Matti Brax
MAGNETOSFÄÄRIN HIUKKASMITTAUKSET MIKROSATELLIITILLA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä
tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 1.9.1993.
k
А-d ' '~)£
prof. Martti Hallikainen Työn valvoja
Alkulause
Tämä diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun Avaruustekniikan laboratoriossa osana HUTSAT-satelliittiprojektia. Kiitän professori Hallikaista haastavasta diplomi työaiheesta sekä ilmaisen ihailuni HUTSAT- projektiryhmää kohtaan ennakkoluulottomuudesta suomalaisen avaruustekniikan pioneerityössä. Työn ovat rahoittaneet suomalaiset veronmaksajat Suomen Akatemian ja Teknillisen korkeakoulun toimiessa ystävällisinä välittäjinä. Toivon, että HUTSATin lentäessä Suomi tuntee saaneensa edes kohtuullisen vastineen rahoilleen.
Oman, korvaamattoman tukensa ovat antaneet Tiia Niemi, Leena ja Asko Brax, Leena ja Sheldon Peck sekä TKK:n Matematiikan laitoksen avulias assistenttikaarti, mistä kiitos kaikille.
Espoossa 1. päivänä syyskuuta 1993,
Matti Brax
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Matti Brax
Työn nimi: Magnetosfäärin hiukkasmittaukset mikrosatellit tilla
Päivämäärä: 1.9.1993 Sivumäärä: 66
Osasto: Sähkötekniikka
Professuuri: Avaruustekniikka
Työn valvoja: prof. Martti Hallikainen
Teknillisen korkeakoulun Avaruustekniikan laboratoriossa rakennetaan HUTSAT-mikrosatelliitti, jonka tieteelliseksi tehtäväksi on valittu geofysikaalinen varattujen hiukkasten virtaus tutkimus. Tässä työssä on suunniteltu kolmesta instrumentista koostuva hyötykuorma, jolla mitataan termisten, keskienergisten ja suurienergisten ionien nopeusvektorijakaumaa ajan ja paikan funktiona. Tuloksia voidaan käyttää hyväksi ionosfäärin yläosassa tapahtuvien hiukkasvirtausten mallinnuksessa ja magnetosfäärin eri osia yhdistävien virtajärjestelmien tutkimuksessa.
Termisellä energia-alueella toimivan ionivirtausmittarin ja korkeaenergisiä hiukkasia mittaavan hiukkasdosimetrin rakentaa Yhdysvaltain ilmavoimien alaisessa Phillips-laboratoriossa toimiva Geofysiikan tutkimuslaitos. Keskienergia-alueen sähköstaattinen
puolipalloanalysaattori suunnitellaan Teknillisessä korkeakoulussa ja sen rakentamisessa käytetään hyväksi asiasta kiinnostuneiden suomalaisten teollisuusyritysten palveluja. Mittalaitteista valmistetaan sähköiset vastineet, jotka asennetaan satelliitin insinöörimalliin.
Mittausinstrumentit sijoitetaan satelliitin hyötykuormamoduliin. Anturit kiinnitetään modulin seiniin siten, että satelliitin muut rakenteet eivät osu niiden näkökenttään. Laitteiden elektroniikka rakennetaan 160x100 mm:n kokoisille piirilevyille, jotka asennetaan hyötykuormamodulin piirikorttilaatikoihin. Käyttöjännitteet tulevat satelliitin tehonsyöttöjärjestelmästä ja yhteydenpito satelliitin keskustietokoneeseen tapahtuu RS-422 -muotoisen sarjaväylän kautta.
Avainsanat: HUTSAT, ionivirtausmittaus, magnetosfääri, mikrosatelliitit, plasmasfääri, satelliittitekniikka, sähköstaattinen analysaattori.
HELSINKI UNIVERSITY OF ABSTRACT OF THE TECHNOLOGY______________________ MASTER'S THESIS Author: Matti Brax
Name of the thesis: Magnetospheric particle mapping with a microsatellite
Date: 1.9.1993 Number of pages: 66
Faculty: Electrical engineering Professorship: Space technology Supervisor: prof. Martti Hallikainen
The Laboratory of Space Technology at the Helsinki University of Technology is constructing a microsatellite called HUTSAT with a geophysical science mission of measuring charged particle drifts. A payload of three instruments has been outlined, aiming to map the vector speed distribution of thermal, mid-range and high-energy ions as a function of time and location. The results of the measurement can be used in modelling the drift movements of upper ionospheric particles as well as in studies of the current systems connecting the different magnetospheric regions.
The thermal ion drift meter and the high-energy particle dosimeter will be provided by a group of investigators from the Phillips Laboratory / Geophysics Directorate, which operates under the United States Air Force.
The mid-energy range hemispherical electrostatic analyzer will be outlined in the Helsinki University of Technology and constructed with the assistance of interested Finnish industrial companies. Electrical equivalents of the instruments will be constructed and integrated into the satellite engineering model.
The instruments will be integrated into the payload module of the satellite.
The sensors will be mounted into the module walls so that no part of the spacecraft structure comes into their field of view. All electronics are to be built on 160x100 mm circuit boards that will be housed in the card cages of the payload module. Operating voltages come from the satellite's power distribution system and the instruments are connected to the central computer through an RS-422 serial bus.
Keywords: HUTSAT, ion drift metering, magnetosphere, microsatellites, plasmasphere, satellite technology, electrostatic analyzer.
Sisältö
Alkulause... I Tiivistelmä... II Abstract... Ill Sisältö... IV Merkinnät ja lyhenteet... V
1. JOHDANTO... 1
2. HUTS AT-SATELLIITIN HIUKKASHYÖTYKUORMA... 2
2.1. Teho-, massa- ja tilavuusrajoitukset...2
2.2. Instrumenttien sijoittaminen satelliitissa... 4
2.2.1. Ionivirtausmittarin anturien sijoitus... 4
2.2.2. Puolipalloanalysaattorin anturin sijoitus...6
2.2.3. Elektroniikkakorttien sijoitus ja johdotus...7
2.3. Muistin ja telemetrian käyttö... 9
2.4. Instrumentin ja satelliitin rajapinnan määrittäminen: Interface Control Document... 11
3. MAGNETOSFÄÄRIN TEORIAA... 12
3.1. Magneettikenttä ja magnetosfääri...12
3.2. Magnetosfäärin virtajärjestelmät...14
3.3. Varattujen hiukkasten liike; kulkeutumisilmiöt...16
3.4. Hiukkasmittaukset magnetosfäärissä... 18
4. IONIVIRTAUSMITTARI JA HIUKKASDOSIMETRI... 20
4.1. Toimitussopimuksen pääkohdat...20
4.2. IDM:n rakenne ja toiminta... 21
4.3. Osumasuuntien tarkastelu... 24
4.4. Arvio laitteiden antamista tuloksista...26
4.5. IDM:n sähköinen ja mekaaninen liittäminen satelliittiin... 26
5. PUOLIPALLO ANALYSAATTORI... 27
5.1. Laitteen mekaaninen rakenne... 28
5.2. Energiakaistan analysointi... 33
5.2.1. Kenttäteoriaa... 33
5.2.2. Työkalu: EGUN-ohjelma...35
5.2.3. Apuväline: TEERAJAT-ohjelma... 37
5.2.4. Energian raja-arvot osumakohdan funktiona...37
5.3. Jänniterampin muodon vaikutus...40
5.4. Elektroniikkaosuuden hahmottelu...45
5.4.1. Mikrokanavalevyjen korkeajännitelähde...45
5.4.2. Pyyhkäisyjännitelähde... 45
5.4.3. Varauspulssien laskenta...45
5.4.4. Tulosten käsittely ja kompressointi... 46
5.5. Elektroniikan toimitussopimus... 46
5.6. Puolipalloanalysaattorin sähköinen ja mekaaninen liittäminen satelliittiin...47
5.7. Arvio tuloksista ja niiden käytöstä...48
5.8. Kustannusten arviointi... 48
6. YHTEENVETO... 49
LÄHTEET...52 LIITTEET...54
Liite 1: HUTSATin teho- ja massabudjetti sekä
elektroniikkakorttien määrät... 55 Liite 2: Puolipalloanalysaattorin anturiosan sijoituksen
optimointi... 56 Liite 3: Luonnos PL/GP:n kanssa tehtäväksi sopimukseksi
laitteiden toimittamisesta...59 Liite 4: Laitekohtaisen rajapintamäärittelyn sisällysluettelo... 62
Merkinnät ja lyhenteet a
В b
c
D D E S êx/6y,ê2 e F
fly)
H I
J к m N N n n P(0) Pn(6) P
<7 Ri
r2
R3
Ra rB rE S
S
t
U u V
V V
wc
WVB
Z(r)
kokonaislukuindeksi
magneettivuon tiheysvektori
hiukkasen "törmäysparametri" puolipalloanalysaattorissa vakiokerroin
siirrosvirtavektori
mitta-anturin tuottama datamäärä sähkökenttävektori
hiukkasen kineettinen energia
karteesisten koordinaattiakselien suuntaiset yksikkövektorit Neperin luku
yleinen voimavektori
distribuutiofunktio nopeusavaruudessa magneettikenttävektori
kokonaisvirta virtatiheysvektori numeerinen vakio massa
luonnollisten lukujen joukko
puolipalloanalysaattorin energiakanavien lukumäärä yleinen normaalivektori
hiukkasten lukumäärätiheys; kokonaislukuindeksi yleinen kulmamuuttujasta riippuva funktio
n:s Legendren polynomi
ilmaisinsegmenttien tai tallennettavien pikselien lukumäärä varaus
puolipalloanalysaattorin sisemmän elektrodin säde puolipalloanalysaattorin kollimaattorilevyjen säde projektiosylinterin säde EGUN-simulointigeometriassa puolipalloanalysaattorin huippuaukon säde
hiukkasen radan kaarevuussäde magneettikentässä hiukkasen radan kaarevuussäde sähkökentässä mielivaltainen pinta
etäisyysmuuttuja aika
potentiaaliero 1. jännite
plasmavirtauksen nopeusvektori mielivaltainen tilavuus
hiukkasen nopeusvektori
hiukkasen nopeusvektorin itseisarvo kaarevuuskulkeutumisvektori
gravitaatiokulkeutumisvektori polarisaatiokulkeutumisvektori gradienttikulkeutumisvektori
yleinen etäisyysmuuttujasta riippuva funktio
a mielivaltaisen hiukkastyypin tunnus
ß ilmaisimen käyttämän AD-muunnoksen leveys Av nopeusvektorin muutos
8 etäisyysmuuttuja e0 tyhjön permittiivisyys ф,0 kulmamuuttujia
Ф sähkökentän skalaaripotentiaali p varaustiheys
pm massatiheys
a puolipalloanalysaattorin elektrodien reduktiokulma T puolipalloanalysaattorin pyyhkäisyjännitteen jaksonaika
\ puolipalloanalysaattorin resoluutio V gradienttioperaattori
ASAP Ariane Structure for Auxiliary Payload BOL Beginning of Life, toiminnan alkuhetki CPU Central Processing Unit, keskusyksikkö
DSP Digital Signal Processor, digitaalinen signaaliprosessori eV elektronivoltti
GPS Global Positioning System -satelliittipaikannusjärjestelmä HUTSAT Helsinki University of Technology Satellite
ICD Interface Control Document, rajapinnan määrittelyasiakirja IDM Ion Drift Meter, ionivirtausmittari
kbit/s kilobittiä sekunnissa kByte/s kilotavua sekunnissa keV kiloelektronivoltti
MCP MicroChannel Plate, mikr okana vale vy MeV megaelektronivoltti
OBDH Onboard Data Handling, satelliitissa tapahtuva tiedonkäsittely PL/GP Phillips Laboratory / Geophysics Directorate
RPA Retarding Potential Analyzer, hidastuspotentiaalianalysaattori
1. JOHDANTO
Tämä diplomityö käsittelee HUTSAT-mikrosatelliittiprojektia, joka on aloitettu Teknillisen korkeakoulun avaruustekniikan laboratoriossa tammikuussa 1992. Projektin tavoitteena on suunnitella, rakentaa ja laukaista Maata kiertävälle radalle pieni satelliitti ja operoida sitä kiertoradalla laukaisun jälkeen. Toteutuessaan HUTSAT tulee olemaan ensimmäinen Suomessa suunniteltu ja rakennettu kokonainen avaruuslaite; aikaisemmin suomalainen avaruustekninen toiminta on keskittynyt mitta- ja tutkimuslaitteiden sekä alijärjestelmien rakentamiseen suuremmissa, monikansallisissa satelliitti- ja luotainhankkeissa.
