Ionenquelle und Sonnenwindlabor

Das Kieler Sonnenwindlabor

Kalibrationslabor für zukünftige Missionen innerhalb der Heliosphäre und für Simulation planetarer Oberflächenemission

Derzeit entwickelt die Extraterrestrik-AG Wimmer-Schweingruber am IEAP der Universität Kiel ein neues Labor mit dem zukünftig eine Kalibrationsanlage für satellitengestütze Teilchendetektoren (s. Abb. 1) zur Verfügung stehen wird. Hier wird es möglich sein, unter kontrollierten Bedingungen im Labor die Teilchenstrahlung unsere Sonne zu simulieren. Die Energien und Ionensorten, die dann zur Verfügung stehen, entsprechen denen, die man auch im langsamen und schnellen Sonnenwind erwartet und beobachtet. Weltraummissionen können so schon während der Startphase kalibriert werden und die dadurch gewonnen Daten dienen während der Missionsphase der Gegenkalibration, wenn die Geräte dem Sonnenwind, oder den kosmischen Teilchen, sowie den tief in die Atmosphären von Planeten und Monden eindringenden Teilchenstrahlungen ausgesetzt sind. Der hochreine Raum (s. Abb. 2) beinhaltet daher eine große Meßkammer für Weltraummissionen, aber auch eine lange Kammer für weitere Messungen mit 'unreinerem Material', beispielsweise zur Datengewinnung auf simulierten Planetenoberflächen. Hier kann Rhegolith sowie Asteroidenmaterial verwendet werden, oder auch Marsgestein sowie andere Mitbringsel aus dem interstellaren Raum.

Abb.1: Kalibrationsanlage f. suprathermale Ionen, beamline Aufsicht

Hauptarbeitsziel der Arbeitsgruppe Extraterrestrik ist die Entwicklung und Fertigstellung der oben genannten Teilchendetektoren, oft in enger Zusammenarbeit mit ESA, NASA und vielen weiteren Weltraumorganisationen. Eine eigene, interne Kalibrationsanlage stellt dabei eine weltweit einzigartige Infrastruktur dar, um die sich Entwicklungsgruppen zukünftig bewerben können, um Meßzeiten und Teilchensorten bei spezifischen Ionisationszuständen und Energien, sowie Teilchendichten und Strömen zu beantragen.

Fakten: Mikrowellenheizung im GHz Bereich bei Leistungen von 150 Watt, Hochspannungen im Bereich von wenigen keV (15 keV max.) für die Extraktionsspannung (via ECR-Potential), HV bis zu 15 + 420 keV nach der zweiten Stufe (Nachbeschleunigung), höhenverstellbarer Drehtisch für Detektorsyteme mit 6 Freiheitsgraden, programmierbar, Strahlstromstabilität und Teilchendichten entsprechend der Detektorakzeptanz. Ionensorten und Ladungszustände, die sochen im Sonnenwind (durch bisherige Messungen nachgewiesen) entsprechen.

Die Solar Orbiter (SolO) und Parker Solar Probe (PSP) Daten werden ergänzend einen deutlicheren Einblick in die Zusammensetzung des Sonnenwindes ermöglichen, als jemals zuvor, die zur Verfügung stehenden Teilchensorten werden daher dem aktuellen Forschungsstand angepasst.

Sonnenwindlabor 2020

Abb. 2: Inventor/Autodesk - Konstruktionszeichnung des Sonnenwindlabors mit Reinraum

Herzstück der Anlage ist eine "Electron Cyclotron Resonance" Ionenquelle (ECRIS, s. Abb. 3). Diese Ionenquellen zählen zu den effizientesten und stablisten und werden heute an modernen Beschleunigeranlagen stetig weiterentwickelt und stellen seit über 50 Jahren einen hohen Standart in der Teilchenerzeugung dar. Eine Mikrowellenleitung koppelt an die freien Elektronen des Restgases innerhalb der Plasmakammer an, wodurch sie resonant, durch Vorhandensein eines äußeren Magnetfeldes, beschleunigen und bei geeigneter Resonanzfrequenz an den Enden der Magnetfeldlinien, die die Plasmakammer durchlaufen, reflektiert werden. Sie werden dabei immer schneller und stoßen mit den trägen Atomkernen des Restgases. Dadurch beginnt die Ionisationsrate ein ionisiertes Plasma zu zünden, das mann über eine Pullerelektrode (s. Abb. 4) aufgrund der Potentialdifferenz extrahieren und über einen Analysiermagenten sortiert beschleunigen kann.

Pullerelektrode

Abb. 3, 4: ECRIS und Pullerelektrode mit weißem Isolatormaterial zur Repeller-Vorspannung (Einfang rücklaufender Raumladungs-Elektronen in Gegen-Strahlrichtung). In blau sieht man einen Teil der doppelwandigen, wassergekühlten Plasmakammer, in grün die Plasmaelektrode auf bis zu 15 keV Extraktionspotential.

