Einfluss geomagnetischer Effekte auf die Zählraten von EUTEF/DOSTEL an der Internationalen Raumstation

Diplomarbeit von Julia Pilchowski

Problemstellung:

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 Ballonflügen bis 5000 Meter Höhe erkannte er, dass die ionisierende Strahlung mit zunehmender Höhe ansteigt. Heute wissen wir, dass es sich dabei um geladene Teilchen hoher Energie handelt, die nahezu isotrop auf die Erde eintreffen. Sie ist unter dem Begriff ’Kosmische Strahlung’ bekannt. Die Vermessung kosmischer energiereicher Teilchen wurde 1958 mit dem ersten amerikanischen Satelliten EXPLORER 1 fortgeführt. Das zur Vermessung benutzte Zählrohr von James van Allen detektierte in großen Höhen außerordentlich 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 Kosmischen Strahlung im Erdmagnetfeld gefangen sind. Man gab dieser Population den Namen ’Van-Allen-Gürtel’ bzw. ’Strahlungsgürtel’. Nahe der Erdoberfläche 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: Trifft die kosmische Primärstrahlung auf die Erdatmosphäre, 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 abnimmt, 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 Maß zur Abschätzung der Strahlenbelastung ist die Energiedosis.

Neben den unterschiedlichen Eigenschaften der Teilchen ist es auch wichtig, ihre Herkunft 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 Erdoberfläche, sondern auch den Verlauf der Feldlinien zu kennen. Ein Maß 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 schließen.

Um die Strahlenexposition der Astronauten zu bestimmen, wurden bereits mehrfach Messungen auf der ISS durchgeführt, deren Bahn die Erdoberfläche 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 angebrachten Instrument DOSIS wurde es möglich, das Strahlenfeld innerhalb der Station mit dem außerhalb zu vergleichen.

Gang der Untersuchung:

Aus diesen Zusammenhängen ergeben sich folgende Fragen:

- Wie lässt sich der L-Parameter auf das tatsächliche Erdmagnetfeld verallgemeinern?

- Welcher der beiden oben genannten Teilchenpopulation sind die detektierten Teilchen zuzuordnen?

- Lässt sich daraus auch auf die Teilchensorte schließen?

- Welche (niedrigeren) Energiebereiche werden durch die ISS abgeschirmt?

- Wie ändert sich die Energiedosis durch den Beitrag der energieärmeren Komponente infolge der fehlenden Abschirmung?

Im Rahmen dieser Arbeit sollen die von DOSTEL gemessenen Zählraten und Energiespektren ausgewertet werden. Insbesondere soll die Quelle der Teilchen bestimmt werden, die außerhalb der bereits bekannten SAA stark erhöhte Zählraten bis zu 1000 Teilchen pro Sekunde aufweisen. Hierfür werden zunächst nach einem Überblick über die Grundlagen in Kapitel 2 und der Funktionsweise des Instruments EUTEF/DOSTEL in Kapitel 3 die Messdaten in Kapitel 4 aufbereitet. In Kapitel 5 wird anschließend das Erdmagnetfeld beschrieben und versucht eine neue Definition des L-Parameters zu finden. Die von dem Gerät detektierten Teilchen werden anhand der Energiespektren in Kapitel 6 diskutiert 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.

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
	Cutoff-Steifigkeiten	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
	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
	Zählratenprofile	68
	Teilchenpopulation	73
	Energieverlustspektren	78
	Gemessene Dosiswerte mit DOSTEL	87
	Das Experiment DOSIS	90
7.	Zusammenfassung	94
	Literaturverzeichnis	98
	A	102
	B	104
	C	105

Textprobe:

Kapitel 6, Das Experiment DOSIS und ein Vergleich mit EUTEF/DOSTEL:

Seit Juli 2009 ist das an der Universität Kiel in Zusammenarbeit mit dem DLR entwickelte Experiment DOSIS (’Dose Distribution Inside the ISS’) im Inneren der ISS angebracht. Das Gerät soll im Gegensatz zu DOSTEL auf EUTEF, das im freien Weltraum angebracht war, die Strahlungsumgebung innerhalb des europäischen Columbus-Moduls bestimmen.

