Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder Sommersemester 2014 Lehrveranstaltung: Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW 23. Mai 2014 bis 28. Mai 2014 Folien © Dr. Konrad Schwingenschuh

ftp-Adressen Vorlesungsunterlagen: Powerpoint und Literatur: ftp://ftp.iwf.oeaw.ac.at/pub/schwingenschuh/vorlesung2014 Webseite: Adresse: Dr. Konrad Schwingenschuh 1. Stock, 1c8 Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Abteilung für Experimentelle Weltraumforschung Schmiedlstrasse 6 A-8042 Graz Telefon: Fax: Mobiltelefon:

Inhaltsverzeichnis Tag-2 Teil2 Die Förstersonde oder das Fluxgate Magnetometer Magnetische Reinheit

Förstersonde (Fluxgate) Magnetometer Erfunden um 1930 Institut Dr. Förster in Reutlingen bei Stuttgart Nichtlineare Eigenschaften der Magnetisierungskurve Phasenempfindlicher Gleichrichter bestimmt die 1. Oberwelle Linearisierung durch Gegenkopplung () Rückkopplungsfeld entspricht Messwert (Regelkreis, Nullinstrument) Dreiachsige Sensoren messen den Magnetfeldvektor Doppelkernsonden und Ringkerne Gleich- und Wechselfelder bis etwa 100 Hz Von etwa 10 pT bis nT Digitalmagnetometer

Wichtige Parameter des Fluxgat- Magnetometers Zur Messung von Gleich- und Wechselfeldern Zur Messung des Magnetfeldvektors Von 10pT bis etwa nT Empfindlichkeit nimmt mit steigender Frequenz ab (Tiefpass-Verhalten) Gewicht eines modernen dreiachsigen Sensors nur etwa 50g (Vega/Phobos-Sensoren etwa 500g) Daten des Cluster-Magnetometers (2 dreiachsige Sensoren + Elektronikbox): 300g pro Sensor, 2060g für Elektronikbox, 2,5W Leistungsverbrauch Frequenzbereich: 0 bis 200 Hz Messbereiche: 64 nT bis nT

Funktionsprinzip einer Förstersonde Ein weichmagnetischer Kern wird durch ein von einer Spule erzeugtes Wechselfeld mit konstanter Frequenz f 0 (typisch 10 kHz) zyklisch bis zur Sättigung magnetisiert. In einer zweiten Spule wird eine symmetrische Spannung induziert, die nur ungeradzahlige Vielfache der Anregungsfrequenz enthält. Ein äußeres Magnetfeld verursacht eine Asymmetrie der induzierten Spannung und produziert damit geradzahlige Vielfache der Anregungsfrequenz, deren Amplitude ein Maß für das Magnetfeld ist.

Die in Graz entwickelte Datenerfassung für das CLUSTER-II Magnetfeldexperiment FGM.

... Venus Express Zwillingssatellit von Mars Exp. 1,5 x 1,8 x 1.4 m 1270 kg (gesamt) Davon 93 kg für sieben wissenschaftliche Geräte 570 kg Treibstoff 400 N Hauptmotor 4 x 10 N Steuerdüsen 3 Lithium-Ionen Batterien 2 ‚High-Gain‘ Antennen GaAs Solarzellen ‚Prime‘: Astrium / Toulouse

... und drei Herausforderungen Extrem kurze Entwicklungszeit (< 2 Jahre) Thermischen Bedingungen bei der Venus 2- bis 3-mal so heiße Sonne Design, Bau und Qualifikation des Sensorauslegers durch VEXMAG Team

... sechs Einheiten (Modelle) Labormodell Prozessorplatine Sensorelektronik und Sensor ‘Engineering’-Modell Gesamtgerät Strukturmodell Elektronikbox Qualifikationsmodell Gesamtgerät Flugmodell Gesamtgeräte Reserveeinheit Prozessorplatine Sensorelektronik und Sensor Hebelarm

EMV und magnetische Reinheit Sensoren auf langen Auslegern Radiated/conducted Abstrahlung möglichst klein Unempfindlich gegen Störstrahlung Mögliche Störquellen: DC Wandler (synchroner Betrieb) Magnetische Störquellen: Sonnensegel, Stromkabel, Reaction wheels, magnetischeWerkstoffe Gegenmássnahmen: magnetisches Reinheitsprogramm, Kalibrierung der Flugdaten Kompensation statischer Magnetfelder

Elektromagnetische Verträglichkeit : EMV-1 EMC-Analysator Vorverstärker Bikonische Antenne Log. Periodische Antenne

Elektromagnetische Verträglichkeit : EMV-2 Nahfeldsonden für verschiedene Frequenzbereiche Netznachbildung Störspannungsbegrenzer

Elektromagnetische Verträglichkeit: (EMV-3 Stromsonde Kabel, Adapter, etc.

Elektromagnetische Verträglichkeit : EMV-4 Bsp: Spektr. Stromverteilung (Emission) von Kabel

Entwurf, Bau und Auswertung von Magnetfeldexperimenten Allgemeine Anforderungen an Sensoren und Elektronik Magnetische Reinheit von Satelliten und Raumsonden als Teil der EMV Vorverarbeitung und Übertragung der Daten Der Einfluss der Lage und Position der Raumsonden auf die Messgenauigkeit Kurze Beschreibung der bisherigen Magnetfeldexperimente und der Ergebnisse Datenauswertung

Helmholtz-Spulensystem Das Spulensystem dient zur Kompensation des Erdmagnetfeldes, um das magnetische Moment von Satellitenbaugruppen und Weltraumexperimenten zu bestimmen und zum Entmagnetisieren

Allgemeine Anforderungen (golden rules) Zwei oder mehr dreiachsige Sensoren Minimierung des magnetischen Streufeldes (Ausleger, Gradiometer, Reinheitsprogramm ) Optimale Empfindlichkeit und angepasster Meßbereich (auch für unerwartete Situationen) Geringer Offset des Sensors und durch Streufelder (in-flight calibration) Geringer Temperaturgang von Sensor und Elektronik (pre-flight calibration) Einfache und zuverlässige Elektronik Datenübertragung: Rohdaten, nicht mehr als 10% vorverarbeitete Daten Möglichst kontinuierliche Zeitreihen (auch mit geringerer Zeitauflösung)

Magnetische Vermessung und Bestimmung des magnetischen Moments eines Motors des ROSETTA Landers (M= 1215 mAm^2)

Bisherige Magnetfeldexperimente ASM an Bord von Venera 13/14 1ES019B an Bord von Spacelab MISCHA an Bord von VEGA-1/2 MAGMA an Bord von Phobos-1/2 MAREMF an Bord von Mars-96 (abgestürzt) FGM an Bord von Cluster-I (Fehlstart) SPRUTMAG an Bord von MIR FGM an Bord von Cluster-II CHIMAG/SEGMA Magnetometerketten in China und Mittel-Süd- Europa Magnetometer auf DS-1 VEXMAG auf Venus Express ROSETTA Lander/Orbiter Magnetometer THEMIS Magnetometer In Vorbereitung: MMS und BepiColombo Magnetometer

Datenauswertung: seismomagnetische Effekte