Developments and Numerical Simulations for the Electron-Proton-Telescope Onboard Solar Orbiter

Paspirgilis, Rolf

The Solar Orbiter spacecraft is an ESA M-class mission that is designated to launch in 2017 to reach an orbit around the sun. At its perihelion, Solar Orbiter will be as close to the sun as 0.28 AU and will nearly co-rotate for almost a complete solar rotation. During its journey, Solar Orbiter will also leave the ecliptic plane to examine higher latitudes of the sun including the polar regions. The spacecraft will be equipped with a unprecedented combination of in-situ and remote sensing instruments enabling us to get a full insight into the physical processes on the sun and in the heliosphere at very close distances where the pristine properties of the solar wind and solar energetic particle events have not yet been smeared out by acceleration and transport processes. As a part of the Energetic Particle Detector (EPD), the Electron Proton Telescope (EPT) will measure the electron and proton intensities in an energy range from 20 keV to 400 keV for electrons and from 20 keV to 7 MeV for protons. EPT is the successor of the Solar Electron Proton Telescope (SEPT) of the STEREO mission at 1 AU. From SEPT EPT inherits the design as a two double-ended telescope and the magnet/foil-technique to separate electrons from protons before they reach one of the two silicon detectors inside the aluminum housing. Although EPT is derived from SEPT, there are still some modifications to be made to adapt the instrument to the much different solar environment at 0.28 AU. This will be the scope of this work. For this, we will consider a strong SEP event measured at 1 AU and extrapolate the intensities to 0.28 AU and examine how the instrument must be designed to withstand even such high intensities. We will further use Geant4 simulations to see how the mechanical design must be changed to reduce the background noise from scattering electrons and from relativistic protons from the galactic cosmic radiation. In addition, we will determine the setup of the rescaled magnet system that is employed to deflect electrons away from the detector that should only detect protons. And since EPT is accompanied by the magnetometer instrument Solar Orbitermag onboard Solar Orbiter, we must prove that the magnetic far field of the two EPT magnet systems does not disturb the functionality of Solar Orbitermag. We do this by measuring the near field of the magnet systems and extrapolating the field to the Solar Orbitermag positions. Finally, we will demonstrate the functionality of our instrument (including the particle separation technique) by performing first measurements with an EPT demo model using a radioactive bismut electron source.

Solar Orbiter ist eine ESA-Mission der Klasse M, bei der im Jahr 2017 eine Raumsonde auf einen Orbit um die Sonne geschossen werden soll. An ihrem Perihel wird sich diese Sonde der Sonne bis auf 0,28 AU nähern und dabei für etwa eine Sonnenrotationsdauer synchron mit der Sonne rotieren. Im weiteren Orbit wird Solar Orbiter die Ekliptikebene verlassen um höhere Breiten inklusive der Polregionen der Sonne zu beobachten. An Bord der Sonde werden sich In-Situ- und Fernerkundungsinstrumente befinden, die in dieser Kombination noch nie auf einem Satelliten unser Zentralgestirn in solcher Nähe beobachtet haben. Der Vorteil der großen Nähe zur Sonne ergibt sich dadurch, dass die interessanten ursprünglichen Eigenschaften des Sonnenwinds und der Teilchenereignisse noch nicht durch Transport- und Beschleunigungsprozesse verfälscht und verwischt worden sind. Als Teil des Energetic Particle Detectors (EPD) wird das Electron Proton Telescope (EPT) die Teilchenflüsse von Elektronen und Protonen im Energiebereich von 20 keV bis 400 keV für Elektronen und von 20 keV bis 7 MeV für Protonen messen. EPT ist der Nachfolger des Solar Electron Proton Telescopes (SEPT), welches an Bord der STEREO-Mission bei 1 AU Elektronen- und Protonenintensitäten misst. EPT übernimmt dabei von SEPT das grundlegende Design als Instrumentenduo zweier Doppelteleskope, die in beide antiparallele Richtungen schauen. Zudem erbt EPT von SEPT die Technik der Magnet-/Folienkombination zur Separation der Teilchenarten bevor die Teilchen einen der zwei Siliziumdetektoren im Inneren des Aluminiumgehäuses treffen. Trotz der Anlehnung an SEPT müssen an EPT Modifikationen vorgenommen werden, um das Instrument an die schärferen Bedingungen bei 0.28 AU anzupassen. Dies wird das Thema dieser Arbeit sein. Dazu nehmen wir uns Messungen eines starken SEP-Ereignisses bei 1 AU und extrapolieren diese auf 0.28 AU, um zu sehen, wie wir das Instrument neu skalieren müssen, damit die Verarbeitungselektronik ein solch großes aber auch interessantes Ereignis auflösen und messen kann. Des Weiteren werden wir Geant4-Simulation benutzen, um heraus zu finden, wie wir das mechanische Design des Instruments anpassen müssen, um das Hintergrundrauschen, das von streuenden Elektronen und von relativistischen Protonen der kosmischen Hintergrundstrahlung verursacht wird, minimieren können. Ferner werden wir die Zusammensetzung des Magnetsystems, welches zur Ablenkung von Elektronen benutzt wird, berechnen und die Magnetfelder der fertigen Systeme ausmessen. Da EPT an Bord von Solar Orbiter von dem Magnetometerinstrument Solar Orbitermag begleitet wird, stehen wir in der Pflicht, zu beweisen, dass die Felder der beiden Magnetsysteme von EPTone und EPTtwo die Messungen von Solar Orbitermag nicht negativ beeinträchtigen. Wir tun dies, indem wir Messungen der Nahfelder der Systeme durchführen, die wir dann auf die Position des Magnetometers extrapolieren. Schließlich werden wir die Funktionalität des Instruments (inklusive der Teilchenseparation) demonstrieren, indem wir mittels eines radioaktiven Bismut-Präparats als Elektronenquelle erste Messungen durchühren.

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Paspirgilis, Rolf: Developments and Numerical Simulations for the Electron-Proton-Telescope Onboard Solar Orbiter. 2012.

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