Jakub Enžl Funkční simulátor detektoru energetických elektronů pro projekt TARANIS

Transkript

1 Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCE Jakub Enžl Funkční simulátor detektoru energetických elektronů pro projekt TARANIS Katedra fyziky povrchů a plazmatu Vedoucí diplomové práce: doc. RNDr. Lubomír Přech, Dr. Studijní program: Fyzika povrchů a ionizovaných prostředí 2010

2 Děkuji svému vedoucímu Lubomíru Přechovi za četné připomínky, vedení práce a odbornou pomoc. Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci napsal samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů. Souhlasím se zapůjčováním práce. V Praze dne Jakub Enžl 2

3 Obsah 1 Úvod 6 2 Teorie Atmosféra Globální elektrický obvod a bouřky Transient Luminous Events-TLE Skřítci Runaway Breakedown-RB Elfové Modré výtrysky a gigantické výtrysky Bleskem indukované vypadávání elektronů Projekt TARANIS Detektor IDEE (Instrument Détecteurs d Electrons Energétiques) Analyzátor IDEE Cíle práce 37 4 Realizace Generátor zkušebních dat LEP spektra RRE spektra Řízení simulátoru detektoru IDEE Simulátor detektoru IDEE Závěr Přílohy 55 Literatura 56 3

4 Název práce: Funkční simulátor detektoru energetických elektronů pro projekt TARA- NIS Autor: Jakub Enžl Katedra: Katedra fyziky povrchů a plazmatu Vedoucí diplomové práce: doc. RNDr. Lubomír Přech, Dr. vedoucího: prech@mbox.troja.mff.cuni.cz Abstrakt: Již delší dobu se v souvislosti s bouřkami pozorují přechodné světelné jevy, které byly shrnuty pod jednotné označení Transient Luminous Events-TLE. K měření těchto jevů je v rámci projektu TARANIS vyvíjen mikrosatelit. Na tomto mikrosatelitu se má nacházet přístroj pro měření energetických elektronů IDEE. Součástí tohoto přístroje je i analyzátor, vyvíjený na Katedře fyziky povrchu a plazmatu- KFPP (Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy - MFF UK). Analyzátor má za úkol řízení detektoru, správu naměřených dat a v případě, že se v naměřených datech objeví studované jevy, generování alert signálu pro uvědomění dalších přístrojů na palubě TARANIS. Pro účel testování správné funkce analyzátoru je vyvíjen simulátor detektoru IDEE. Jeho úkolem je generování testovacích dat a jejich odesílání do analyzátoru. Generovaná data mají odpovídat datům, jaká se očekávají při TLE, např. jako sprška tzv. relativistických úběžných elektronů. Dalším jevem, který má TARANIS studovat je bleskem-indukované elektronové vysypávání. Data podobná těmto mají být rovněž simulována. Klíčová slova: TARANIS, detektor energetických elektronů IDEE, přechodné světelné jevy, bleskem-indukované elektronové vysypávání, relativistické úběžné elektrony Title: Functional simulator of the energetic electron detector for the TARANIS project Author: Jakub Enžl Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: doc. RNDr. Lubomír Přech, Dr. Supervisor s address: prech@mbox.troja.mff.cuni.cz Abstract: Over a significant period of time there have been observations of stormconnected phenomena - so called Transient Luminous Events (TLE). In order to perform new measurements, a microsatellite is being developed under a project called TARANIS. The microsatellite is to carry a device designed to measure high-energy electrons IDEE. Its analyser developed at the Department of Surface and Plasma Science (Faculty of Mathematics and Physics, Charles University) should perform overall control of the detector and processing of registered data. The analyzer will also generate an Alert signal to inform other TARANIS devices whenever TLE-related event such as Relativistic Runaway Electon burst is observed. In order to test the analyzer an 4

5 IDEE detector simulator is being developed. It s task is to generate data and send it to the analyzer. The data should be consistent with the ones expected to be measured during TLE. Another phenomenon to be studied by TARANIS is lightning-induced electron precipitation. Registration of such data will be simulated as well. Keywords: TARANIS, detector of energetic electrons IDEE, Transient Luminous Events, Lightning-induced Electron Precipitation, Relativistic Runaway Electrons 5