HUTSAT-projektin esikuvia ovat muut saman koko- ja painoluokan satelliitit, joita on kuusikymmenluvulta lähtien valmistettu ja laukaistu lähinnä radioamatöörijärjestöjen sekä yliopistojen ja muiden tutkimuslaitosten toimesta. Tunnetuin yliopistosatelliittisarja on englantilainen UoSat, jonka satelliitit rakennetaan Surreyn yliopistossa.
Muita mikro- tai minisatelliittisarjoja ovat mm. kansainvälinen radioamatööriprojekti Phase 3, japanilainen JAS ja pohjois-amerikkalainen Microsat.
Satelliittien luokittelussa koon ja painon mukaan on hiukan ristiriitaisia käytäntöjä. Yleisin lienee seuraava jako: nano satelliitit (<10 kg), mikrosatelliitit (10-100 kg), minisatelliitit (100-500 kg), piensatelliitit (500- 1000 kg) ja suursatelliitit (>1000 kg) /1/. Tässä luokittelussa HUTSAT asettuu UoSat-satelliittien tavoin selkeästi mikrosatelliittien ryhmään.
HUTSATin paino ja mitat määräytyvät siitä, että suunnittelun perustaksi on otettu laukaisu Euroopan Avaruusjärjestön Ariane-rakettiin kuuluvalla ASAP-järjestelmällä (Ariane Structure for Auxiliary Payload). ASAP- spesifikaatioiden mukaan siihen kiinnitettävän satelliitin paino saa olla enintään 50 kg ja ulkomitat enintään 45x45x45 cm /2/. Tällaisia satelliitteja mahtuu ASAP-renkaaseen kuusi.
HUTSAT on ensisijaisesti koulutuksellinen ohjelma, joka tarjoaa avaruustekniikan laboratorion tutkijoille ja opiskelijoille kosketuksen
"oikeaan" satelliittitekniikkaan. Projektiryhmään kuuluu vakituisesti neljä tutkijaa. Lisäksi suuri osa suunnittelu- ja rakennustyöstä teetetään opiskelijoiden harjoitus-, erikois- ja diplomitöinä. Päärahoittajat, Suomen Akatemia ja Teknillinen korkeakoulu, edellyttävät, että HUTSAT tuottaa sijoitetun rahan vastineeksi opinnäytteitä.
Koulutuksellisten tavoitteiden mukaisesti HUTSAT-ohjelman pääpaino on satelliitin rungon ja perustoimintojen kuten energiatalouden, keskustietokoneen ja tietoliikenteen suunnittelussa. Projektin rahoituksen kannalta on kuitenkin edullista, jos satelliitin voidaan sanoa tekevän myös
jotain "hyödyllistä", joten tammikuussa 1993 annettiin tämän kirjoittajalle tehtäväksi selvittää mahdollisuuksia uskottavan hyötykuormakokonaisuuden laatimiseksi. Mitään tarkkaa toimeksiantoa hyötykuorman laadusta tai tehtävästä ei ollut olemassa. Tunnetuista vaihtoehdoista olivat esillä kaukokartoitussovellukset ja hiukkasmittaukset.
Edellinen vaatii kuitenkin joko kontaminaatioherkkiä optisia instrumentteja tai suurikokoisen mikroaaltoantennin /3/, joten se hylättiin. Sitävastoin varattuja hiukkasia voidaan havainnoida pienikokoisilla ja vähän tehoa kuluttavilla laitteilla, jotka sopivat hyvin lennätettäviksi mikrosatelliitilla.
HUTSATin hyötykuormaksi valittiin tieteellisesti suuntautunut hiukkasinstrumentaatio.
2. HUTSAT-SATELLIITIN HIUKKASHYÖTYKUORMA
HUTSATin hiukkasmittalaitteisto koostuu tämän suunnitelman mukaan kolmesta instrumentista, jotka keskittyvät tietyille energia-alueille.
Ioni virtausmittari (Ion Drift Meter, IDM) on hyvin matalaenergisten ionien havainnointiin tarkoitettu laite, joka mittaa termisten ionien tiheyttä, lämpötilaa ja virtaussuuntaa. Sähköstaattisen puolipalloanalysaattorin dynamiikka-alue on noin 0.02 - 30 keV/q ja se toimii tavallaan "2V£- ulotteisesti" eli yksi mittaus tuottaa ionien nopeusjakauman mittaus tasossa, mutta satelliitin hidas pyörimisliike stabilointipuomin suuntaisen akselinsa ympäri kääntää mittaustasoa niin, että aikaa myöten saadaan keskiarvoistettu kuva koko kolmiulotteisesta nopeusjakaumasta. Kolmas instrumentti on korkeaenergisten ionien ja elektronien havainnointiin tarkoitettu hiukkasdosimetri, joka mittaa MeV-alueella ja jonka mittauskulma on satelliitin katon puoleinen puoliavaruus.
Kuhunkin mittalaitteeseen kuuluu yksi tai kaksi satelliitin pintaan asennettavaa anturia ja elektroniikkaosa, joka rakennetaan HUTSAT- standardin mukaisille pienille Euro-kokoisille piirilevyille (160x100 mm).
Laitteet saavat käyttöjännitteensä satelliitin sähköjärjestelmästä ja ne liitetään keskustietokoneeseen sarjaväylän välityksellä. Kaikki komentojen välitys keskustietokoneen ja laitteiden välillä sekä mittausdatan siirto instrumenteista satelliitin keskusmuistiin tapahtuu sarjaväylää pitkin.
Lisäksi sekä antureihin että elektroniikkakorteille sijoitetaan tarpeellinen määrä satelliitin ylläpitojärjestelmään kuuluvia mitta-antureita, joista on omat liitäntänsä ylläpitokorttiin.
2.1. Teho-, massa- ja tilavuusrajoitukset
Mikrosatellii tin pienuus asettaa siihen asennettaville laitteille erittäin tiukat vaatimukset koon, massan ja tehonkulutuksen suhteen. Esitetyn kaltaiset
hiukkasins trumen ti t, joiden tarkkuudelle tai resoluutiolle ei tällä kertaa aseteta mitään kovin kunnianhimoisia vaatimuksia, ovat kuitenkin luonnostaan pienikokoisia ja tulevat toimeen pienellä sähköteholla, joten tässä suhteessa ei tarvitse tehdä mitään suuria uhrauksia.
HUTSATin sähköntuotto tapahtuu aurinkopaneeleissa, jotka peittävät satelliitin neljää sivua ja kattoa. Sähköntuoton teoreettinen maksimi on yli 30 W, mutta käytännössä se vaihtelee satelliitin, Maan ja Auringon keskinäisen aseman ja satelliitin asennon sekä kennojen iän mukaan kahdenkymmenen ja kolmenkymmenen watin välillä. Tämä asettaa rajat myös sähkön kulutukselle. Ylivoimaisesti suurin osa satelliitin sähkötehosta menee tietoliikenteeseen (huipputeho n. 21 W) ja asennon mittaukseen ja säätöön (n.
8 W), jotka ovat satelliitin olemassaolon ja operoinnin kannalta elintärkeitä toimintoja ja sen vuoksi lähes jatkuvasti päällä. Mittausins trumenteis ta kahden amerikkalaisen laitteen, IDM:n ja hiukkasdosimetrin osuus on yhteensä kaksi wattia. Puolipalloanalysaattorille on satelliitin tehobudjetista varattu yksi watti. Todennäköisesti nämäkään tehot eivät ole jatkuvasti laitteiden käytettävissä, vaan mittausta tehdään vain tiettyjen ratakierrosten ajan.
HUTSATin massan maksimiarvo on Arianen ASAP-ohjeiden mukaisesti 50 kg. Suunnitelmissa on todettu, että tämän rajan saavuttaminen ei tuota suuria vaikeuksia (liite 1). Valmistajan ilmoituksen mukaan IDM-laite painaa elektroniikkakortteineen 550 ja hiukkasdosimetri 750 grammaa.
Puolipalloanalysaattorin massaksi on arvioitu yksi kilo, joskaan tällä arviolla ei ole mitään erityisen pitäviä perusteita. Satelliitin kokonaismassa on suunnitelman mukaan vain hiukan yli 44 kiloa, joten arvioiduista massoista on mahdollista joustaa ylöspäin.
