Einuss geomagnetischer Eekte auf die
Zählraten von EUTEF/DOSTEL an der
Internationalen Raumstation
Diplomarbeit
am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
vorgelegt von
Julia Pilchowski
Kiel, November 2009
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
2 Grundlagen
4
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Strahlungsgürtelteilchen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Galaktische Kosmische Strahlung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Modulation der Galaktischen Kosmischen Strahlung
. . . . . . . . . . . . 10
Das Erdmagnetfeld
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Das erdnahe Magnetfeld
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Die Südatlantische Anomalie
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Der McIlwain-Parameter für einen magnetischen Dipol
. . . . . . . . . . 18
Bewegung geladener Teilchen im Erdmagnetfeld
. . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Plasmaphysikalische Grundlagen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Cuto-Steigkeiten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Die Bahn der Internationalen Raumstation
. . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Wechselwirkung geladener Teilchen in Materie
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Bethe-Bloch-Formel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Die Energiedosis
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 EUTEF/DOSTEL
40
Aufbau
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
II
Inhaltsverzeichnis
Halbleiterdetektor
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Teilchenregistrierung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Signalverarbeitung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Datenaufbereitung
47
Zeitsynchronisation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Energiekalibrierung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 Berechnung des McIlwain-Parameters
54
Erweiterung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Traditionelle Berechnung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6 Dateninterpretation
68
Zählratenprole
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Teilchenpopulation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Energieverlustspektren
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Gemessene Dosiswerte mit DOSTEL
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Das Experiment DOSIS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7 Zusammenfassung
94
Literaturverzeichnis
98
A
102
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
B
104
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
C
105
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
III
Kapitel 1
Einleitung
Unsere Erde ist permanent einem Strom energiereicher Teilchen aus den Tiefen des
Weltraums ausgesetzt. Der österreichische Physiker Victor Franz Hess war der Erste,
der dieses Phänomen 1912 entdeckte. Anhand von Ballonügen bis 5000 Meter Höhe
erkannte er, dass die ionisierende Strahlung mit zunehmender Höhe ansteigt. Heute wis-
sen wir, dass es sich dabei um geladene Teilchen hoher Energie handelt, die nahezu
isotrop auf die Erde eintreen. Sie ist unter dem Begri Kosmische Strahlung bekannt.
Die Vermessung kosmischer energiereicher Teilchen wurde 1958 mit dem ersten amerikani-
schen Satelliten EXPLORER 1 fortgeführt. Das zur Vermessung benutzte Zählrohr von
James van Allen detektierte in groÿen Höhen auÿerordentlich hohe Zählraten, so dass
man vorerst glaubte, der Weltraum sei radioaktiv. Später erkannte man, dass es sich
hierbei vor allem um sehr energiereiche Teilchen handelt, die im Gegensatz zur Kosmi-
schen Strahlung im Erdmagnetfeld gefangen sind. Man gab dieser Population den Namen
Van-Allen-Gürtel bzw. Strahlungsgürtel. Nahe der Erdoberäche treten diese nur
in bestimmten Bereichen, beispielsweise im Bereich der sogenannten Südatlantischen
Anomalie (SAA) in Erscheinung.
Die Bedeutung dieser energiereichen Teilchen liegt darin, dass sie mit der Atmosphäre
wechselwirken können: Trit die kosmische Primärstrahlung auf die Erdatmosphäre,
1
Kapitel 1 Einleitung
Kapitel 1 Einleitung
so werden die Moleküle und Atome der Lufthülle ionisiert, wobei zahlreiche weitere
Sekundärteilchen entstehen, die ebenfalls ionisierend und daher auch schädigend wirken
können. Da die abschirmende Wirkung der Erdatmosphäre mit zunehmender Höhe ab-
nimmt, ist es besonders für Astronauten der Internationalen Raumstation (ISS) von
Bedeutung das Strahlungsfeld in diesen Höhen zu bestimmen. Dieses setzt sich aus
der energiereichen Kosmischen Strahlung und den in höherer Intensität auftretenden
Strahlungsgürtelteilchen zusammen. Ein Maÿ zur Abschätzung der Strahlenbelastung
ist die Energiedosis.