DOSIS besteht aus einem aktiven und einem passiven Detektorteil. Um ein Gesamtbild über die Verteilung der Strahlenbelastung innerhalb des Columbus-Moduls zu erhalten, wurden die passiven Detektoren an verschiedenen Orten innerhalb des Moduls positioniert. Der aktive Teil des Experiments enthält zwei Dosimetrieteleskope (DOSTEL) aus Silizium, die senkrecht zueinander angeordnet sind.

Da im Juli 2009 EUTEF/DOSTEL ebenfalls noch im Betrieb war, ist es erstmals möglich, das Strahlenfeld sowohl innerhalb als auch außerhalb der ISS gleichzeitig zu bestimmen. Im Folgenden werden die Unterschiede der Messdaten beider Geräte veranschaulicht und die gemessenen Dosiswerte miteinander verglichen. Abbildung 6.16 zeigt einen Ausschnitt aus den Zeitprofilen für Juli 2009 der Experimente EUTEF/DOSTEL und DOSIS/DOSTEL.

Die Zeitprofile beider Messinstrumente unterscheiden sich hauptsächlich in der detektierten Teilchenanzahl. DOSTEL auf EUTEF misst in den SAA-Durchgängen um die 1000 Teilchen pro Sekunde, DOSIS hingegen nur einige hundert Teilchen pro Sekunden. Ebenso erkennt man in den Daten des EUTEF/DOSTEL eine größere Anzahl an Peaks, denn neben den SAA-Durchgängen sind auch die Durchgänge durch den äußeren Strahlungsgürtel als erhöhte Zählraten zu erkennen. Beides ist auf die Abschirmung der energiearmen Komponente der Strahlungsgürtel durch die ISS zurückzuführen.

In den DOSIS-Daten erkennt man die Zählratenverteilung der GCR-Komponente als gleichmäßige Periode aufgrund der Position der ISS im Erdmagnetfeld (Zählraten von 4 bis 20 Teilchen pro Sekunde). Die niedrigste Zählrate von 4 Teilchen pro Sekunde bleibt hier konstant. In den DOSTEL-Daten ist das nicht der Fall. Hier verändert sich das Minimum mit der Zeit. Dies ist vermutlich mit dem Andocken eines Shuttles vor der EUTEF-Plattform zu begründen, was beispielsweise zur Abschirmung der energiearmen Komponente führen kann. Generell stimmen die zeitlichen Verläufe beider Messungen gut überein. Vergleichen wir nun die berechneten Energietagesdosiswerte beider Geräte. Die Werte sind in Tabelle 6.5, getrennt für beide Messmodi, zusammengefasst.

Die Werte im GCR-Modus stimmen für beide Experimente sehr gut überein, die im SAA-Modus zeigen jedoch einen großen Unterschied. Dies lässt sich wie folgt erklären: Die GCR-Komponente, deren Teilchen relativistische Energien (Protonen ab 1 GeV, Elektronen ab 1 MeV) besitzen, können ungehindert durch die Wand der ISS durchdringen, im Gegensatz zu den niederenergetischen Strahlungsgürtelteilchen. Sie erreichen nichtrelativistische Energien von einigen MeV (Protonen) bzw. einigen keV (Elektronen) (vgl. Kapitel 2) und werden von der ISS abgeschirmt. Für die Wand der ISS nimmt man einen mittleren Wert von 20 gcm2 Abschirmung Aluminium an. Teilt man den Wert durch die Dichte von Aluminium, so erhält man eine Weglänge von 7,4 cm in Aluminium. Ordnet man diesen Wert in Abbildung 6.17 den Teilchenenergien für Protonen und Elektronen zu, so erkennt man, dass Protonen eine Mindestenergie von 150 MeV, Elektronen eine Mindestenergie von 40 keV benötigen, um die Wand der ISS zu durchdringen. Da diese Werte deutlich oberhalb der typischen Energiewerte der Strahlungsgürtelteilchen liegen, können sie die Wand nicht durchdringen.

Die geringe, aber nicht verschwindende Energietagesdosis von nur 48 Mikrogray/Tag ergibt sich dennoch aus den Strahlungsgürtelteilchen. Die Abschirmung von 20 g/cm2 Aluminium ist nur ein mittlerer Wert. An einigen Stellen der Raumstation ist die Abschirmung auch wesentlich dünner. Dort können auch die energiearmen Teilchen das Material durchdringen.

Damit wurde deutlich, dass DOSTEL auf EUTEF erstmals die Möglichkeit bot, auch die energiearme Komponente der Kosmischen Strahlung in die Energiedosisberechnung mit einzubeziehen.