Massaa tärkeämpi rajoittava tekijä on sen tilavuuden rajallisuus, joka hyötykuormainstrumenteilla on käytettävissään. Laitteet sijoitetaan satelliitin ylimpään rakennemoduliin, jonka keskellä on suhteellisen suuri, pyöreä aukko stabilointipuomia varten. Modulin sisäkorkeus on noin 104 mm ja sisäsivun pituus 390 mm ja siihen tulee mahtua mittausantureiden lisäksi GPS-vas ta ano tin ja pienoisgyroskooppilaitteisto sekä kaikkien edellämainittujen laitteiden ja magnetometrin elektroniikkakortit.
Valmistajan ilmoituksen mukaan IDM-antureiden yhteenlaskettu tilavuus on 250 cm3 ja hiukkasdosimetrin 150 cm3. IDM-anturit ovat alustavan suunnitelman mukaan lieriömäisiä rasioita, joiden suurin halkaisija on 66 mm, joten korkeussuunnassa niiden sovittaminen hyötykuormamoduliin ei tuota ongelmia. Hiukkasdosimetrin anturin muodosta ei ole vielä tarkkaa tietoa. Puolipalloanalysaattorin anturi on niinikään lieriömäinen ja halkaisijaltaan samaa luokkaa kuin IDM:t.
ELEKTRONIIKKALAATIKOT
IDM-ANTURIT
HIUKKASDOSIMETRI'
PUOLIPALLO- ANALYSAATTORI
AUKKO STABILOINTI- PUOMIA VARTEN
Kuva 2.1.: HUT S AT-satelliitin hyötykuormamoduli muodostaa rakenteen ylimmän kerroksen. Keskellä oleva putki sisältää stabilointipuomin koneistoineen.
Piirilevyjen, joiden sivujen pituudet ovat Euro-standardin mukaisesti 100 x 160 mm, oletetaan olevan korkeussuunnassa joko ns. matalia (enintään 20 mm) tai korkeita (enintään 33 mm). Ionivirtausmittarille on annettu neljä matalaa korttipaikkaa ja puolipalloanalysaattorille ja hiukkasdosimetrille kummallekin kaksi, joista toinen on matala ja toinen korkea.
2.2. Instrumenttien sijoittaminen satelliitissa
Hiukkasmittalaitteet on sijoitettava satelliittiin siten, että havainnointi voi tapahtua esteettömästi eli satelliitin muiden osien geometria ja sähkömagneettiset ominaisuudet vaikuttavat mittaukseen mahdollisimman vähän. Tämä edellyttää antureiden sisäänottogeometrian ja kenttäteoreettisen toiminnan perusteellista tuntemista.
2.2.1. Ionivirtausmittarin anturien sijoitus
Ioni virtausmittarin anturiin kiinnitetyssä koordinaatistossa, jonka origo on apertuuriaukon keskipisteessä anturin etupinnan tasalla ja z-akseli on etupinnan normaalin suuntainen, nimellinen mittaussuunta yhtyy z-akseliin.
Nykyisen suunnitelman mukainen anturi päästää apertuurista sisään sellaiset hiukkaset, joiden nopeusvektorin v1 suunta anturin koordinaatistossa muodostaa korkeintaan 45 asteen kulman z-akselin kanssa.
Tätä kulmaa on merkitty Øplla kuvassa 2.2. Sallitut hiukkasten liikesuunnat ovat kuvan mukaisen suoran ympyräkartion sisällä, joten anturin sijoittamisessa tulee huolehtia siitä, että tämän kartiopinnan sisään ei jää satelliitin muita osia. HUTSATin kuutiomainen muoto tekee asiasta triviaalin eli mikä tahansa paikka satelliitin sivuissa kelpaa.
Mitattavien termisten ionien pieni nopeus tuottaa kuitenkin lisähankaluuksia: anturilla mittaaminen on mielekästä vain silloin, kun sen nimellinen mittaussuunta eroaa satelliitin ratanopeusvektorin suunnasta korkeintaan 30 astetta. Jos satelliitti ei pyörisi stabilointipuomin suuntaisen akselinsa ympäri (spin-liike), IDM-laite ei tarvitsisi kuin yhden anturin, joka sijoitettaisiin satelliitin sille sivulle, joka pidetään suunnattuna ratanopeusvektorin suuntaan.
Lämpösuunnittelun ja puolipalloanalysaattorin
toiminnan takia on kuitenkin suunniteltu, että HUTSAT pyörisi noin yhden kerran ratakierroksessa spin-akselinsa ympäri, jolloin IDM- antureita kannattaa olla ainakin kaksi ja ne asennetaan satelliitin vastakkaisille sivuille. Kutakin anturia käytetään se aika, jona sen katselusuunta on riittävän lähellä ratanopeusvektorin suuntaa; rajaksi tullee edellä mainittu 30°.
Ionien pieni terminen energia asettaa myös tiettyjä vaatimuksia asennuspinnan sähköisille ominaisuuksille. Apertuurin ympäristö täytyy maadoittaa niin suurelta alueelta kuin mahdollista, jotta pintaan kertyvä varaus ei aiheuta häiriökenttiä apertuurin kohdalle. Käytännössä tämä tarkoittanee, että ilmaisimen kohdalta poistetaan yksi tai kaksi aurinkokennoa. Kennojen väliset kytkennät on peitettävä huolellisesti koko paneelissa dielektrisellä maalilla, koska metalliset kytkentäsillat asettuvat siihen potentiaaliin, jota niiden paikka kennosarjassa edustaa; korkeimmat potentiaalit sarjan yläpäässä ovat noin 28 volttia. Näin suuri positiivinen potentiaali vetää puoleensa elektroneja ja hylkii positiivisia ioneja voimalla, joka on samaa suuruusluokkaa ionivirtausmittarin hidastuspotentiaalin kanssa ja estää mielekkäiden mittausten tekemisen /4/.
Kuva 2.2.: Ionivirtausmittarin anturin näkökentän geometria.
2.2.2. Puolipalloanalysaattorin anturin sijoitus
Puolipalloanturin sisäänottogeometria on hiukan monimutkaisempi kuin IDM-laitteiden, koska sen apertuuri kattaa täydet 360 astetta mittaustasossa, joka on anturin "katselusuuntaa" vastaan kohtisuorassa. Katselusuunnalla tarkoitetaan tässä anturin koordinaatiston z-akselia. Tarkasteluja helpottaa kuitenkin IDM:ään verrattuna se, että puolipalloanalysaattorilla mitattavat hiukkaset ovat jo siinä määrin suurienergisiä, että satelliitin oma liike inertiaalikoordinaatistossa vaikuttaa mittaussuuntiin suhteellisen vähän.
Pienin protonienergia, joka ilmaisimella havaittaneen, on noin 10 eV ja tällainen protoni liikkuu jo yli 40 km/s nopeudella, kun satelliitin ratanopeus on noin 7,5 km/s. Suuremmilla hiukkasenergioilla analysaattorin koordinaatisto alkaa hiukkasten kannalta katsottuna vähitellen yhtyä inertiaalikoordinaatistoon.
Anturin sijoituspaikan ja -asennon määrittämiseksi riittää tarkastella hiukkasten liikettä anturiin (=sa tellii ttiin) sidotussa koordinaatistossa samalla tavalla kuin IDM-laitteen tapauksessa. Koordinaatisto kannattaa asettaa siten, että z-akseli osoittaa anturin "katosta" ulos ja xy-taso asettuu kollimaattorilevyjen puoliväliin. Koordinaatiston xy-tasosta voidaan käyttää nimitystä nimellinen mittaustaso. Nimellinen siksi, että mitattavien hiukkasten ei tarvitse liikkua tarkasti tässä tasossa, vaan kollimaattorilevyjen reunojen muoto määrää tietyt rajat hiukkasen liikesuunnan ja nimellisen mittaustason väliselle kulmalle. Reunojen symmetrisyydestä johtuen nämä rajat ovat symmetriset tason suhteen ollen suuruudeltaan noin ± 3,35 astetta, joten sijoituksen kannalta ratkaiseva hiukkasten sisääntulosuuntien rajapinta on suora ympyräkartio, jonka akseli yhtyy anturin z-akseliin ja jonka vaipan ja akselin välinen kulma on 86,65 astetta.
Anturi täytyy joka tapauksessa asentaa satelliittiin siten, että se pistää jonkin verran esiin yhdestä sivusta. Tämä pienentää koko satelliittia kyseisessä suunnassa, koska ASAP-määräysten mukaiset maksimimitat tarkoittavat satelliitin suurinta leveyttä. Edellä määriteltyä kartiopintaa ja satelliitin kulmien koordinaatteja vertaamalla anturin sijoituspaikka ja -asento voidaan optimoida niin, että se pistää mahdollisimman vähän ulos. Analyyttiseen geometriaan perustuva optimointi on esitetty liitteessä 2, ja tuloksena on kuvan 2.3 mukainen asennus. Tällöin hiukkasten sallitut liikesuunnat eivät leikkaa satelliitin rungon muita osia. Kuvan mitat ovat minimiarvoja, joten ulkonemaan kannattanee lisätä noin yhden millimetrin marginaali.
Stabilointipuomi on niin pitkä, että sen "varjo" osuu väistämättä puolipalloanturin apertuurialueeseen. Puomi on kuitenkin niin ohut ja niin kaukana anturista, ettei sen vaikutus ole merkittävä, ja se voidaan tarvittaessa ottaa huomioon tulosten käsittelyssä.
HUTSATin ratakorkeudella (600-1000 km) varattujen hiukkasten liike on magneettikentän voimaviivojen suhteen gyrotrooppista /5/, eli kaikki voimaviivaa vastaan kohtisuorat suunnat ovat samanarvoisia. Siksi riittää, että hiukkasmittalaitteilla voidaan mitata yksi näistä suunnista, jossa
tarkastellaan erityisesti hiukkasten nousukulmaa eli hiukkasen nopeusvektorin ja gyrotropiatason normaalin välistä kulmaa. Lisäksi satelliitin hidas spin-liike pituusakselinsa ympäri kääntää antureita koko ajan eri asentoon, jolloin myös muut kenttää vastaan kohtisuorat suunnat tulevat hiljalleen kartoitetuiksi. Tieto gyrotropian paikkansapitävyydestä lyhyessä aikaskaalassa kuitenkin menetetään. Hiukkasmittausten kannalta satelliitin spin on sitä tervetulleempi mitä nopeampaa se on, mutta ratadynamiikasta johtuen gravitaatiostabilointi ja nopea spin-liike eivät ole yhtä aikaa toteutettavissa.
225 225
\ Modulin seinä Aurinkopaneeli
Kuva 2.3.: Puolipalloanalysaattorin anturin asennus satelliitin sivussa.