6 Kapitola 1 Úvod Na Zemi je trvale aktivní okolo tisícovky bouřek. Bouřky jako přírodní fenomén mají velký vliv na život na Zemi. Charakteristické jsou velkým množstvím uvolněných srážek a blesky. Blesk je jevem, při kterém se přesunuje náboj v bouřkovém mraku. Nejznámější je blesk CG (cloud-to-ground), který přenáší nahromaděný náboj mezi zemským povrchem a mrakem. Následky těchto blesků pak mohou být porušení elektrické sítě nebo poškozená elektrická zařízení. Blesky jsou jen malou částí většího celku procesů přesouvání náboje. V této souvislosti mluvíme o takzvaném globálním elektrickém obvodu (Global Electric Circuit-GEC), ve kterém dochází k přesunu náboje mezi ionosférou a zemí. V něm hrají bouřky nezastupitelnou roli tím, že separují elektrický náboj a nabíjejí celý systém. Již delší dobu se v souvislosti s bouřkami pozorují další jevy, které byly shrnuty pod jednotné označení Transient Luminous Events-TLE. Pod tímto označením se skrývá několik různých jevů, u nichž byl jako společný iniciátor rozpoznán blesk. TLE jsou jevy vyskytující se nad bouřkovým mrakem, to ztěžuje jejich přímé pozorování ze zemského povrchu. Dělí se do několika základních typů: skřítci (Sprites), elfové (Elves), modré výtrysky (Blue Jets), gigantické modré výtrysky (Gigantic Blue Jets) a další. Jednotlivé typy TLE mají různý mechanismus vzniku a různé projevy, mají rozměry až desítky kilometrů a jsou při nich uvolněny energie až 1 GJ. Jejich základní popis je uveden v kapitole 2.3. Předmětem zájmu o tyto jevy je jejich vliv na okolí. Tím je míněn například vliv na chemii atmosféry, jejich role v GEC nebo způsob, jakým propojují nižší atmosféru s ionosférou a magnetosférou. Skřítci jsou například považovány za další zdroj NO x a HO x v atmosféře. Koncentrace oxidu dusíku má přitom přímý vliv na koncentraci ozonu a hydroxylových radikálů. Dalším jevem, který se pozoruje v zemské atmosféře, jsou gama záblesky (Terrestrial Gamma-Ray Flashes-TGF). Hledáním koincidencí gama záblesků zachycených družicí 6

7 RHESSI a radiových impulzů z bleskových výbojů zvaných atmosfériky byla zjištěna spojitost mezi blesky a TGF [1]. Ty se objevovaly jen několik milisekund po sobě. Další analýza atmosfériků, u nichž byla nalezena koincidence s gama záblesky, ukázala, že jejich tvar se shoduje s tvarem jiných atmosfériků, u nichž byla prokázána spojitost se skřítky [2]. To by naznačovalo, že TGF a skřítci jsou jen různým projevem jednoho fyzikálního jevu. Mechanismus vzniku TGF je připisován relativistickým úběžným elektronům (Relativistic Runaway Electrons-RRE). Ty mohou vzniknout nad bouřkovým mrakem a propagovat se směrem k ionosféře. Při interakci těchto elektronů s částicemi vzduchu pak dojde ke vzniku brzdného záření, které pozorujeme jako TGF. Blesky mají vliv i mnohem dále než je hranice ionosféry. Atmofériky, které se při blesku vytvoří, se mohou propagovat dále za ionosféru do magnetosféry v podobě hvizdů. Ty se pohybují přibližně ve směru magnetických siločar Země, až na opačnou polokouli, tam se částečně odrazí od ionosféry a putují zpět. Takto se mohou odrazit mnohokrát za sebou, dokud se neutlumí. V magnetosféře je mnoho částic zachyceno v oblasti zvané radiační pásy. V těchto pásech se částice pohybují podél magnetických siločar, než by ale mohly dosáhnout atmosféry, jsou odraženy mechanismem magnetického zrcadla. Průletem hvizdů magnetosférou jsou stabilní dráhy těchto částic narušeny a dříve než se stihnou odrazit, interagují s ionosférou. Tento jev je pojmenovaný blesky indukované elektronové vypadávání (Lightning-induced Electron Precipitation-LEP). Vlivem těchto spršek je lokálně zvýšena ionizace ionosféry[3] a ovlivňuje se tím obsazení radiačních pásů. Jak bylo výše naznačeno, blesky jsou původcem mnoha rozličných fyzikálních jevů, které mají velký rozsah vlivu a působení. Významně zasahují do procesů, které se odehrávají jak blízko u země, tak daleko v magnetosféře. Jejich vliv na vyšší části atmosféry je zatím jen málo pochopen. Teorie, které mají jevy, jako jsou například TLE vysvětlovat, zatím narážejí na nedostatečný počet měření. TLE jsou studována například měřením atmosfériků nebo infrazvuku, který skřítci produkují. Pro jejich pochopení je třeba získat komplexnější měření. Tato data by se dala zajistit pomocí družicových měření. Pro tento účel má sloužit mikrosatelit projektu TARANIS [4]. TARANIS je francouzský projekt, který má zajistit družicová měření TLE, TGF a LEP. Pro tyto účely má být TARANIS vybaven množstvím přístrojů, pokrývajících tento vědecký záměr. Podrobnější popis je v kapitole 2.5. Jedním z přístrojů, který má být na TARANIS umístěn, je detektor energetických elektronů (Instrument Détecteurs d Electrons Energétiques-IDEE). Přístroj má měřit elektrony v energetickém rozsahu 70 kev 4 MeV. Má tak být schopen zachytit relativistické elektrony vzniklé při bouřkách i spršky elektronů uvolněné z radiačních pásů. Součástí tohoto přístroje je také analyzátor, který zpracovává data a vyhledává v nich události. Analyzátor má umět rozlišovat dva typy událostí: LEP a RRE. Události musí 7

