Instrumente zur Teilchen- und Plasmaanalyse

Cosmic Dust Analyzer (CDA)

Die Aufgabe des Analysators für kosmischen Staub ist die Untersuchung von Staubpartikeln im Hinblick auf ihre elektrische Ladung, Geschwindigkeit, Flugrichtung, Masse und chemische Zusammensetzung, besonders in der Nähe von Jupiter und Saturn. Da man im Bereich der Saturnringe relativ hohe Staubdichten erwartet, werden zusätzlich zwei amerikanische Detektoren mit hohen Zählraten eingesetzt (engl.: High Rate Detector Assembly HRD), die mit einem Plastik-Foliensensor arbeiten.

Hochgeschwindigkeitseinschläge von Staubteilchen erzeugen ein Plasma, dessen Ladung an verschiedenen Elektroden gemessen wird. Da die Gitterelektroden zueinander versetzt montiert sind, lässt sich aus der Auswertung der beiden Gittersignale die Flugrichtung der Partikel bestimmen. Als Target des Analysators dient eine vergoldete Platte mit einem Durchmesser von 41 Zentimetern. In deren Zentrum befindet sich ein weiteres Analysegerät, das Chemical Analyzer Target mit 16 Zentimetern Durchmesser (CAT). Es arbeitet als Flugzeit-Massenspektrometer, das der Untersuchung der chemischen Zusammensetzung des Staubes dient.

Um das Instrument unabhängig von der Lage der Cassini-Sonde im Raum optimal dem Staub auszusetzen, wurde es auf eine drehbare Platte montiert, die sich um 270 Grad schwenken lässt. Die mechanischen Bauteile des Instruments einschließlich dieses Drehtisches wurden vom Institut für Weltraumsensorik und Planentenerkundung des DLR in Berlin-Adlershof entwickelt und gefertigt.

Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI)

Deutsche Co-Investigatoren: E. Kirsch, B. Wilken (+), MPI für Aeronomie

Mit Hilfe dieses Gerätes sollen die Saturnmagnetosphäre und ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenwind untersucht werden. Weitere Forschungen betreffen die Interaktion zwischen Magnetosphäre und Ionosphäre, Zirkulationsprozesse im Magnetschweif vom Saturn sowie die komplexe Erforschung der Titan-Atmosphäre. Dazu werden die Plasmateilchen (Protonen, Ionen, Elektronen in Magneto- und Ionosphäre) quantitativ und qualitativ näher untersucht.

Das Instrument besteht aus drei Teilinstrumenten, die hochenergetische Ionen, Elektronen und Neutralteilchen in mehreren Energiebereichen nachweisen.

 

• Low Energy Magnetospherics Measurement System (LEMMS)
• Charge Energy Mass Spectrometer (CHEMS)
• Ion and Neutral Camera (INCA)

LEMMS wurde am MPI für Aeronomie entwickelt und gebaut. Es erfasst die energetische und räumliche Verteilung von Ionen und Elektronen. Dazu ist das Gerät mit elf verschiedenen Halbleiter-Detektoren ausgestattet. Eine Auswerteelektronik liefert aus den Detektorsignalen dann den gewünschten Datenstrom.

Das Massen-Spektrometer CHEMS wird die Zusammensetzung der energiereichen Ionen in der Saturnmagnetosphäre bestimmen.

INCA liefert „Bilder“ hoher räumlicher Auflösung von der Verteilung und Zusammensetzung in der Magnetosphäre und im interplanetaren Raum. Als zweite Aufgabe soll die Kamera heiße Plasmagebiete in der Saturnmagnetosphäre aufspüren und die Emission energetisch neutraler Teilchen aus diesen Gebieten messen.

Cassini Plasma Spectrometer (CAPS)

Das Instrument besteht aus einem Elektronen-Spektrometer (ELS), einem Ionen-Massen-Spektrometer (IMS) und einem Ionen-Ladungsspektrometer (IBS). Es wird die Zusammensetzung, Temperatur, Geschwindigkeit und Dichte von niederenergetischen Ionen und Elektronen in der Saturn-Magnetosphäre erfassen.

Dual Technique Magnetometer (MAG)

Das Instrument setzt sich aus einem Fluxgate- und einem Vektor-Helium-Magnetometer zusammen. Die Geräte sollen die Magnetfelder des Saturn und seiner Monde sowie die Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind bestimmen. Aus den Daten kann später auch ein dreidimensionales Modell der Saturnmagnetosphäre erstellt werden. Weitere Forschungen schließen die Untersuchung der Interaktion von Saturnringen und Staub mit der Magnetosphäre sowie mit den Monden ein.

An der TU Braunschweig wurde die digitale Prozessor-Einheit DPU entwickelt. Diese stellt die Verbindung zwischen der Elektronik der beiden Magnetometer und dem Command and Data Subsystem der Cassini-Sonde her und bereitet die Daten für die Übertragung zur Erde auf.

Die beiden Magnetometer wurden auf den elf Meter langen Ausleger montiert, um so weit möglich von den magnetischen und elektrischen Einflüssen des Raumflugkörpers entfernt zu sein.

Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS)

Mit dem Massenspektrometer wird vor Ort die Zusammensetzung von neutralen und geladenen Teilchen in der Atmosphäre und Ionosphäre des Titans sowie in der Magnetosphäre des Saturns untersucht. Gase, welche die Oberflächen der eisigen Monde und die Ringe emittieren, sollen ebenfalls einer Analyse unterzogen werden.

Zwei Ionenquellen sorgen dafür, dass die zu analysierenden neutralen Gase ionisiert werden. Die Ionen werden dann gebündelt und einem Massenanalysator zugeführt, wo aus den unterschiedlichen Massen der Ionen auf ihre chemische Zusammensetzung geschlossen wird.

Radio And Plasma Wave Science (RPWS)

Das Instrument soll die elektrischen und magnetischen Felder sowie die Temperaturen und die Elektronendichte im interplanetaren Raum und in der Magnetosphäre des Saturns erfassen.

Das System besteht aus einem Feldsensor für elektrische Felder, einer Spulenkonstruktion mit drei Spulen – für jede Achse eine – zur Messung magnetischer Felder, einer Langmuir-Sonde und der Auswerteelektronik.

Drei V-förmig angeordnete je zehn Meter lange Antennen bilden den Feldsensor für die elektrischen Felder.

In der Auswerteelektronik sorgen modernste digitale Algorithmen für die Aufbereitung der Messdaten. So werden u.a. die Wellenform und die spektrale Zusammensetzung der Felder analysiert.