2.2.3. Elektroniikkakorttien sijoitus ja johdotus
Mi ttausins tr umenttien elektroniikkakortit sijoitetaan kahteen korttilaatikkoon, jotka sijaitsevat hyötykuormamodulin vastakkaisilla sivuilla. Korttien kiinnitys suunnitellaan vastaamaan niitä lujuus- ja värähtelyominaisuuksia, jotka ovat kelpoisuusvaatimuksina satelliitin hyväksymiselle ASAP-kuljetukseen. Todennäköinen kiinnitysmenetelmä on esitetty kuvassa 2.4. Korttilaatikon reunoihin on työstetty urat, jotka tukevat korttien reunoja ja johtavat komponenttien tuottaman lämmön pois korteilta.
Lisäksi koko korttipakan lävistää neljä ruuvia, jotka kiinnittyvät laatikon seiniin. Korttien välissä olevat holkit pitävät kortit vakioetäisyydellä toisistaan ja välittävät niihin kohdistuvat kiihtyvyys- ja värähtelykuormat laatikkoon ja sen välityksellä modulin runkoon.
Kuva 2.4.: Elektroniikkakortit sijoitetaan alumiinisiin koteloihin. Tässä kuvassa yksi korteista on vedetty puoliksi ulos. Kiinnitysruuveja on kaksi laatikon
kummassakin päässä. Korttien väliin tulee kiinnitysruuvin kohdalle tukiholkit, jotka välittävät tukireaktiot korttilaatikon seiniin.
Kustakin laatikosta näkyy ulospäin vähintään kaksi liitintä, joista toinen on sarjamuotoisen dataväylän liitin ja toista käytetään käyttöjännitteiden jakeluun. Jos elektroniikka sisältää ylläpitomittauksia, jotka käsitellään keskustietokoneen ylläpitomodulissa, niiden johtimia varten tarvitaan oma liittimensä. Lisäksi tulevat mittausantureiden ja elektroniikkakorttien väliset johtimet. Liittimet ovat kulma-D -tyyppisiä. Yleisen luotettavuuden kannalta on parasta, että laitteet tarvitsevat mahdollisimman pienen määrän johtimia liittyäkseen muuhun satelliittiin, koska monimutkaiset liitännät ovat aina herkempiä vikaantumaan. Samasta syystä johdotukset on saatava mahdollisimman lyhyiksi. Kuvassa 2.5 on kaavio hyötykuormalaitteiden keskinäisestä johdotuksesta ja yhteyksistä muuhun satelliittiin. RS-422 - standardi määrittelee vain dataväylällä käytettävien signaalien sähköiset ominaisuudet, joten sisäinen tietoliikennekäytäntö eli protokolla on suunniteltava erikseen. Väylän johdin ten lukumäärä riippuu siitä, sisältyykö lopulliseen toteutukseen erillisiä kontrollisignaaleja. Johdotukset tehdään kierretyistä pareista koostuvilla lattakaapeleilla ja sidotaan kiinni modulin seinissä oleviin kiinnikkeisiin.
CPU / YLLÄPITO
ОCD
yj
OOSIMETRI
BIAS DATA
CPU TEHONSYÖTTÖ
Ri
V)an
□ □ □ m a a a □
DATA PYYHKÄISY JÄNNITE KORKEAJÄNNITE
i—li—Ii—li—i
ö a i
ga
i
DATA □ a □ a Ih a a □ a
LT♦
HIDASTUSPOTENTIAALIN JÄNNITE
—\
CNУ Q
Kuva 2.5.: Hyötykuormalai tt eiden johdotus.
2.3. Muistin ja telemetrian käyttö
Mittausinstrumenttien tuottama data on luonteeltaan sarja lukuja, jotka ilmaisevat, montako havaittua hiukkasta on osunut tiettyyn ilmaisimen osaan tietyssä ajassa. Tuotettava datamäärä riippuu suoraan siitä, kuinka pieniin osiin ilmaisimet on jaettu ja kuinka usein niiden osumamäärät luetaan. Lukemistaajuuteen vaikuttaa myös se, millaista jänniteramppia käytetään niissä mittausmoodeissa, joissa hiukkasenergioiden erottaminen perustuu muuttuvaan analysaattorijännitteeseen. Yhden mitta-anturin tuottama datamäärä D (bit/s) voidaan laskea kaavasta
T
missä p on erillisten ilmaisinsegmenttien (tai kuvaavassa järjestelmässä tallennettavien pikselien) lukumäärää, x on mittausjakson pituus, N on
energiakanavien lukumäärä ja ß on AD-muunnoksen leveys bitteinä. Dataa syntyy sitä enemmän, mitä parempi aika-, energia- ja suuntaresoluutio halutaan. Toisaalta satelliitin datamuistin koko on rajallinen, joten mittausjaksoista tulee sitä lyhyempiä, mitä paremmalla tarkkuudella mittaukset tehdään. On lähdettävä siitä oletuksesta, että satelliitti on maa- aseman näkyvissä vain harvoin: datamuisti ehtii aina täyttyä ennen kuin seuraava maayhteys saadaan ja data voidaan purkaa maa-asemalle.
Ionivirtausmittarin ja hiukkasdosimetrin valmistajan mukaan näiden laitteiden elektroniikka on rakennettu siten, että sen tuottama data on valmiiksi pakattu ja tiivistetty pienimpään mahdolliseen tilaan. Satelliitin keskustietokoneen ei siis tarvitse huolehtia mittausdatan pakkaamisesta. On kuitenkin määritettävä yksiselitteisesti sen muistitilan suuruus (ja ehkä myös sijainti muistiavaruudessa), joka mittalaitteilla on käytettävissään, sekä tiedonsiirtonopeudet niin satelliitin sisäisessä järjestelmässä kuin radioyhteydessä maahan. Telemetriamäärittelyt ovat osa satelliitin ja hyötykuorman sähköistä rajapintaa, jonka määrittäminen on tärkein ja kiireellisin asia HUTSATin hyötykuormaosan systeemisuunnittelussa.
Puolipalloanalysaattorin tuottamaa datamäärää voidaan analysoida seuraavasti. Oletetaan, että anturissa on 16 anodisegmenttiä, joista jokaisen osumamäärä ilmaistaan kahdeksalla bitillä. Yksi jänniteramppi, jonka kesto on t sekuntia, on jaettu N:ään integrointiväliin eli energiakanavaan.
Sekunnissa on tällöin l/т ramppia ja jokaisen rampin aikana luetaan 16 segmenttiä N kertaa, eli dataa syntyy 128N/t bittiä sekunnissa. Tyypillinen tutkijan edellyttämä N:n arvo voisi olla 16 ja rampin taajuus 100 Hz, jolloin datantuotto on 204,8 kbit/s eli 25,6 kByte/s. Tällä vauhdilla koko 16 megatavun kokoisen datamuistin täyttäminen puolipalloanalysaattorin mittausdatalla kestää vain hiukan yli kymmenen minuuttia, joten jonkinlaisia rajoituksia on pakko asettaa. Käytännössä tämä tarkoittaa ramppitaajuuden laskemista, ellei muistiin tallennuksen yhteydessä voida soveltaa jotain kompressioalgoritmia, joka pienentäisi tallennettavan datan määrää.
Muistitilan kulutusta voidaan rajoittaa myös prosessoimalla syntyvää raakadataa jo satelliitin tietokoneessa. Anodisegmenttien osumamäärät antavat sellaisenaan hiukkasten määrälliset suhteet eri energioilla ja nousukulmilla. Anturin kalibroinnista saadaan kerroin, jolla osumamäärät on kerrottava, jotta saadaan hiukkasten todellinen lukumäärätiheys energian ja nousukulman funktiona. Tätä voidaan pitää hiukkasten distribuutiofunktion vastineena, jos oletetaan gyrotropian olevan siinä määrin täydellistä, että mittaustaso antaa edustavan otoksen kaikista gyrotropiatason suunnista. Integroimalla distribuutiofunktio /(v) eri painotuksilla yli nopeusavaruuden saadaan sen momentit /6/, jotka esitetään taulukossa 2.1.
Taulukko 2.1.: Distribuutiofunktion momentit.
momentti integrandi selitys
1. f(v) lukumäärä tiheys
2. vf(y) lukumääräinen vuo (vektori)
3. v*vf(v) liikemäärä tensor i
4. V2vf(v) energiavuo (vektori)
Momenttien laskeminen voi kuitenkin olla työlästä /7/, joten se ei välttämättä onnistu ilman omaa prosessorivoimaa itse instrumentin elektroniikkakortilla. Lähteessä 5 esitelty instrumentti tarvitsi kolme omaa mikroprosessoria pelkkään datan käsittelemiseen.
2.4. Instrumentin ja satelliitin rajapinnan määrittäminen:
Interface Control Document
Hyötykuormalaitteiden ja muun satelliitin sähköinen ja mekaaninen rajapinta määritellään laitekohtaisessa asiakirjassa, joka tunnetaan englanninkielisellä nimellä Interface Control Document eli ICD. HUTSATin tapauksessa asiakirjan pääasiallinen tarkoitus on helpottaa yhteistyötä amerikkalaisen hyötykuorma toimi ttaj an kanssa, koska tällainen käytäntö vastaa NASA:n käyttämää menettelyä. Asiakirjan kuusi lukua ovat:
1. Kattavuus
- mikä instrumentti on kyseessä ja kuka sen valmistaa - erikoiskäsitteiden selitykset
- muut asiakirjat, joita sovelletaan 2. Instrumentin kuvaus
- mittauksen tieteellinen päämäärä - laitteen toiminnalliset osat
- toiminnallisten osien vuorovaikutukset - laitteen toiminta ja sen edellytykset 3. Mekaaninen rajapinta
- massaominaisuudet (massat ja hitausmomentit) - mitoituspiirustukset laitteen ulkoisista osista
- asennus satelliitissa (näkökenttä- ja suuntausvaatimukset ym.) - laitteen rakentamisessa käytetyt materiaalit
4. Ominaisvärähtely- ja lämpöanalyysi - ominaisvärähtelytaajuudet
- laitteen sisäinen lämmöntuotto
- toimintalämpötila ja lämpögradientit 5. Sähköinen rajapinta
- käyttöjännitteet, tehonkulutus ja ylivirtasuojaus
- sarjaväylän sähköiset ominaisuudet ja tietoliikennekäytäntö
- ylläpitomittaukset
- kaikkien sähköisten liitäntöjen kaapeli- ja liitinkuvaukset 6. Rajapinnan testaus ja laadunvarmistus
- testauksen tarkoitus - testausvastuut - testaustoimenpiteet
- käsittely ja puhtausvaatimukset.
