RAPID Ionen-Spektrometer IIMS

Zur

Tabelle der technischen Parameter.

Der Atomkern-Detektor SCENIC

Das Herzstück des IIMS-Sensor-Systems ist der sogenannte SCENIC Detektor-Kopf. Dieses Akronym steht für "spectroscopic camera for electrons, neutral and ion composition". Im wesentlichen ist SCENIC ein kleines Teleskop bestehend aus einem "time-of-flight (TOF)" und Energie (E) Erfassungssystem. Der neue Aspekt dabei ist, dass neben der Beobachtung von Flussverteilungen auch energiereiche neutrale Atome (ENA) in einem bestimmten Energiebereich identifiziert werden können.

Die Identifizierung von Teilchen durch das SCENIC Spektrometer erfolgt durch die Messung der Teilchengeschwindigkeit (V) und der Energie (E). Die beiden Parameter werden unabhängig von einander gemessen. In weiterer Folge wird die Teilchenmasse (A) entweder durch die Beziehung (A=E/V²) berechnet oder aber durch eine statistische Analyse im zwei-dimensionalen (V, E)-Raum mit der Masse A als Sortierparameter bestimmt. Tatsächlich misst der Geschwindigkeitsdetektor die Flugzeit (T), die ein Teilchen benötigt, um eine bekannte Strecke in der Detektorgeometrie zurückzulegen.

Die obige Abbildung zeigt einen Schnitt durch den SCENIC-Detektor. Ein wesentliches Charakteristikum ist die dreieckige Form mit einem Öffnungswinkel von 60°. Die sogenannten "solid state detectors" (SSD) zur Energiemessung sind am Scheitelpunkt im hinteren Teil der Apparatur angebracht. Zur Erkennung hochenergetischer Elektronen sind zwei SSDs (ein Energiedetektor - ED - und ein sog. "back detector" - BD) in entgegengesetzter Weise wirksam. Die Energie eines einzelnen Teilchens, verringert um den Verlust, der beim Passieren der Startfolie anfällt, wird im Detektor ED gemessen. Kann nun ein Teilchen mit genügend hoher Energie den ED durchdringen und wird es im BD registriert, so wird dieses Teilchen von der Analyse dieses Ereignisses ausgeschlossen.

Ganz am Anfang des Detektorsystems befinden sich die Einheiten zur Bestimmung der Flugzeit (T). Diese bestehen in erster Linie aus einer dünnen Folie (5 g/cm² Kohlenstofffolie mit Al-Ummantelung) und der Vorderseite des ED. Die Abstand zwischen Folie und ED entlang der Symmetrielinie ist die Nennstrecke s zur T-Messung. Teilchen, die in das Teleskop eindringen, lösen sog. "Sekundärelektronen" (SE) aus der Folie, welche dann beschleunigt und an einer sog. "microchannelplate" (MCP) detektiert werden. Das Ausgabesignal der MCP stellt gleichzeitig das Startsignal für die Zeitmessung dar. Nach dem Eintreffen der Teilchen auf dem ED werden auch dort "Sekundärelektronen" aus seiner Oberfläche herausgeschlagen. Diese SE lösen dann ähnlich wie beim START-Signal bei einer weiteren MCP das STOP-Signal aus, welches dann die T-Messung abschließt.

Die START-Folie ist als Linie in der Abbildung dargestellt. Das Design des START-Systems ist folgendermaßen: Der Transfer der SE zur MCP erfolgt nicht nur isochron sondern auch unter Beibehaltung der Position. Vier Anoden hinter der START-MCP (nicht im Bild) entsprechen vier benachbarten Segmenten auf der Eintrittsfolie, wobei jedes dieser Segmente einen Sehwinkel von 6° mal 15° mit dem ED im hinteren Teil des Systems einschließt. So wirkt diese Geometrie als ein entarteter Fotoapparat mit nur einem Pixel-Auflösung, wobei das virtuelle Bild mit der Eintrittsfolie übereinstimmt.

Bevor einfallende Teilchen das T/E-Teleskop erreichen werden sie von zwei "microchannel" Kollimatoren innerhalb eines stark anisotropen Blickfeldes von 6° in lateraler und 60° in polarer Richtung geführt. Ein Set von Platten zwischen den einzelnen Kollimatorelementen mit alternierenden Potentialen (0 and +Udef) formt einen elektrostatischen Deflektor (DEFL). Der primäre Zweck des DEFL ist der Schutz des Instruments vor überladung resultierend aus hohen Flüssen niederenergetischer Teilchen (z. B. Sonnenwindplasma). Der ziemlich hohe Messertrag des aktiven Kollimators (ca. 10) erlaubt eine sehr effiziente Trennung von energetischen Neutralteilchen (ENA) und von Ionen mit Energien bis zu 100 keV. Dieses Energieband wird generell als äußerst wichtig für die Produktion von magnetosphärischen Neutralteilchen in der Ringstromregion angesehen.

In der folgenden Tabelle sind einige wesentliche technische Parameter des IIMS Instruments aufgelistet.

Technische Parameters des SCENIC-Kopfes

Flugstrecke s (durchschnittl.)	34 mm
Blickwinkel (total)	6° × 60°
Polare Winkel	4 × 15°
E-Detektor (ED)
Fläche/Dicke	5 × 15 mm²/300 µ
B-Detektor (BD)
Fläche/Dicke	5 × 15 mm²/300 µ
START Folie^*	--
Al/Lexan/Al	63 nm/ 83 nm /63 nm
Deflektorspannung	0 - 10 kV

^*Hergestellt von Luxel Corporation, Friday Harbor, WA (USA)