Messmethoden

Messmethoden
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Übersicht:
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Voraussetzungen:
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Magnetohydrodynamik,
Anforderungen durch die Eigenschaften von Weltraumplasmen.
Im Hinterkopf behalten:
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21.05.2005
Magnetfeld,
elektrisches Feld,
Plasmawellen,
Plasmainstrumente,
Teilcheninstrumente.
zur Untersuchung physikalischer Frage ist die geschickte
Kombination von Instrumenten auf einem Satelliten wichtig,
gegebenenfalls auch die Kombination mehrerer Satelliten.
Space PhysicsSS 2005 - Kap. 11: Instrumente
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Magnetfeldmessungen I
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Pulsationsmagnetometer:
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Fluxgate Magnetometer:
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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:
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21.05.2005
drei senkrecht auf einander stehende Spulen,
Messung der Induktion durch fluktuierendes Magnetfeld,
zwar Vektor der Fluktuationen aber keine Absolutmessung.
Meßprinzip Zeeman-Effekt,
zwei Zellen, die durch Radiosignale angesteuert werden können.
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Magnetfeldmessungen II
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Protonen-Präzessionsinstrument:
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21.05.2005
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.
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E-Feld Probe
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Grundidee: Potentialdifferenz zwischen zwei entfernten Punkten
messen.
Probleme: Potential durch verschiedene Störungen beeinflusst:
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21.05.2005
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.
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Driftinstrument E-Feld
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Bestandteile:
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21.05.2005
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.
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Vorteil: keine Beeinflussung durchs Plasma,
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Nachteile: Magnet (Leistung, Störungen)
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Plasmamessungen
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dichte Plasmen (kollektive Effekte):
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dünne Plasmen (Einzelteilchenmessung):
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21.05.2005
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).
Massenspektrometer: wie im Labor aber einfacher, da kein Vakuum
erzeugt werden muss.
Time-of-Flight Spectrometer (Folie 8).
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Langmuir-Probe
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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:
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21.05.2005
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.
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Time of Flight Methode
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21.05.2005
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.
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Teilchenteleskop
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Voraussetzung:
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Teilchenenergie groß genug um zu ionisieren,
Teilchenfluss klein genug, um Einzelteilchenmessung zu erlauben.
Meßprinzip:
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Energieverluste in einem Stapel von Detektoren liefern:
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21.05.2005
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.
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Pulshöhenmatrix
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erlaubt genauere Identifikation der
Teilchen,
aufgetragen Energieverlust im
vorletzten gegen Restenergie im
letzten Detektor (stecken bleibende
Teilchen),
Streuung um Ortskurven durch
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21.05.2005
Statistik,
schräg einfallende Teilchen,
Vielfachstreuung.
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