Neben den unterschiedlichen Eigenschaften der Teilchen ist es auch wichtig, ihre Her-
kunft zu kennen. Eine wesentliche Rolle kommt hierbei dem Erdmagnetfeld zu, da es
einerseits die Kosmische Strahlung abschirmt und andererseits die Magnetfeldlinien die
Bahnen der Strahlungsgürtelteilchen bestimmen. Daher ist es von Bedeutung, nicht nur
die Magnetfeldstärke an der Erdoberäche, sondern auch den Verlauf der Feldlinien
zu kennen. Ein Maÿ hierfür ist der sogenannte L-Parameter, der für ein Dipolfeld den
Abstand der Feldlinie vom Erdmittelpunkt in der Äquatorialebene angibt. Ist der L-
Parameter für eine gegebene Feldlinie bekannt, lässt sich auf den Ort der im Magnetfeld
gefangen Teilchen schlieÿen.
Um die Strahlenexposition der Astronauten zu bestimmen, wurden bereits mehrfach
Messungen auf der ISS durchgeführt, deren Bahn die Erdoberäche zwischen 51,6 Grad
nördlicher und südlicher Breite abdeckt. Das DOSimetrie TELeskop DOSTEL auf der
EUTEF-Plattform (European Technology Exposure Facility), die im Zeitraum von
Februar 2008 bis September 2009 am europäischen Columbus-Modul der ISS montiert
war, bot erstmals über einen längeren Zeitraum die Möglichkeit auch Messungen im
energieärmeren Bereich durchzuführen. Denn im Gegensatz zu früheren Missionen war
das Gerät im freien Weltraum angebracht. Somit wurden die energiearmen Teilchen nicht
von der Wand der ISS abgeschirmt. Mit dem seit Juli 2009 innerhalb der Station ange-
brachten Instruments DOSIS, wurde es möglich das Strahlenfeld innerhalb der Station
mit dem auÿerhalb zu vergleichen.
2
Kapitel 1 Einleitung
Kapitel 1 Einleitung
Aus diesen Zusammenhängen ergeben sich folgende Fragen:
· Wie lässt sich der L-Parameter auf das tatsächliche Erdmagnetfeld verallgemei-
nern?
· Welcher der beiden oben genannten Teilchenpopulation sind die detektierten Teil-
chen zuzuordnen?
· Lässt sich daraus auch auf die Teilchensorte schlieÿen?
· Welche (niedrigeren) Energiebereiche werden durch die ISS abgeschirmt?
· Wie ändert sich die Energiedosis durch den Beitrag der energieärmeren Kom-
ponente infolge der fehlenden Abschirmung?
Im Rahmen dieser Arbeit sollen die von DOSTEL gemessenen Zählraten und Energie-
spektren ausgewertet werden. Insbesondere soll die Quelle der Teilchen bestimmt werden,
die auÿerhalb der bereits bekannten SAA stark erhöhte Zählraten bis zu 1000 Teilchen
pro Sekunde aufweisen. Hierfür werden zunächst nach einem Überblick über die Grund-
lagen in Kapitel
2
und der Funktionsweise des Instruments EUTEF/DOSTEL in Kapitel
3
die Messdaten in Kapitel
4
aufbereitet. In Kapitel
5
wird anschlieÿend das Erdmagnet-
feld beschrieben und versucht eine neue Denition des L-Parameters zu nden. Die von
dem Gerät detektierten Teilchen werden anhand der Energiespektren in Kapitel
6
disku-
tiert und aus ihnen die Energiedosis berechnet. Insbesondere wird auf die Herkunft der
Teilchen eingegangen. Zum Abschluss werden die Ergebnisse von DOSTEL auf EUTEF
mit denen des in der ISS montierten Experiments DOSIS verglichen.