Rajapintojen määri ttelyasiakirjan englanninkielinen sisällysluettelo on liitteenä 4. Ioni virtausmittarin osalta ICD-asiakirja pyritään kirjoittamaan valmiiksi vuoden 1993 aikana.
3. MAGNETOSFÄÄRIN TEORIAA
3.1. Magneettikenttä ja magnetosfääri
Maapallon sulien sisäosien liike synnyttää planeetan ympärille magneettikentän, joka on pääpiirteissään dipolikentän muotoinen. Kenttä vuorovaikuttaa voimakkaasti sitä ympäröivän, planeettojenvälisen hiukkas- ja kenttäavaruuden kanssa. Vuorovaikutuksen tuloksena maapallon lähiavaruuteen syntyy sähkömagneettista rakenteisuutta, jossa eri alueet eroavat toisistaan varattujen hiukkasten tiheyden ja liikkeen sekä suurimittakaavaisten virta- ja kenttäilmiöiden esiintymisen suhteen.
Rakenteista kokonaisuutta kutsutaan maapallon magnetosfääriksi (kuva 3.1. ).
Magnetosfäärin uloin kerros on magnetopausi, joka erottaa maapallon vaikutusalueen ympäröivästä aurinkotuulesta ja sen mukanaan kuljettamasta aurinkoperäisestä magneettikentästä. Magnetopausin muoto eroaa suuresti siitä pallosymmetrisestä dipolikentästä, jollainen maapallon kenttä olisi ilman aurinkotuulen vaikutusta. Kenttäkonfiguraatio litistyy auringon puoleiselta osaltaan, koska aurinkotuuli eli jatkuva hiukkasvirtaus auringosta poispäin aiheuttaa magneettista painetta planeetan kenttää vastaan. Auringon suunnassa magnetopausi on tyypillisesti noin kymmenen maan säteen etäisyydellä maan pinnasta. Yön puolella eli auringosta poispäin osoittavassa suunnassa maapallon magneettikenttä venyy pitkäksi pyrstöksi, jonka pituus ei ole tarkasti määritettävissä. Jatkuvat dynaamiset prosessit muuttavat pyrstön muotoa ja aiheuttavat ajoittain ns.
rekombinaation, jossa magneettikentän erisuuntaiset voima viivat yhtyvät tietyssä pyrstön kohdassa ja pyrstön uloin osa irtoaa ja muodostaa vapaasti aurinkotuulessa ajelehtivan plasmapallon /8/. Pyrstön on havaittu ulottuvan jopa kahdensadan maan säteen päähän.
SHOKKIKIN!,
PLASMASFÄÄRI
PYRSTÖ
PLASMAL1 AURINKOTUULI
ISÄTEILYVYÖHYKE JA RENGASVIRTA
Kuva З.1.: Maapallon magnetosfäärin halkileikkaus keskipäivä-keskiyö -tasossa (lähteen 9 mukaan). Merkintä BIMF tarkoittaa planeettojenvälistä magneettikenttää.
Magnetopausi on tyypillinen plasmaympäristöjen rajapinta, jossa kenttien ylläpitämä virtalevy tai -kuori erottaa eri kenttäkonfiguraatiot toisistaan /9/.
Aurinkotuulesta peräisin olevat varatut hiukkaset kuljettavat sähkövirtaa suhteellisen ohuessa plasmakerroksessa, jonka eri puolilla magneettikentällä on eri suunta ja suuruus. Geomagneettisesti hiljaisina aikoina auringon hiukkasemissio on suhteellisen tasaista ja maapallon magneettikentän voimaviivat muodostavat suljetun systeemin, jolloin aurinkotuulen hiukkaset eivät pääse tunkeutumaan magnetopaus in läpi. Kun auringossa tapahtuu suuri hiukkaspurkaus, aurinkotuulen äkilliset muutokset kytkeytyvät maapallon magnetosfääriin siten, että jotkin maapallon kentän kenttäviivat yhtyvät aurinkotuulen mukana liikkuvan interplanetaarisen magneettikentän kenttä viivoihin. Tällaisen ilmiön seurauksena magnetopausi päästää läpi hiukkasryöpyn, joka havaitaan maapallolla lisääntyvänä sähkömagneettisena aktiivisuutena eli ns. geomagneettisena myrskynä.
Magnetosfäärin varatut hiukkaset ovat peräisin pääosin aurinkotuulesta ja maapallon ionosfääristä. Lisäksi suurienerginen kosminen säteily vuorovaikuttaa ilmakehän hiukkasten kanssa ja synnyttää neutroneja, jotka voivat kulkeutua magnetosfäärin muihin osiin ennen spontaania hajoamistaan protoneiksi ja elektroneiksi. Varattujen hiukkasten tiedetään saavan energiaa magnetosfäärin sähkömagneettisista kentistä, joskaan näitä
ns. kiihdytysprosesseja ei tunneta tarkasti. Magnetosfäärin pyrstössä tapahtuu voimakkaita kiihdytysilmiöitä erityisesti rekombinaatioden yhteydessä, jolloin osa hiukkasista syöksyy kenttä viivojen suunnassa kohti maapalloa ja osuu ylemmän ilmakehän molekyyleihin synnyttäen revontulia.
Maapallon ekvaattoritasossa varattujen hiukkasten liike keskittyy tietyille korkeuksille muodostaen säteilyvyöhykkeitä. Alin tällainen ns. Van Alienin vyö koostuu suurienergisistä protoneista (>30 MeV) ja sijaitsee noin 1000- 4000 km:n korkeudessa kapealla leveysastealueella, noin ±20° välillä.
Uloimmat säteilyvyöt koostuvat sekä protoneista että elektroneista ja voivat ulottua auringon puolella lähelle magnetopausia. Säteilyvyöhykkeiden hiukkaset kuljettavat maapalloa kiertäviä rengasvirtoja, joiden suuruus voi olla aktiivisena aikana miljoonia ampeereja /9/.
Auringon ultraviolettisäteily ionisoi ilmakehän yläosan atomeja ja molekyylejä. Noin 60 km:n korkeudesta ylöspäin ilmakehän kaasu on niin harvaa, että syntyvät ionit eivät rekombinoidu välittömästi törmäysten vaikutuksesta vaan osa kaasusta on jatkuvasti ionisoituneessa tilassa. Mitä korkeammalle mennään sitä harvempaa kaasu on ja sitä suurempi on pysyvä varattujen hiukkasten osuus. Tätä ilmakehän ionipitoista yläosaa kutsutaan yleisesti ionosfääriksi, mutta käsitteen laajuus vaihtelee eri lähteissä.
Tavallisesti mainitaan myös käsite plasmasfääri, joka sisältää maapallon mukana pyörivän eli ns. korotationaalisen plasman ja ulottuu noin 3-4 maan säteen etäisyydelle /9/,/10/. Tällöin ionosfäärillä tarkoitetaan sitä plasmapausin osaa, jossa varattujen hiukkasten törmäykset neutraaleihin hiukkasiin ja toisiinsa ovat merkittäviä ja plasman johtavuus näin ollen äärellinen. Plasmasfäärin (vaikeasti määriteltävää) ylärajaa sanotaan plasmapausiksi /8/.
Ionosfääri toimii aurinkotuulen ohella magnetosfäärin ilmiöihin osallistuvien varattujen hiukkasten lähteenä /10/. Se on ajoittain myös vastaanottava osapuoli; revontuli-ilmiöissä ulomman magnetosfäärin energeettisiä hiukkasia syöksyy ionosfääriin, jossa ne menettävät energiansa törmäysten kautta. Myös magneettisesti hiljaisina aikoina ionosfääri kytkeytyy magnetosfäärin ulompien osien tapahtumiin erilaisten virtajärjestelmien kautta. Koska ionosfäärin johtavuus on äärellinen, sillä on merkittävä kuormavastuksen osa näissä virtajärjestelmissä. Magnetosfäärin ulompien osien täydellisesti ionisoitunut plasma on niin harvaa, ettei hiukkasten välillä ole merkittäviä törmäysvuorovaikutuksia ja johtavuus voidaan näin ollen arvioida äärettömäksi.
3.2. Magnetosfäärin virtajärjestelmät
Varattujen hiukkasten kollektiivinen liike magnetosfäärin sähkömagneettisissa kentissä synnyttää suurimittakaavaisia sähkövirtoja.
Induktiolain mukaisesti nämä virrat luovat ympärilleen kenttiä, ja lopullinen kenttä-, varaus- ja hiukkaskonfiguraatio onkin monimutkainen superpositio eri ilmiöistä, jotka vuorovaikuttavat dynaamisesti keskenään. Virtalevyillä, - kuorilla ja -renkailla on tärkeä osuus magnetosfäärin stabiilin perusrakenteen ylläpitäjinä /9/.
Magnetosfäärin virrat voidaan ryhmitellä esiintymisensä mukaisesti seuraaviin ryhmiin /8/:
• rajapintojen virrat
virtalevyt, jotka erottavat törmääviä magneettikenttiä esimerkiksi magnetopausissa
• rengasvirrat
varattujen hiukkasten kollektiivisesta ajautumisesta eli driftistä aiheutuvat suljetut virrat
• törmäyshäviölliset virrat
ionosfäärissä esiintyvät virrat, joita kuljettavat hiukkaset vaihtavat liikemäärää törmäysten kautta
• kentänsuuntaiset virrat
magneettikentän voimaviivojen suunnassa kulkevat virrat, jotka kytkevät magnetosfäärin ulommat osat ionosfäärin horisontaalisiin virtoihin
• pyrstö virrat
magnetosfäärin pyrstön rakennetta ylläpitävät virtalevyt ja -kuoret.
Varattujen hiukkasten esiintymistä mittaavat laitteet kertovat periaatteessa suoraan virta tiheyden mittausalueella. Sen absoluuttiseksi määrittämiseksi täytyy kuitenkin saada mitatuksi kaikki hiukkastyypit nollaenergiasta relativistisiin nopeuksiin asti. HUTSATissa tähän on pyritty valitsemalla instrumenteiksi kolme erityyppistä laitetta, jotka kattavat energia-alueesta ne osat, joita instrumentteja ehdottaneet tutkijat pitävät tärkeimpinä.
