H. Sierks, Doktorarbeit (Zusammenfassung)

Kosmische Teilchen im Sonnensystem - Messung geladener Teilchen mit dem Kieler Instrument EPHIN an Bord der SOHO-Raumsonde - Ideal und Wirklichkeit

Holger Sierks, Doktorarbeit, 1997

Das Kieler Instrument EPHIN an Bord der Raumsonde SOHO ist eine Anordnung von sechs Halbleiterdetektoren und einem Antikoinzidenzszintillator zur Messung von Intensitäts-Zeit-Profilen und Energiespektren der Elektronen (Energiebereich 100 keV bis >9 MeV) sowie der Wasserstoff- und Helium-Isotope (4 bis >53 MeV/n) im interplanetaren Raum mit einer hohen zeitlichen Auflösung.

Aufgrund der Erfahrungen mit den Instrumenten der Missionen HELIOS und ULYSSES wurde am Institut für Reine und Angewandte Kernphysik der Universität Kiel ein Teleskop entwickelt, in dem die folgenden Konzepte verwirklicht wurden:

Ein großer Geometriefaktor erlaubt die Auswertung auch kleiner solarer Ereignisse mit einer guten Statistik sowie die Untersuchung geringer Anteile der Wasserstoff- und Helium-Isotope in solaren Ereignissen und in der galaktischen kosmischen Strahlung.
Die Segmentierung der zwei ersten Detektoren ermöglicht eine gute Energiebestimmung der Teilchen und somit die Auflösung der Helium-Isotope bei Intensitätsverhältnissen unter 1/100.
Randeffekte in diesen Detektoren werden durch einen Guard-Ring weitgehend verhindert.
Niedrige Ansprechschwellen ermöglichen den eindeutigen Nachweis von Elektronen.

Die Eichmessungen an Teilchenbeschleunigern zeigen eine gute Massenzuordnung und Energiebestimmung bei steckenbleibenden Nukleonen im Energiebereich von 5-120 MeV. Die Eichung mit Elektronen von 200 keV-14 MeV belegt die gute Bestimmung der Einfallsenergie für steckenbleibende Elektronen. Mit den Stützstellen aus der Energieeichung wird durch eine Monte-Carlo-Simulation die energieabhängige Ansprechfunktion des Instruments für isotrop einfallende Elektronen, Protonen und He-Kerne bestimmt.

Die Untersuchung der Flugdaten zeigt das aus der Konzeption erwartete Verhalten des Instruments. In den ausgewerteten ersten acht Monaten der SOHO-Mission registriert das Instrument kontinuierlich Teilcheneinfälle im interplanetaren Raum. Die Analyse der Flugdaten ergibt:

In den Pulshöhenmatrizen lassen sich die am Meßort vorhandenen Teilchensorten (Elektronen, Protonen, Deuterium-, ³He- und ⁴He-Kerne) identifizieren.
Bei isotropem Teilcheneinfall zeigt sich ein Untergrund durch eine fehlerhafte Energiebestimmung von Teilchen.
Daraus ergibt sich eine Verunreinigung der Zählkanäle des Instruments,
Für Elektronen und Nukleonen werden Korrekturverfahren zur Bereinigung der Zeitprofile und zur Bestimmung der Energiespektren der Teilchenspezies angegeben.
Der Energiebereich des Instruments kann für Nukleonen bis zu Energien deutlich oberhalb von 100 MeV/n ausgedehnt werden.

Mit den entwickelten Auswertemethoden wurden ausgewählte Phänomene in der Anfangsphase der Mission untersucht, nämlich die galaktische kosmische Strahlung im solaren Minimum, das impulsive solare Ereignis vom 9. Juli 1996 und korotierende Wechselwirkungszonen bei hohen und niedrigen Energien. Die Ergebnisse zeigen:

Die mit dem EPHIN-Instrument bestimmten absoluten Intensitäten und Energiespektren von Protonen, ⁴He (anomale Komponente), ³He, ²H und Elektronen der galaktischen kosmischen Strahlung sind in guter Übereinstimmung mit den Messungen anderer Instrumente zu Zeiten des solaren Minimums.
Die zeitlichen Variationen der Intensitäten im Verlauf des solaren Ereignisses und der korotierenden Wechselwirkungszonen lassen sich zuverlässig bestimmen.
Das Verfahren der Teilchentrennung ermöglicht neben der selektiven Behandlung der Nukleonen und Elektronen auch die Bestimmung der Spektren von galaktischen ³He- und Deuterium-Kernen sowie des ³He/⁴He-Verhältnisses galaktischer Teilchen und in solaren Ereignissen.
In der Kurzzeitmodulation zeigt sich ein unterschiedliches Verhalten der anomalen Komponente im Vergleich mit den Protonen gleicher Energie und mit Protonen gleicher Steifigkeit.
Das EPHIN-Instrument bietet eine gute 1-AU-Bezugslinie für die Raumsonde ULYSSES.

Es ist anhand des bisherigen Missionsverlaufs zu erwarten, daß das EPHIN-Instrument an Bord der Raumsonde SOHO zu neuen Erkenntnissen über die kosmische Strahlung beitragen kann. Das Kieler Instrument ist dabei im Verbund mit Instrumenten auch auf anderen Raumsonden zu sehen und kann in der gemeinsamen Betrachtung einen wertvollen Beitrag zur Erforschung der räumlichen und zeitlichen Struktur der Heliosphäre liefern.