3
Kapitel 2
Grundlagen
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
Die Erforschung des interplanetaren Mediums wurde von Hannes Alfvén 1942 eingelei-
tet. Er hatte mit Hilfe bodengestützer Beobachtungen gezeigt, dass die Sonne eine sehr
heiÿe und hochionisierte äuÿere Atmosphäre besitzt. Die dabei entstandene Vermutung
einer statischen Gashülle wurde erstmals 1951 durch Ludwig Biermanns Postulat eines
von der Sonne wegströmenden Plasmas nach Beobachtungen von Kometenschweifen ver-
worfen. Kurze Zeit später entwickelte Parker das erste Sonnenwindmodell.
Durch in-situ-Messungen wissen wir heute, dass es sich beim Sonnenwind um ein Plas-
ma bestehend aus Protonen, Elektronen und einer geringen Menge an -Teilchen han-
delt. Die Geschwindigkeit des Sonnenwinds bewegt sich im Mittel zwischen 300 km/s
(langsamer Sonnenwind) und 800 km/s (schneller Sonnenwind) (
Prölls
,
2004
). An der
sogenannten Heliopause stellt sich ein Druckgleichgewicht zwischen dem radial von der
Sonne wegströmenden Sonnenwind und dem lokalen interstellaren Medium in einer Ent-
fernung von ungefähr 100 astronomischen Einheiten (1AE: Abstand Sonne-Erde 149
Mio km) ein. Der darin begrenzte und von der Sonne dominierte Bereich wird Heliosphäre
4
Kapitel 2 Grundlagen
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
genannt. In der Heliosphäre werden neben den energiearmen Sonnenwindteilchen auch
solare energiereiche Teilchen (Solar Energetic Particles, SEPs), die in den Massenaus-
brüchen der Sonne beschleunigt werden, beobachtet, sowie Teilchen anderer Herkunft
im Energiebereich von einigen keV bis hin zu 10
20
eV detektiert. Vorwiegend handelt es
sich hierbei um Protonen, Elektronen und schwere Kerne der Galaktischen Kosmischen
Strahlung (siehe Kapitel
2
). Für diese Arbeit sind vorwiegend Teilchen der Galaktischen
Kosmischen Strahlung, sowie Teilchen aus den Strahlungsgürteln der Erde von Bedeu-
tung und werden daher im Folgenden näher erläutert.
Strahlungsgürtelteilchen
Gelangen geladene Teilchen in das Erdmagnetfeld, so können sie dort innerhalb der
Strahlungsgürtel eingeschlossen werden. Ein Strahlungsgürtel bezeichnet eine Popula-
tion energiereichen Teilchen, die auf stabilen Bahnen innerhalb der Plasmasphäre gefan-
gen sind. Die Erde hat zwei Strahlungsgürtel, einen inneren und einen äuÿeren, die
sich gürtelförmig im Abstand von einigen Erdradien in der Äquatorebene um die Erde
erstrecken. Sie wurden 1958 von James van Allen im Zuge der amerikanischen Satelliten-
missionen Explorer nachgewiesen (
van Allen
,
1958
). Daher werden sie auch Van-Allen-
Gürtel genannt.
Der innere Van-Allen-Gürtel besteht aus energiereichen Protonen (Teilchenenergie > 30
MeV) und Elektronen (Teilchenenergie > 1,6 MeV) mit annähernd konstanter Teilchen-
dichte, sowie aus einem geringen Anteil schwererer Teilchen. Der äuÿere Gürtel ist ener-
gieärmer (Teilchenenergie < 1 M eV) und beinhaltet hauptsächlich Elektronen. Er un-
terliegt starken Schwankungen in Abhängigkeit der Sonnenaktivität.
In Abbildung
6.7
sind die Verteilung der Strahlungsgürtel im Erdmagnetfeld und die
Linien konstanten Teilchenusses verdeutlicht.