HUTSATin kaavailtu lentokorkeus, 600-1000 km, merkitsee, että sillä voidaan kartoittaa kentänsuuntaisia virtoja, jotka esiintyvät pääasiassa korkeilla leveysasteilla. Matalaenergisten ionien osalta toinen mielenkiintoinen alue on päiväntasaajan ympäristö, jossa ionit virtaavat ylöspäin. Mittausten merkityksen ymmärtämiseksi on tunnettava mitattujen ilmiöiden yhteys magnetosfäärin muodostamaan kokonaisuuteen.
HUTSATin hiukkasinstrumentaatiolla saadaan tietoa siitä, millä leveysasteilla kentänsuuntaisia virtoja esiintyy ja missä määrin virtojen esiintymisalueet ja intensiteetit vaihtelevat geomagneettisesti erilaisina aikoina.
3.3. Varattujen hiukkasten liike; kulkeutumisilmiöt
Avaruuden suurimittakaavaiset virtajärjestelmät syntyvät plasman varattujen hiukkasten kollektiivisesta liikkeestä. Jotta voitaisiin tutkia virtajärjestelmiä hiukkasmittausten perusteella, on tiedettävä, miten varatut hiukkaset liikkuvat maapallon yhdistetyssä magneetti- ja gravitaatiokentässä. Oletetaan aluksi, että nopeudella v liikkuvaan hiukkaseen, jonka varaus on c¡ ja massa on m, vaikuttaa vain magneettikenttä B. Tällöin sen Lorentzin liikeyhtälö on
d\ , ,.x
m— = £/(vxB) (3-1)
at
Ottamalla (3-l):n pistetulo hiukkasen nopeuden v kanssa saadaan säilymislaki /9/
mv-— = ov-(vxB) dt
d( 1 2
— —mv
dtV 2 = 0
(3-2) (3-3) joka kertoo, että hiukkasen kineettinen energia ei muutu magneettikentän vaikutuksesta. Tämä on vahva tulos, joka pätee mielivaltaiselle magneettikentälle. Liikeyhtälön (3-1) tarkastelu helpottuu, jos nopeus v jaetaan kentän suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin ja esitetään niiden vektorisummana, v = vH + vx. Saadaan yhtälöpari
dt
d\ i q / _ч
—- = —(v, xB dt m 1
(3-4)
eli magneettikentän aiheuttama muutos hiukkasen nopeusvektoriin on aina kohtisuorassa kenttää ja nopeuden kohtisuoraa komponenttia vastaan.
Lisäksi muutoksen etumerkki riippuu hiukkasen varauksesta.
Homogeenisessa magneettikentässä hiukkasen rata on ruuviviiva, ja erimerkkiset hiukkaset kiertävät magneettikentän voimaviivoja eri suuntiin.
Magneettikentän lisäksi plasmaympäristössä voi vaikuttaa sähkökenttä E, joka myös jaetaan käsittelyn helpottamiseksi magneettikenttän suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin, E = EH + . Itsensä suunnassa magneettikenttä (3-4):n mukaisesti ei vaikuta, joten liikeyhtälöt ovat
dyi dt
— = -(Ei+ViXB)
dt m 1 1
(3-5)
Tämän differentiaaliyhtälöparin ratkaisut ovat muotoa v = u + —r— ExB
B2 (3-6)
missä u toteuttaa ehdon du/dt = (q/m)uxB. Sähkö- ja magneettikentän yhteisvaikutuksesta syntyy hiukkasvirtausta sekä magneettikentän suuntaan (u) että sitä ja sähkökenttää vastaan kohtisuoraan suuntaan (ExB -termi).
Jälkimmäinen, ExB -kulkeutumiseksi nimitetty termi ei ole riippuvainen hiukkasten varauksesta, joten sen aiheuttama liike on samanlainen elektroneille ja positiivisille ioneille.
Myös maapallon gravitaatiokenttä vaikuttaa varattujen hiukkasten liikkeeseen /9/. Sen tuloksena syntyy ns. gravitaatiokulkeutuminen wg:
wg m gxB
~q В2 (3-7)
Muita kulkeutumismekanismeja ovat sähkökentän hitaista ajallisista muutoksista johtuva polarisaatioefekti sekä magneettikentän kaareutumisesta ja magneettivuon tiheyden gradientis ta johtuva kulkeutuminen, joiden lausekkeet ovat /9/
polarisaatio: m ЭЕ Wp " qB2 dt kaarevuus:
gradientti: wVß =-—,J--(Bx Vß) Vß 2 qB'
Varatun hiukkasen liiketiloista suuruudeltaan merkittävimpiä ovat ruuviliike (3-4) ja ExB -kulkeutuminen (3-6) /8/. Yhtälön (3-6) mukaista, superponoidun sähkö- ja magneettikentän aiheuttamaa ja hiukkasen varauksesta riippumatonta kulkeutumista ei tule sekoittaa hiukkasilmaisimien sisällä vallitsevaan tilanteeseen, jossa sähkökentän voimakkuus on useita kertaluokkia suurempi kuin plasmassa esiintyvät sähkömagneettiset kentät; tällöin ilmaisimen sähkökenttä on käytännöllisesti
katsoen ainoa hiukkaseen vaikuttava voima ja sen vaikutuksesta positiiviset ja negatiiviset hiukkaset käyttäytyvät eri tavalla.
3.4. Hiukkasmittaukset magnetosfäärissä
Geofysikaalinen magnetosfääritutkimus tähtää maapallon geomagneettisen ympäristön ymmärtämiseen ja sen toiminnan mallintamiseen.
, Magnetosfäärin eri osatekijöiden synnystä, toiminnasta ja vuorovaikutuksista on olemassa lukuisia teorioita ja malleja, jotka ovat osittain ristiriitaisia keskenään ja kilpailevat kannatuksesta. Teorioiden paremmuutta mitataan sillä, miten hyvin niiden antamat tulokset sopivat yhteen paikan päällä tehtyjen mittausten kanssa. Tästä saadaan vankin (ainoa?) perustelu magnetosfääriä havainnoivien mittalaitteiden lähettämiselle avaruuteen: niillä hankitaan vertailuaineistoa, joka ratkaisee, minkälaista fysikaalista selitystä lähiavaruutemme toiminnasta voidaan pitää uskotta vimpana.
Satelliiteista tehtävällä hiukkasmittauksella on kaksi "taktista" tarkoitusta /5/. Ensinnäkin sillä kartoitetaan itse hiukkasten käyttäytymistä:
esiintymistiheyttä, eri ionien suhteellisia osuuksia koko populaatiosta sekä hiukkasvirran suuntaa. Toiseksi, yhdistämällä hiukkasvirtauksen nopeus- ja suuntamittaus samanaikaiseen magneettikentän suunta- ja suuruusmittaukseen voidaan laskea paikallisen sähkökentän suunta ja voimakkuus. Laskenta perustuu hiukkasten liikedynamiikkaan, jota selostettiin tarkemmin edellä. Hiukkasten nopeusvektorin tärkein komponentti on verrannollinen paikallisen sähkö- ja magneettikenttävektorin ristituloon. Laskemalla saatua sähkökenttää voidaan käyttää vertailukohtana, kun tutkitaan magnetosfäärin kenttäteoreettista mallintamista.
Magnetosfäärin varattujen hiukkasten energiat vaihtelevat termisestä (lähes nollaenergiasta) satoihin MeV:eihin. Energeettisesti kattava mittaus vaatii useita erityyppisiä mittalaitteita, koska varatun hiukkasen vuorovaikutusmekanismi analysaattorimateriaalin kanssa riippuu hiukkasen energiasta. Lisäksi mittaajan mahdollisuudet vaikuttaa hiukkasen rataan mittalaitteessa esimerkiksi suuntatiedon hankkimiseksi ovat sitä pienemmät, mitä suurempi alkuenergia hiukkasella on. Eri energia-alueiden hiukkasilla on myös erilainen merkitys tutkimustulosten käytön kannalta: tämä sanelee erityisesti sen, mitkä energiat valitaan instrumenttien painopistealueiksi.
Koska yhden hiukkasen varaus on niin pieni, ettei sitä voida sellaisenaan havaita, varsinainen hiukkasdetektointi tapahtuu osuman synnyttämien sekundäärihiukkas ten avulla. Tavallisessa detektori- eli ilmaisinmateriaalissa on jokin helposti sekundäärielektroneja emittoiva osa, johon havaittava hiukkanen osuu. Sekundäärielektroneja kiihdytetään sähkökentässä siten, että ne törmäilevät edelleen ilmaisinmateriaalin
atomeihin irrottaen yhä lisää sekundäärielektroneja, kunnes on saavutettu noin 107-ker täinen varauksen vahvistus. Elektroni vyöry osuu anodimateriaaliin ja sen synnyttämä negatiivinen varauspulssi havaitaan varausherkällä vahvistimella. Saturaatiotyyppisessä ilmaisimessa pulssin suuruus ei riipu merkittävästi alkuperäisen hiukkasen energiasta, jolloin se havaitaan vain merkkinä osumasta ja hiukkaslaskurin lukemaan lisätään yksi. Verrannollisuuslaskurissa mitataan myös elektronien kuljettaman varauspulssin suuruus, joka on verrannollinen primäärihiukkasen energiaan. Jälkimmäinen menetelmä on yleensä mahdollista vain puolijohdeilmaisimilla ja kohinan takia sillä voidaan mitata vain suurienergisiä hiukkasia, jos ilmaisinta ei voida jäähdyttää.
Saturaatiotyyppisen ilmaisimen käyttö edellyttää, että hiukkasten energia- tai massaerottelu tai molemmat tehdään jollain sähkömagneettisella menetelmällä. Ilmaisimen eteen rakennetaan erotteluosa, jonka sähkömagneettisen kentän suuruutta ja/tai suuntaa voidaan vaihdella niin, että vain tietyt energia- massa- ja varausehdot täyttävä hiukkanen pääsee ilmaisimelle asti. Vaihtoehtoisesti, jos ilmaisin on riittävän iso tai sen paikkaerotuskyky riittävän hyvä, sähkömagneettisella kentällä voidaan aiheuttaa eri nopeudella liikkuville hiukkasille erilainen poikkeama liikesuunnasta, jolloin niiden osumakohta ilmaisimessa vastaa niiden alkuenergiaa. Myös näiden kahden menetelmän, diskriminoinnin ja poikkeutuksen, yhdistäminen on mahdollista.
