Energy Spectra of near relativistic Galactic Cosmic Rays and Solar Energetic Particles - Extending the Measurement Capabilities of EPHIN

Kühl, Patrick ORCID

Measurements of the energy spectra of particles in the heliosphere are of major importance in order to understand basic physical acceleration and transport processes. Furthermore, understanding their temporal variations is crucial with regard to their impact in dosimetry for future manned space missions. The two main components of particles in the heliosphere with energies above 100 MeV are the sporadic Solar Energetic Particle (SEP) events and Galactic Cosmic Rays (GCR), which have their intensity and energy spectrum modulated by the Sun on time scales of up to several years. In this work, the observable energy range of the Electron Proton Helium Instrument (EPHIN) onboard the Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) was increased with detailed simulations of the instrument and its response to energetic particles. Since the developed method can be applied to data already taken by the instrument, energy spectra for protons between 100 MeV and above 1 GeV were derived for the entire SOHO mission and therefore significantly extend the available data sets for SEP events and GCRs in terms of energy and time coverage. The annual proton spectra from 1995 to 2014 have been derived in an energy range from 250 MeV up to 1.6 GeV and discussed with a focus on drift effects. Furthermore, the possibility to apply the new method to Helium and heavy ions has been examined. SEP events have been investigated by statistical means utilizing the continous measurements from EPHIN . For this purpose, the SEP events with an increase in the intensity of protons above energies of 500 MeV which occured between 1995 and 2015 have been identified. The spectral properties of these events have been calculated and analysed with special emphasis on whether or not the event has been detected by ground-based instruments, i.e. Neutron Monitors.

Messungen der Energiespektren von Teilchen in der Heliosphäre sind wichtig um sowohl deren Beschleunigungs- und Transportprozesse zu untersuchen als auch den Beitrag dieser Teilchen zur Strahlungsdosis zukünftiger bemannter Raumfahrtmissionen abschätzen zu können. Die beiden Hauptkomponenten von Teilchen in der Heliosphäre mit Energien über 100 MeV sind die unregelmäßig auftretenden solaren energiereichen Teilchen (SEP) Ereignisse und die Galaktische Kosmische Strahlung (GCR), deren Intensität und Energiespektrum durch die solare Modulation auf Zeitskalen von bis zu mehreren Jahren beinflusst wird. In dieser Arbeit wurde der Energiebereich des Electron Proton Helium Instruments (EPHIN) auf dem Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) mittels Simulationen des Instrumentes und dessen Ansprechverhalten auf energiereiche Teilchen signifikant erweitert. Mittels der entwickelten Methode können Energiespektren von Protonen von 100 MeV bis über 1 GeV für die gesamte SOHO Mission berechnet werden. Auf Basis dieser erweiterten Messfähigkeiten wurden energiereiche SEP Ereignisse und die solare Modulation der GCR untersucht. Für beide Teilchenpopulationen wurden die systematischen Unsicherheiten mittels Simulationen und Vergleichen mit anderen Missionen untersucht. In den GCR Studien wurden die jährlichen Proton Spektren vom 1995 bis 2014 in einem Energiebereich von 250 MeV bis 1.6 GeV berechnet und Drifteffekte an Hand dieser Daten untersucht. Außerdem wurde untersucht, in wie weit sich die entwickelte Methode auf Helium und schwere Ionen erweitern lässt. SEP Ereignisse wurden in einer statistischen Analyse untersucht. Hierfür wurden alle Ereignisse mit einem Intensitätsanstieg von Protonen über 500 MeV zwischen 1995 und 2015 identifiziert. Die spektralen Eigenschaften dieser Ereignisse wurden dann berechnet und analysiert, insbesondere im Hinblick darauf, ob ein Ereigniss auch von Instrumenten auf dem Erdboden, im speziellen Neutronen Monitoren, gemessen wurde.

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Kühl, Patrick: Energy Spectra of near relativistic Galactic Cosmic Rays and Solar Energetic Particles - Extending the Measurement Capabilities of EPHIN.

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