stardust of NASA and COSIMA to be flown on the Rosetta mission of ESA are of prime interest for the institute.
COSIMA, das Analysegerät für kometaren Staub auf der ESA Mission Rosetta, ist im Juli nun voll funktionierend, erfolgreich abgeliefert worden. Die Integration ging ohne Probleme vor sich. Die zahlreichen Tests im kompletten Raumfahrzeug sind positiv absolviert, so dass wir gespannt auf den Start der Kometensonde ab 13. Januar 2003 warten. Zur Zeit wird ein Referenzmodell erstellt, mit dem alle Operationen, die mit dem Fluggerät vorgenommen werden sollen, zuvor im Labor getestet werden können. Dieses Modell dient auch dazu, Betriebserfahrung zu sammeln und die restlichen Fehler der Betriebssoftware aufzuspüren. Dazu wird das Gerät im Vakuum gehalten, mit jeweils interessanten Proben versehen und - wie das Fluggerät - aus der Ferne betrieben, indem die Kommandos über das Internet eingespielt werden. COSIMA, the time-of-flight secondary ion mass spectrometer for the analysis of cometary dust for the Rosetta mission of ESA, has been delivered fully operational in July. The integration of the flight unit was easy and also the tests within the fully assembled spacecraft revealed no further problems, so we await the launch of the comet probe for January 13, 2003. Currently we assemble a "reference model", primarily to check operations of the flight hardware, before they are executed in space. In addition we will gain operational experience and find the remaining bugs in the flight software by operating it remotely. For this purpose the instrument remains in a high vacuum, is equipped with interesting targets and the commands are fed through the internet.
Abb. 3-4: COSIMA Flugeinheit: Kometare Staubteilchen fliegen von links in das Gerät ein und werden dort auf einem Substrat gesammelt. Primärionen aus der (um 40° schräg nach oben stehenden) Ionenquelle erzeugen die Sekundärionen, deren Flugzeit durch das Spektrometer (vergoldete Röhre mit Reflektor aus Keramik) gemessen wird.

Fig. 3-4: COSIMA flight unit: Cometary dust particles enter from the left side and are collected on target substrates. Primary ions from the ion source (pointing 40° upwards) sputter away the secondary ions, the time to pass the spectrometer (gold plated tube and ceramic reflector) is measured.

Unser Instrument CIDA auf Stardust war die ganze Zeit ausgeschaltet, da das Raumfahrzeug zu weit von der Sonne entfernt war, um genügend elektrische Leistung zur Verfügung stellen zu können. Bei einem Test im November funktionierte das Instrument fehlerfrei. Zum Jahreswechsel soll es wieder eingeschaltet werden und angeschaltet bleiben bis zum Vorbeiflug am Kometen Wild-2 im Januar 2004. The Stardust CIDA instrument was switched OFF for the entire year as the spacecraft was too far from the sun to provide the necessary power. At a short test in November it functioned flawlessly and is expected to be turned ON and left on for the mission phase until comet Wild-2 encounter in January 2004.
Das CIDA Instrument auf CONTOUR ist verloren, weil die Sonde nach einem reibungslosen Start am Ende des Einschusses auf die Interplanetare Bahn explodierte. Die Ursache für das Unglück wird noch untersucht. The CIDA instrument on CONTOUR was lost when the spacecraft apparently exploded after a flawless launch at the end of final orbit injection. The reason for this mishap is under investigation.
Das MPE ist ebenfalls an RoLand, dem Landemodul der Rosetta Mission beteiligt (s. a. Jahresbericht 2001). Im Berichtszeitraum wurde die Integration der Flugeinheiten der beiden Harpunen abgeschlossen. Die Einheit ist nun bereit zum Start, der für 13. Januar 2003 geplant ist. MPE is also involved in RoLand, the lander of the Rosetta mission (s. a. Annual Report 2001). This year we completed the integration of the flight units of the harpoon - anchor system. The system is now ready for launch scheduled for January 13, 2003.
Das Projekt Cluster (EDI, CIS) wurde unterstützt von ESA (1501073-2499). Die folgenden Projekte wurden von DLR unterstützt: Cluster: GCDS (50.OC.9302 und 50.OC.0104), EDI (50.OC.0001), CIS (50.OC.
8906 und 50.OC.0102), Rosetta (50.QP.9701 und 50.QP.9706).
The project Cluster (EDI, CIS) has been supported by ESA (1501073-2499). The following projects have been supported by DLR: Cluster: GCDS (50.OC.9302 and 50.OC.0104), EDI (50.OC.0001), CIS (50.
OC.8906 and 50.OC.0102), Rosetta (50.QP.9701 and 50.QP.9706).

MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002


© Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Impressum
HTML version: 2003-04-15; Helmut Steinle