Messmethoden

Messmethoden 

• Übersicht: 

• Magnetfeld, 

• elektrisches Feld, 

• Plasmawellen, 

• Plasmainstrumente, 

• Teilcheninstrumente. 

• Voraussetzungen: 

• Magnetohydrodynamik, 

• Anforderungen durch die Eigenschaften von Weltraumplasmen. 

• Im Hinterkopf behalten: 

• zur Untersuchung physikalischer Frage ist die geschickte 

Kombination von Instrumenten auf einem Satelliten wichtig, 

• gegebenenfalls auch die Kombination mehrerer Satelliten. 

21.05.2005 Space PhysicsSS 2005 - Kap. 11: Instrumente 1

Magnetfeldmessungen I 

• Pulsationsmagnetometer: 

• drei senkrecht auf einander stehende Spulen, 

• Messung der Induktion durch fluktuierendes Magnetfeld, 

• zwar Vektor der Fluktuationen aber keine Absolutmessung. 

• Fluxgate Magnetometer: 

• drei Sensoren mit senkrecht auf einander stehenden Achsen, 

• misst auch das absolute Feld, 

• Meßprinzip Transformator, wobei ein äußeres Magnetfeld den Kern 

früher in Sättigung treibt. 

• Alkalidampf-Magnetometer: 

• Meßprinzip Zeeman-Effekt, 

• zwei Zellen, die durch Radiosignale angesteuert werden können. 


Magnetfeldmessungen II 

• Protonen-Präzessionsinstrument: 

• liefert absolute Werte, aber keine Fluktuationen, 

• Protonenreiche Flüssigkeit in Spule, 

• Protonen werden durch Strom in der Spule ausgerichtet, 

• bei Abschalten des Stromes führt Ausrichtung entlang des externen 

Feldes zu einer Präzession ums Feld, deren Frequenz proportional 

der Feldstärke ist. 


E-Feld Probe 

• Grundidee: Potentialdifferenz zwischen zwei entfernten Punkten 

messen. 

• Probleme: Potential durch verschiedene Störungen beeinflusst: 

• Bewegung des Satelliten bewirkt uxB Induktionsfeld 

• Ionisation durch elektromagnetische Strahlung 

• Wechselwirkung mit dem umgebenden Plasma, 

• diese Potentiale werden durch eine Bias-Strom 

kompensiert. 

• Alternative: Drift-Instrument. 


Driftinstrument E-Feld 

• Bestandteile: 

• Elektronenkanone, erzeugt wohldefinierte 

Teilchenenergie, 

• Spulen, erzeugt definiertes Magnetfeld 

senkrecht zur Elektronenbahn, 

• Detektor zum Nachweis der 

Elektronen (ortsempfindlich). 

• Meßprinzip: ExB-Drift führt zu einem Versatz d des Teilchenorbits, 

der proportional zum Feld ist. 

• Vorteil: keine Beeinflussung durchs Plasma, 

• Nachteile: Magnet (Leistung, Störungen) 


Plasmamessungen 

• dichte Plasmen (kollektive Effekte): 

• Langmuir-Probe (Folie 7), 

• Retarding Potential Analyzer: Langmuir mit zusätzlichen Gittern 

(Ionenfalle), 

• Impedanzmessung: Messung der dielektrischen Konstante mit Hilfe 

eines Schwingkreises (Frequenz gibt Kapazität und damit ε), 

• Resonanzmethode: Medium zwischen Sender und Empfänger wird 

in Resonanz gebracht (Frequenz hängt von Dichte ab). 

• dünne Plasmen (Einzelteilchenmessung): 

• Massenspektrometer: wie im Labor aber einfacher, da kein Vakuum 

erzeugt werden muss. 

• Time-of-Flight Spectrometer (Folie 8). 


Langmuir-Probe 

• Space Potential Vs als universelles Potential – gegenüber weit 

entferntem neutralen Körper so gewählt, dass das Potential zu keinem 

Fluss von Elektronen und Protonen durch die Probe kommt. 

• Floating Potential Vf: negative Aufladung in einem quasi-neutralen 

Plasma auf Grund der höheren Elektronengeschwindigkeit. 

• Variation des Potentials: 

• höher als Space Potential: Elektronen werden 

angezogen, Protonen abgestoßen 

⇒ Strom durch Elektronendichte bestimmt. 

• Potential zwischen Space und Floating Potential: 

nur noch die schnelleren Elektronen erreichen 

die Probe. 

• Potential geringer als Floating Potential: 

Elektronen werden abgestoßen und die Protonen/Ionen gemessen. 


Time of Flight Methode 

• Potentialdifferenz zwischen 1 und 2 beschleunigt Teilchen um 

definierte Geschwindigkeitsdifferenz in Abhängigkeit von m/q. 

• Oszillierendes Potential in 3 selektiert Teilchen mit Geschwindigkeiten 

nahe 2d/T (T Oszillationsdauer, d Abstand 2 – 3). 

• 5 filtert alle Teilchen, die nicht maximale Geschwindigkeit 

erreicht haben, heraus. 

• Auftreffende Teilchen sortiert nach Geschwindigkeit und m/q. 


Teilchenteleskop 

• Voraussetzung: 

• Teilchenenergie groß genug um zu ionisieren, 

• Teilchenfluss klein genug, um Einzelteilchenmessung 

zu erlauben. 

• Meßprinzip: 

• Energieverluste in einem Stapel von Detektoren liefern: 

• Gesamtenergie (durch Summation), 

• Teilchensorte (durch Schwellen in den oberen Detektoren), 

• Einfallsrichtung (durch Öffnungswinkel des Teleskops und/oder sektorisierte 

Detektoren), 

• schräg einfallende Teilchen werden durch eine (aktive) Antikoinzidenz 

nachgewiesen und ausgesondert. 


Pulshöhenmatrix 

• erlaubt genauere Identifikation der 

Teilchen, 

• aufgetragen Energieverlust im 

vorletzten gegen Restenergie im 

letzten Detektor (stecken bleibende 

Teilchen), 

• Streuung um Ortskurven durch 

• Statistik, 

• schräg einfallende Teilchen, 

• Vielfachstreuung.

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