8 umět v datech rozpoznat, aby je mohl zaznamenat s co nejvyšší možnou přesností. Analyzátor má za úkol ukládat data ve dvou formátech. Data, ve kterých se vyskytne hledaný jev, má uložit v plném rozlišení. Z dat, ve kterých se hledaná událost nenalezne, má akumulovat energetická spektra. Přístroj IDEE je vyvíjen ve spolupráci s CESR (Centre d Etude Spatiale des Rayonnements) v Toulouse a Katedry fyziky povrchů a plazmatu MFF UK. Úkolem KFPP je navrhnout a vyrobit jednotku analyzátoru IDEE. Pro potřeby odzkoušení správné funkce tohoto analyzátoru je třeba vytvořit simulátor detektoru IDEE. Tento simulátor bude umět vysílat různé zkušební signály a vytvoří tak podmínky pro odzkoušení funkcí analyzátoru. Tvořené signály mají odpovídat spektrům, jejichž naměření se na detektoru předpokládá. Tak bude moci být odzkoušena funkce vyhledávání událostí. Popis tvorby a funkce simulátoru je obsahem této práce. 8

9 Kapitola 2 Teorie 2.1 Atmosféra Zemská atmosféra je plynný obal Země. Základní představu o hustotě atmosféry můžeme získat z barometrické rovnice 2.1, která nám udává vztah mezi tlakem ideálního izotermického plynu, a výškou nad zemským povrchem: ( p(z) = p(0)exp mgz ) (2.1) kt Kde p(0) je tlak plynu ve výšce z = 0, g je gravitační zrychlení, m je molekulární hmotnost plynu, k je Boltzmannova konstanta a T je termodynamická teplota. Pro Zemi platí tato rovnice dobře až do výšky asi 20 km, výše dochází k odchylkám, které jsou dány změnami teploty atmosféry s nadmořskou výškou nebo změnami gravitačního zrychlení s nadmořskou výškou [5]. Základní vypovídací hodnota této rovnice však zůstává: koncentrace částic se snižuje exponencielně s nadmořskou výškou. Atmosféru dělíme na vrstvy, nejnižší vrstvou je troposféra, která sahá od povrchu až do výšky 10 km nadmořské výšky. Tato vrstva je nejtěsněji spojená se zemským povrchem, nacházejí se v ní mraky a probíhá v ní většina jevů spjatých s počasím. Teplota troposféry klesá s nadmořskou výškou. Druhou nejnižší vrstvou atmosféry je stratosféra. Ta se nalézá ve výšce km. Tato vrstva je typická obrácenou teplotní závislostí než je tomu v troposféře. Teplota v stratosféře stoupá s výškou. Tato závislost určuje i její hranice, ta je mezi troposférou a stratosférou určena jako inverzní bod teplotní závislosti, ve kterém začne teplota v závislosti na výšce stoupat. Obdobně horní hranice stratosféry je určena jako bod, ve kterém začne teplota v závislosti na výšce opět klesat. Důvodem tohoto inverzního teplotního průběhu je ozón, který se v stratosféře nachází, ten interaguje s ultrafialovým 9