5
Kapitel 2 Grundlagen
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
(a)
(b)
Abbildung 2.1: Schematischer Schnitt durch die Van-Allen-Gürtel. Der Abstand
vom Erdmittelpunkt ist in Erdradien (R
E
) angegeben. Bild (a) verdeutlicht die Pro-
tonengürtelverteilung, Bild (b) die Elektronengürtelverteilung. Die in grau schattierten
Flächen deuten Bereiche verschiedener Energie an (
Kippenhahn und Möllenho
,
1975
).
Die linke Darstellung zeigt die Verteilung der Protonen, wobei die durchgezogenen Linien
die Verteilung der Teilchen mit Energien gröÿer als 30 MeV darstellen und die gepunktete
Fläche solche mit Energien zwischen 0,1 und 5 MeV. Es fällt auf, dass in Entfernungen
innerhalb von einem Erdradius (1 R
E
= 6371 km) kaum Protonen zu nden sind. Sie
werden durch Wechselwirkungen mit der oberen Atmosphäre aus ihrer Oszillationsbahn
(vgl. Kapitel
2
) geworfen und absorbiert. Weiter auÿen im Magnetfeld nimmt die Dichte
der Teilchen stark ab. Der Fluÿ der energiearmen Protonenkomponente (0,1 bis 5 MeV)
ist wesentlich gröÿer als der der energiereichen Protonenkomponente (>30 MeV).
Im rechten Bild ist die Elektronengürtelverteilung gezeigt. Die niederenergetische Kom-
ponente (0,04 bis 1 MeV), dargestellt durch den gepunkteten Bereich, ist weiter aus-
geprägt als bei den Protonen. Sie erstreckt sich zwischen 1,0 und 8,5 R
E
. Die energierei-
che Komponente (durchgezogene Linien) mit Energien gröÿer als 1,6 MeV ist ebenfalls
6
Kapitel 2 Grundlagen
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
weitläuger ausgedehnt als bei den Protonen, nämlich bis 7 R
E
.
Tabelle
2
fasst die Energien und Intensitäten der Strahlungsgürtelteilchen zusammen.
Region
Komponente Energie E / MeV Intensität I / cm
2
sec
-1
innerer Gürtel
Protonen
E> 30, 0
10
2
4
Elektronen
E> 1, 6
10
2
4
äuÿerer Gürtel
Protonen
0, 1
I< 10
8
Elektronen
0, 04
I< 10
8
Tabelle 2.1: Zusammenfassung der Energien und Intensitäten der Teilchen des inneren
und äuÿeren Strahlungsgürtels für mittlere Sonnenaktivität (
Kippenhahn und Möllenho
,
1975
).
Die Anzahl der Strahlungsgürtelteilchen wird durch Verlust- und Quellprozesse in Waage
gehalten. Verluste entstehen zum einen durch Streuung der Teilchen an magnetischen
Fluktuationen oder durch Wechselwirkung mit Atmosphärenteilchen, wobei Teilchen
dadurch die magnetische Flasche (siehe Abbildung
2.11
bzw. Kapitel
2
) verlassen können.
Zum anderen kann sich auch die Magnetfeldstruktur ändern, zum Beispiel durch starke
solare Ereignisse. Die energiereichen Protonen im inneren Gürtel werden lokal durch
den sogenannten CRAND-Prozess (Cosmic Ray Albedo Neutron Decay) produziert,
bei dem die nicht stabilen Neutronen in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino zer-
fallen (z.B. (
Kallenrode
,
1998
)). Diese Neutronen enstehen durch Wechselwirkung der
Galaktischen Kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre. Dieser Prozess ist alledings
nicht ezient genug, um die Enstehung des Elektronengürtels zu erklären. Die Elek-
tronen stammen aus zwei anderen Quellen, zum einen aus dem Sonnenwind und zum
anderen aus der Ionosphäre, aus der sie in der Umgebung der magnetischen Pole in die
Magnetosphäre eindringen. Ursache dafür sind feldlinienparallele Ströme, die die Magne-
tosphäre mit der Ionosphäre verbinden (Birkelandströme). Bei erhöhter solarer Aktivität
steigt der Elektronenuss im äuÿeren Strahlungsgürtel an. Zum einen gelangen die Elek-
7
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