Simulations and Tests for the High-Energy-Telescope on Solar Orbiter

Tammen, Jan

This thesis investigates certain aspects which are important during the development of HET as well as thereafter during the data analysis. At first a model was developed which estimates the radiation dose on HET during the seven years of mission. With this model it could be shown that the use of radiation hard electronical parts is sufficient to prevent the instrument from failing due to ionising radiation. As the separation of 3He and 4He is a vital task for HET the capabilities in respect to this have been investigated. The different origins for noise along the signal path were analysed and modeled. Those models then have been applied to simulated data from the GEANT toolkit and the expected sensor response of HET in respect to the separation of 3He and 4He has been calculated. The HET sensor contains a BGO scintillation crystal which is used to measure the total energy of incident particles. This type of crystal has certain non-linearities in light yield which depend on particle type as well as energy. For the latter data analysis of HET detailed knowledge about these non-linearities is vital and thus a comprehensive study has been carried out. From the comparison of those measurements with simulations calculated with the GEANT toolkit a prediction model for the light yield of BGO could be derived.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten, die während der Entwicklung von HET und darüber hinaus bei der späteren Datenanalyse eine wichtige Rolle spielen. Zum einen wurde durch ein selbst entwickeltes Modell die voraussichtliche Strahlungsdosis von HET während der siebenjährigen Mission analysiert. Mithilfe dieses Modells konnte gezeigt werden, dass die Wahl strahlungsharter, elektronischer Bauteile ausreicht um einen - zumindest strahlungsbedingten - Ausfall zu verhindern, so dass auf zusätzliche Masse in Form von Abschirmung verzichtet werden konnte. Da die Unterscheidung von 3He und 4He ein wesentlicher Bestandteil von HET ist, wurde das Verhalten des Instruments in Bezug auf diese Eigenschaft hin untersucht. Die verschiedenen Rauschquellen entlang des Signalpfades wurden analysiert und durch geeignete Modelle nachgebildet, u.a. durch Raytracing Monte-Carlo Simulationen für die Lichtausbreitung im Szintillator. Der HET Sensor verfügt über einen BGO Szintillationskristall über den die Gesamtenergie einfallender Teilchen gemessen wird. Dieser Kristall hat jedoch eine nichtlineare Lichtantwort, die sowohl von der Teilchensorte als auch von der Energie abhängt. Da für die spätere Auswertung der Messdaten von HET die genaue Kenntnis über die vorkommenden Nichtlinearitäten notwendig ist, wurden hierfür im Rahmen der Dissertation bereits umfangreiche Voruntersuchungen durchgeführt. Aus dem Vergleich von Simulation und Experiment konnte ein Vorhersagemodell für die Lichtantwort des BGO für den - für HET wichtigen - Energiebereich entwickelt werden.

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Tammen, Jan: Simulations and Tests for the High-Energy-Telescope on Solar Orbiter. 2016.

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