Ändert man die Restgaszusammensetzung, beispielsweise durch Zuführung von entsprechenden Gasen oder Metalldämpfen aus einem eingebrachten Metallofen, so erhält man verschiedene Ionensorten nach Belieben. Zusätzlich erhielt aber unsere Kieler ECRIS eine weitere weltweite Besonderheit. Die Pullerelektrode ist nicht nur in der z-Achse einstellbar, sondern auch in x- und y- Richtung, was die Effizienz der extrahierten Ionensortendichten stark erhöhen kann, wenn das Plasma einen Teilchendichtengradient in radialer Richtung aufweist, was meistens der Fall ist und normalerweise durch Multirequenzheizung kompensiert wird. Die ECRIS Forschung hält vielfältige Entwicklungsmöglichkeiten offen für interessierte Plasmahersteller und die Untersuchung der optimalen Eigenschaften des jeweiligen Teilchenstrahls ist ein Teil der Untersuchungen, die hier im Labor gemachten werden.

Abb. 5  zeigt ein typisches Ionenspektrum, gemessen mit der Kieler Ionenquelle. Zu den Ionen kommen noch Elektronen aus einer Elektronenkanone sowie beschleunigte Neutralatome, sodaß der komplette Sonnewind hier simuliert werden kann.

Eine solche Anlage existiert weltweit in dieser From noch nicht, sodaß der Standort Kiel hier zukünftig für Weltraumforschung aller Art wichtig werden wird.

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Abb. 5: Spektrum von Ionenspezies, erzeugt von der Kieler Ionenquelle. Die gemessenen Ströme sind gegen das Masse pro Ladung Verhältniss aufgetragen.

Während des Aufbaus des Labors wurden vielfältige Einzelprojekte entwickelt und an die Ansprüche an Flußdichte des Teilchenstrahls angepasst. Dazu zählen gewöhnliche Faraday Cup, aber auch sogenannte Faraday Cup Arrays (FCA, s. Abb. 6, 7), die viele kleine Pixel als Minicups verwenden, sowie eine Steuersoftware, die das Array durch den jew. Strahl fährt und dann ein 2-dimensionales Strahlprofil präsentiert. Gewönliche Beschleuniger können durch Fokussierschlitze lediglich die Strahlgröße bestimmen und am Ende des Strahlrohres eine Stromstärke im Cup oder Detektrosytem messen, hier können wir während des Fädelns präzise Messungen zur Teilchenstromdichte im Strahl sowie dessen Ausdehung messen. Die Schrittmotorsteuerung des FCA ist die gleiche, wie sie auch für die Schlitzsteuerung verwendet wird, die derzeit noch nicht ausgelesen werden. Für die Zukunft könnte man auch dort eine elektrisch isolierte Vakuumdurchführung vorsehen, sodaß auch die Standartkonfiguration für Analysierschlitze der Fädelung zugute kommt.

FCA_combi
Abb. 6, 7: Selbtsentwickelter Detektor zur Messung des Ionenstrahlprofils

 

In Abb. 6, 7 sieht man das FCA, li. in Strahrichtung und re. gegen die Strahlrichtung. Abb. 8 zeigt das von der Software erzeugte Strahlprofil in x- und y- Achse.

Profil_Extraktion
Abb. 8: 2-d Strahlprofil, gemessen mit dem FCA in Cube1

 

Ein weiteres in Kiel entwickeltes, gebautes und getestetsr Array dieser Art ist Teil einer Pullerelektrode, die, ähnlich dem FCA, als Mikro-Faraday-Cup Array-Plasmaelektrode (s. Abb. 9) Teilchendichten kurz vor der Extraktion misst, sodaß die theoretische Vorhersage für die räumliche Intensitätsverteilung entsprechend der Plasmageometrie nachgewiesen werden konnte.

Detektor_Langmuir


Abb. 9: Selbstentwickelter Detektor zur Darstellung der Ionen- und Elektronenverteilung innerhalb der Plasmakammer

Die dazugehörige Puplikation fand internationale Annerkennung, da es eine solche Messung bislang noch nicht gegeben hat. Von diesen von uns gemachten Messungen können insbesondere jene ECR-Ionenquellenpyhsiker profitieren, die sich die Erstellung theoretischer Modelle zur Aufgabe gemacht haben. Diese haben nun die Möglichkeit, ihre theoretischen Anahmen mit tatsächlichen Messergebnissen zu vergleichen.

Der Testbetrieb im neuen Labor erbrachte erstmals 2017 neue Meßdaten (s. Abb. 10, [Hahn 2017]), die bestätigen, daß die Strahlgeometrie sowie alle Komponenten nach dem Umzug vom Teststand in LS11 nach LS 15 einwandfrei arbeiteten.
Abb. 10: Erste Kalibrationsmessungen bei verschiedenen Mikrowellenleistungen, oben: 50 W, unten: 20 W [Hahn, T., BSc Vortrag, 08.06.2017 ].