Sähkömagneettinen kenttä vaikuttaa varattuun hiukkaseen Loren tzin voimalla
F = <7(E + vxB) (3-20)
missä E on sähkökenttä, v on hiukkasen nopeus ja В on magneettivuon tiheys. Tarkastellaan esimerkkitapausta, jossa hiukkanen etenee aluksi z- suuntaan, sähkökenttä on у-suun täinen ja magneettikenttä x-suuntainen. Jos kirjoitetaan sama lauseke siten, että nopeus v esitetään hiukkasen (epärelativistisen) liike-energian S avulla ja eri voimien vaikutus erotellaan selvemmin,
(3-21) nähdään, että sähkökentän vaikutus hiukkasen liiketilaan riippuu vain sen varauksesta eikä ollenkaan sen massasta. Hiukkasen radan kaarevuussäde on homogeenisessa sähkökentässä
2£_
qE (3-22)
ja homogeenisessa magneettikentässä
rB-
yj2£m
~qb~ (3-23)
Näin ollen kaikki hiukkaset, joiden energia/varaus -suhde on sama, käyttäytyvät sähkökentässä samalla tavalla eikä niitä voida erottaa toisistaan. Magneettikentässä sen sijaan hiukkasen käyttäytyminen riippuu energian ja varauksen lisäksi sen massasta, joten magneeteista voi rakentaa massaspektrometrin.
Kaikki HUTS Aliin tulevat hiukkasmittalaitteet perustuvat sähkökenttään, joskin hiukka sdo sirne trissa kenttää käytetään vain puolijohdemateriaalissa syntyvän vapaan varauksen keräämiseen. Mikään ei sinänsä estä käyttämästä mikro- tai piensatelliitin laitteistossa myös magneettikenttälaitteita, kunhan suunnittelussa kiinnitetään riittävästi huomiota siihen, ettei instrumentin vaatimista kestomagneeteista kerry liikaa painoa eikä niiden kenttä aiheuta häiriöitä muihin mittauksiin, esimerkiksi magnetometrin toimintaan. Syksyllä 1992 laukaistussa Freja-satelliitissa on yhdistetty sähkömagneettinen analysaattori /11/ ja muitakin mielenkiintoisia laitteita on esitelty /12/, /13/.
4. IONIVIRTAUSMITTARI JA HIUKKASDOSIMETRI
4.1. Toimitussopimuksen pääkohdat
Ioni virtausmittari ja hiukkasdosimetri edustavat HUTSAT-ohjelmassa kansainvälistä tiedeyhteistyötä. Niiden suunnittelusta, rakentamisesta ja rahoituksesta vastaa Yhdysvaltain ilmavoimien alainen Phillips-laboratorion Geofysiikan tutkimuslaitos, josta käytetään tässä lyhennettä PL/GP.
Yhteyshenkilöinä PL/GP:ssä ovat Ph.D. David Hardy ja Ph.D. Frederick J.
Rich.
Laitteiden toimittamista koskeva sopimus on luonnosteltu 9.6. 1993 ja se allekirjoitettaneen mahdollisten muutosten jälkeen loppukesästä samana vuonna. Pääperiaate on se, että rahaa ei siirry kumpaankaan suuntaan, vaan sopimuspuolet vastaavat itse omista kustannuksistaan. Sopimusluonnoksen mukaan HUTSAT-projektin vastuulla ovat seuraavat asiat:
• itse satelliitin suunnittelu ja valmistus
• projektin johto ja tekninen konsultointi PL/GP:n suuntaan
• instrumenttien integroinnin järjestäminen satelliittiin
• sähköisen ja mekaanisen rajapinnan määritys
• instrumenttien kannalta oleellisten testaussuunnitelmien ja -aikataulujen toimittaminen PL/GP:lle
• PL/GP:n esittämien suunnitelmien arviointi HUTSAT-kelpoisuuden kannalta
• satelliitin saattaminen radalleen
• instrumenttien tuottaman datan sekä muiden tarvittavien mittaustietojen toimittaminen PL/GP:lle.
PL/GP:n vastuulla ovat seuraavat asiat:
• instrumenttien suunnittelu ja valmistus sekä tämän toiminnan rahoitus
• rajapintamäärittelyn tukeminen
• osallistuminen tarvittaviin suunnittelukokouksiin
• toiminnallisen testaussuunnitelman laatiminen instrumenteille
• instrumenttien toimittaminen HUTSAT-projektille
• instrumenttien integroinnin ja testauksen tukeminen sekä laukaisuvalmistelut
• tarvittava instrumenttien huolto-, säilytys- ja korjaustoiminta ennen laukaisua
• laitekuvausten ja kalibrointiasiakirjojen toimittaminen HUTSAT- projektille
• laitekohtaisen dokumentoinnin toimittaminen HUTSAT-projektille
• satelliitin testaussuunnitelmien arviointi instrumenttivalmistajan kannalta.
Aikataulu haluttiin sovittaa HUTSAT-projektin aikatauluun siten, että insinöörimallia varten valmistettava simulaattori/prototyyppi toimitetaan viimeistään 1. joulukuuta 1994 ja lentomalli viimeistään 1. kesäkuuta 1996.
Koska molemmilla sopimuspuolilla oli sopimuksen kirjoittamisaikaan epävarmuutta rahoituksen suhteen, sopimukseen liitettiin pykälä, jonka mukaan molemmilla on oikeus vetäytyä sopimuksen edellyttämistä sitoumuksista 30 päivän varoitusajalla kirjallisen ilmoituksen jälkeen. Tällöin kaikki jo toimitettu materiaali palautetaan alkuperäiselle omistajalleen.
Sopimusluonnos on liitteenä 3.
4.2. IDM:n rakenne ja toiminta
Tässä kappaleessa voidaan käsitellä vain PL/GP:n ionivirtausmittarin rakennetta ja toimintaa, koska HUTSATiin asennettavan hiukka sdosime tr in suunnittelua ei ole vielä aloitettu (kesäkuun 1993 tilanne).
Ionivirtausmittarin yhteydessä tulisi oikeastaan puhua ionivirtausmittari- hidastuspotentiaalianalysaattori -hybridistä (Ion Drift Meter - Retarding Potential Analyzer Hybride, IDM/RPA), koska PL/GP:n laite toimii
vuorotellen kahdessa moodissa. Lyhyyden vuoksi käytetään kuitenkin vain ensimmäisen moodin nimeä tai IDM-lyhennettä.
IDM on sähköstaattinen hiukkasanalysaattori, jolla mitataan termisten varattujen hiukkasten virtaussuuntaa, tiheyttä ja lämpötilaa /14/.
Ionosfäärin yläosassa termisellä tarkoitetaan hyvin pienienergisiä hiukkasia:
tyypillinen varattujen hiukkasten terminen nopeus on korkeintaan muutamia kilometrejä sekunnissa /4/. PL/GP:n laite mittaa ioneja, joiden nopeus maapallon koordinaatistossa on korkeintaan ±2,5 km/s. Sen kaksi toimintamoodia ovat RPA-moodi, jossa käytetään muuttuvaa hidastusjännitettä ionien tiheyden ja lämpötilan määrittämiseen, ja IDM- eli ns. kuvaava moodi, jossa etsitään hiukkasvirran muodostaman kuvion intensiteettimaksimi ilmaisinlevyllä ja päätellään siitä hiukkasten virtaussuunta.
25 mm
APERTUURI
ANODIT MCP
Kuva 4.1.: lonivirtausmittarin anturin poikkileikkaus /4/.
Laite on rakenteeltaan lieriömäinen (kuva 4.1). Sen etupinnassa on pieni apertuurireikä, jonka halkaisijaa muuttamalla voidaan säätää laitteen
geometristä tekijää eli käytännössä sitä hiukkastiheyttä, jolle toiminta halutaan optimoida. Apertuurin takana on hilarakenne, jolla hidastuspotentiaali muodostetaan. Sen takana on kuppimainen tila, jossa vallitsevien sähkökenttien ansiosta hiukkasten lentorata kaartuu niin, että ne osuvat mikrokanavalevyyn, joka toimii hiukkasilmaisimena.
Mikrokanavalevyn eli MCP:n (MicroChannel Plate) alla on kiila-raita - tyyppinen anodirakenne (wedge-strip anode), joka rekisteröi MCP:n tuottamat elektroniryöpyt.
Perinteisissä hidastuspotentiaalianalysaattoreissa hila muodostuu peräkkäisistä tasomaisista metalliverkoista, joita voi olla kahdesta neljään ja joista osa on maapotentiaalissa ja yhteen johdetaan varsinainen hidastusjännite. Rakenteen haittapuolena on se, että tasapotentiaalipinnat ovat tasomaisia ja hidastavat vain hiukkasen nopeuden sitä komponenttia, joka on niitä vastaan kohtisuorassa /14/. PL/GP:n uudessa hilarakenteessa tasapotentiaalipinnoista on tehty pallomaisia, jolloin viistosti laitteen sisään osuvat hiukkaset hidastuvat samalla tavoin kuin kohtisuoraan osuvat, mikä leventää laitteen sisäänottokartiota eli sallittuja hiukkasten liikesuuntia.
Hidastuspotentiaali muodostetaan ramppijännitteellä, joka on PL/GP:n laitteessa 0-32 V. Mitä suurempi jännite on, sitä pienempi osa hiukkasista pääsee analysaattorin sisään. Mittaamalla sisään päässeiden hiukkasten määrää koko rampin ajan saadaan tavallaan hiukkastiheyden kertymäfunktio energian suhteen, mistä voidaan laskemalla selvittää hiukkas tiheys eri energioilla. Vallitseva hiukkaslämpötila vastaa tiheysfunktion maksimiarvoa.
Kuvaavassa moodissa hidastusjännite pidetään vakiona niin pienessä arvossa, että vallitseva hiukkas virtaus pääsee ilmaisimelle asti.
Mikrokanavalevyssä käytetty korkeajännite aiheuttaa laitteen sisään sähkökentän, joka pakottaa hiukkaset kaareville radoille (kuva 4.2).
Kohtisuoraan sisään tulleet hiukkaset osuvat MCP-renkaan ulkoreunaan ja viistosti sisään tulleet lähemmäksi renkaan keskipistettä. Hiukkasvirtauksen atsimuuttisuunta eli kiertymä apertuurin normaalin ympäri kuvautuu atsimuutiksi MCP-renkaalla. Jos hiukkasvirtauksella on hyvin määritelty suunta, suurimmalla osalla hiukkasista on lähes sama atsimuutti- ja osumakulma apertuurin normaaliin nähden, jolloin MCP:lle muodostuu vallitsevaa hiukkasvirtausta kuvaava maksimipiste. Anodirakenteen lukemista ohjataan siten, että vain maksimipistettä ympäröivä osumajakauma tallennetaan muistiin.
Kuva 4.2.: SIMION-simulaatio varattujen hiukkasten radoista IDM-anturin sisällä /14/.
Hiukkaset tulevat anturiin vasemman sivun keskellä olevasta apertuurireiästä.
4.3. Osumasuuntien tarkastelu
Antureiden sijoittamista satelliittiin käsittelevässä kappaleessa todettiin, että PL/GP:n nykyisen suunnitelman mukainen IDM-laite päästää sisään hiukkaset, joiden liikesuunta muodostaa korkeintaan 45 asteen kulman apertuurin normaalin kanssa anturiin sidotussa koordinaatistossa. Satelliitin lentäessä radallaan voidaan johtaa rajoittava ehto hiukkasten liikesuunnalle inertiaalikoordinaatistossa tai maapallon koordinaatistossa. Jos anturi itse liikkuu (satelliitin mukana) inertiaalikoordinaatiston suhteen nopeudella v0, joka eroaa anturin koordinaatiston z-akselista kulman 0O verran (anturi
katsoo 0o:n verran sivuun satelliitin kulkusuunnasta), hiukkasen nopeus inertiaalikoordinaatistossa on v2 = v1 + v0 (kuva 4.3.). Hiukkasen nopeusvektorin v2 ja satelliitin inertiaalinopeuden v0 välillä on kulma 02, jota rajoittava ehto riippuu hiukkasen nopeusvektorin suuruudesta ja kulmasta 0 o- Tarkastellaan seuraavassa vain erikoistapausta, jossa anturi katsoo suoraan satelliitin kulkusuuntaan eli anturikoordinaatiston z- akselin suunta yhtyy satelliitin inertiaalinopeuden v0 suuntaan.
v„-z = v0
V2 =V,+V0
(v0llz)
v2-v0 =(v1+v0)-v0 =(v,-v0) + v02 =V1VoCOS01 + ’
<=> v2v0 cos 02 = v,v0 cos 0, + v2 »l =(V0+V2-2voV2 COS02)' cos6 (v e ^ _ Vq Sin2 0! ±COS0lA/-V2 + V2 +V2 cos2^
(4-2) (4-3) (4-4) (4-5)
(4-6)
Lausekkeesta (4-6) saadaan siis kulma 02, jonka vauhdilla v2 liikkuvan hiukkasen nopeusvektori muodostaa satelliitin liikesuunnan kanssa.
Lauseketta voidaan käyttää rajakulman laskemiseen: sijoitetaan 0pn paikalle suurin mahdollinen sisäänottokulma analysaattorin koordinaatistossa ja lasketaan tästä 02:n raja-arvo eri energisille hiukkasille (eri nopeuksille v2).
Koska tämä anturi mittaa vain termisiä ioneja, sekä satelliitin että hiukkasten nopeudet ovat turvallisesti epärelativistisella alueella.
Edellä esitetty lasku on esimerkki siitä geometrisesta laskennasta, joka joudutaan tekemään, kun instrumentin antamia mittaustuloksia käsitellään;
jokaiseen mittaustulokseen tulee pystyä liittämään tieto satelliitin senhetkisestä asennosta. Laskettu erikoistapaus edustaa parasta mahdollista tilannetta ionivirtausmittarin kannalta, koska laite katsoo suoraan satelliitin kulkusuuntaan.
4.4. Arvio laitteiden antamista tuloksista
Termisten ionien konvektiivinen virtaus plasmasfäärissä on jatkuva ilmiö, jota ohjaa maapallon magneettikenttä ja sen ja plasmailmiöiden vuorovaikutuksen indusoima sähkökenttä. Erityisen mielenkiintoisia alueita termisten ionien mittaamisen kannalta ovat päiväntasaajan seutu, jossa hiukkaset virtaavat ylöspäin, ja revontulialue, missä hiukkasvirtojen dynamiikka on läheisessä yhteydessä revontuli-ilmiöihin /15/.
Hiukkasvuon tiheys on hiljaisilla alueilla 102 - 103 ja suurimmillaan yli 106 mitattuna yksiköissä (cm2-s-ster eV)1. IDM:llä voidaan tutkia esimerkiksi sitä, miten vaakasuorat hiukkasvirtaukset revontulten alueella kytkeytyvät aurinkotuulesta peräisin olevan liikemäärän ja energian kulkeutumiseen magnetosfäärin sisäosissa.
MeV-alueen hiukkaset, jotka syöksyvät alaspäin magneettikentän voimaviivojen suuntaisesti maapallon kalottialueilla, ovat merkkejä maapallon magneettikentän hetkellisestä kytkeytymisestä aurinkotuulen mukana kulkeutuvan magneettikentän kenttäviivoihin. Hiukkasdosimetrillä voidaan selvittää kytkeytyvien kenttä viivojen sijainti maapallon kentässä ja tutkia geomagneettisten myrskyjen aiheuttamaa vaihtelua energeettisten hiukkasten määrässä. Dosimetri antaa myös osaltaan tietoa satelliitin elektronisiin komponentteihin kohdistuvasta säteilyrasituksesta, minkä merkittävyyttä lisää se, että kustannussyistä HUTS Alissa tullaan käyttämään ei-kriittisinä komponentteina tavallisia, avaruuskäyttöön hyväksymättömiä osia. Tavallisista komponenteista koottujen laitteiden lennättäminen toimii tavallaan myös teknisenä testinä elektroniikan säteilykestävyydelle.
4.5. IDM:n sähköinen ja mekaaninen liittäminen satelliittiin Ioni virtausmittari ja hiukkasdosimetri sijoitetaan puolipalloanalysaattorin tavoin satelliitin hyötykuormamoduliin. IDM-anturit kiinnitetään modulin vastakkaisiin seiniin ja niitä varten tehdään reiät satelliitin aurinkopaneeleihin. Anturien asentoa ja kiinnityskohtaa on käsitelty tarkemmin kappaleessa 2.2.1. Elektroniikkakortit, joita laitteiden kiintiöön kuuluu yhteensä kuusi, sijoitetaan modulin korttikoteloihin. Korttien
sijoituksen suunnittelussa on huomioitava, että puolipallolaitteen ja IDM- anturien mikrokanavalevyt käyttävät samaa korkeajännitelähdettä.
Mikrokanavalevyjen ja puolipalloanalysaattorin pyyhkäisyjännitteen korkeajännitelähteet saavat käyttöjännitteensä joko satelliitin energiajärjestelmän ±12 voltin linjoista tai erillisestä +25 voltin linjasta.
Pienjännite-elektroniikka, joka käsittää kaikki laitteiden sähköiset osat MCP:itä lukuunottamatta, kytketään tehonjakelujärjestelmän reguloituihin +5 ja ±12 voltin käyttöjännitelinjoihin. Jännitejohdot kahdennetaan tarpeellisen redundanssin aikaansaamiseksi ja varustetaan asiaankuuluvilla valvonta- ja kytkentäpiireillä, koska mahdollisessa vikatilanteessa satelliitin keskusyksikön on kyettävä irrottamaan vikaantunut instrumentti kaikista virtapiireistä, joissa sen hyödytön tai kohtuuttoman suureksi kasvanut tehonkulutus haittaa muiden laitteiden toimintaa.
Mittausdatan siirto sekä keskusyksikön ja instrumenttielektroniikan välinen komentoyhteys tapahtuu satelliitin sarjaväylää pitkin. Väylän sähköinen standardi on RS-422 ja tiedonsiirtokäytäntö muodostetaan HDLC- kehysrakenteen mukaiseksi.
5. PUOLIPALLOANALYSAATTORI
Pallonkuoren muotoisilla elektrodeilla toteutettu, radiaaliseen staattiseen sähkökenttään perustuva laite erottelee sen läpi kulkevat varatut hiukkaset niiden S/q -suhteen mukaan. Sisäkkäisten elektrodien väliin jäävässä tilassa sähkökentän suunta on aina kohti pallonkuorten yhteistä keskipistettä, joten varattu hiukkanen liikkuu keskeisvoiman vaikutuksen alaisena ja sen rata voidaan ratkaista analyyttisesti. Matemaattisen hallittavuuden ja yksinkertaisen rakenteensa ansiosta tämä ilmaisin tyyppi on eri variaatioineen hyvin suosittu vaihtoehto mitattaessa keV-alueen hiukkasia /7/, /11/, /12/, /13/, /16/, /17/, /18/. Pienikokoisen puolipallolaitteen mittausalue osuu sopivasti IDM:n ja hiukkasdosimetrin välille, joten se täydentää HUTSATin hiukkasinstrumentaation kattavuutta.
Tällä hetkellä näyttää siltä, että puolipalloanalysaattori rakennetaan HUTSAT-ryhmän toimesta käyttäen suunnittelussa ja valmistuksessa omia voimavaroja, TKK:n muiden laitosten ja laboratorioiden palveluja ja teollisuuden tarjoamia mahdollisuuksia. Työ jaetaan siten, että systeemi- ja mekaaninen suunnittelu tehdään itse tai teetetään opiskelijoiden harjoitustöinä, mekaaniset osat valmistaa TKK:n sähköosaston työpaja tai jokin konetekniikan osaston laitoksista ja elektroniikan suunnitelee ja valmistaa tamperelainen Microteam Ky. Suunnittelussa käytetään hyväksi viitteissä esiteltyjä esimerkkejä ja mahdollisesti Ilmatieteen laitoksen asiantuntemusta.
5.1. Laitteen mekaaninen rakenne
Puolipalloanalysaattorin mekaanisten osien rakenne on esitetty kaavamaisesti kuvassa 5.1. Sisemmän puolipalloelektrodin säde on R: ja ulomman R1+51. Huippukalottia on siirretty z-akselin suunnassa etäisyyden 82 verran. Ulommassa puolipallossa olevan aukon säteen napakulmaa on merkitty 6a :11a ja lisäksi käytetään merkintää o ns. reduktiokulmalle, joka ilmoittaa, kuinka paljon analysaattorin alareunan on poikettava x-akselin suunnasta, jotta hiukkasten fokusoituminen ilmaisimelle olisi optimaalista.
Kaikki merkityt suureet vaikuttavat omalta osaltaan analysaattorin läpäisyyn ja resoluutioon.
KOLLIMAATTORI- LEVYT
ANODIT
Kuva 5.1: Puolipalloanalysaattorin mekaanisten osien geometria ja kaavio, josta käyvät ilmi mitoituksessa käytettävät symbolit. Ruuvit ja holkit, jotka pitävät ylempää kollimaattorilevyä paikallaan, eivät näy kuvassa.