10 zářením ze Slunce a tím stratosféru ohřívá. Další vrstvou je mezosféra, klademe jí do výšky km. Teplota v mezosféře klesá s výškou. Horní hranice mezosféry je dána jako nejchladnější bod, nad ním se začne atmosféra opět velmi rychle ohřívat. Důležitou částí atmosféry je ionosféra. Nachází se ve výškách nad 50 km. Obsahuje velké množství iontů a elektronů, jejichž koncentrace se pohybují v rozmezí cm 3. Ionty vznikají pomocí slunečního ultrafialového záření a energetických částic, které do ionosféry vnikají. Koncentrace nabitých částic se mění dle svých zdrojů, tedy s denní dobou a s úrovní sluneční aktivity. Tato vrstva je velmi dobře vodivá a proto se využívá například jako odrazná plocha při šíření radiokomunikačních elektromagnetických vln. Nad ionosférou se nachází důležitá oblast zvaná magnetosféra, která je ohraničena jako oblast vlivu zemského magnetického pole. Magnetické pole v blízkosti Země si můžeme představit jako pole magnetického dipólu, orientované ve směru rotační osy Země. Magnetický dipól Země však není s rotační osou Země zcela rovnoběžný, je odkloněn o 11 a posunut asi o 500 km severně od středu Země. Tento odklon a posunutí způsobuje anomálii v jižním Atlantiku (South Atlantic Anomaly-SAA), v tomto místě je magnetické pole slabší, to má vliv na částice pohybující se v magnetosféře. Tento jev bude podrobněji diskutován v kapitole Globální elektrický obvod a bouřky Globální elektrický obvod zahrnuje množství procesů, pomocí kterých se náboj přenáší. Významný je zde hlavně přenos náboje mezi zemským povrchem a ionosférou, které můžeme považovat za dostatečně vodivé prostředí oproti atmosféře. V prvním přiblížení si můžeme Zemi představit jako sférický kondenzátor, jehož dvě elektrody jsou tvořeny zemským povrchem a ionosférou. Mezi nimi se nachází relativně málo vodivá atmosféra. Tento kondenzátor je na obrázku 2.1 znázorněn kondenzátorem C. Mezi zemským povrchem a ionosférou je udržováno stálé napětí 100 kv. Jevy ovlivňující GEC můžeme rozdělit na ty, které obvod nabíjejí a na ty, které ho vybíjejí. Vybíjení se děje převážně za klidného počasí. Ve vzduchu je udržována jistá míra ionizace, vytváří ji především kosmické záření a přirozená radiace. Ionty takto vzniklé se v poli GEC separují. Jelikož je za normálních podmínek povrch Země nabit záporněji než ionosféra, jsou k němu přitahovány kladné ionty. Záporné ionty se přesunují směrem k ionosféře. Tím nashromážděný náboj kondenzátoru ubývá. Na obrázku 2.1 je schematicky znázorněn globální elektrický obvod. V pravé části, za svislou čárkovanou čarou, je znázorněné vybíjení přes odpor r, pomocí právě popsaného mechanismu. Odpor atmosféry se velmi silně mění s výškou. Většina odporu je soustředěna v několika spodních 10

11 kilometrech atmosféry. To je dané dominantním vlivem kosmického záření na ionizaci atmosféry. Odpor je také závislý na denní době, míře znečištění vzduchu a řadě dalších faktorů. Obrázek 2.1: Schéma globálního elektrického obvodu, jednotlivé prvky v obvodu představují různé atmosférické jevy. Vlevo je znázorněn magnetosférický generátor, v pravo je znázorněno vybíjení obvodu za klidného počasí, uprostřed je schématicky popsána bouřka, spínače představují různé druhy atmosférických výbojů Jak bylo řečeno, bouřky působí jako generátor, který GEC nabíjí. V bouřkách se uplatňuje separování náboje. Je známo mnoho principů, s různou rychlostí a účinností, které se v procesu separace náboje uplatňují [6]. Princip nabíjení je založen na preferovaném přenosu náboje mezi částicemi při jejich srážce. Běžná situace v bouřkovém mraku je taková, že menší ledové krystalky se nabíjejí kladně a pohybují se směrem vzhůru, kdežto větší částice zvané graupel jsou nabíjeny záporně a klesají. Tím vznikají prostorově oddělené nabité oblasti. Mechanismů nabíjení částic je více, jejich vliv na separaci náboje pak záleží na podmínkách v mraku. Těmito mechanismy vznikají v mraku nabité vertikální vrstvy. Nejběžnější uspořádání bouřky se skládá ze dvou hlavních nábojových center, spodního záporného a horního kladného. Dále jsou zde slabší nábojová centra, svrchní stínící záporné nábojové centrum, které se nachází na vrcholku mraku, a spodní kladné nábojové centrum, které se nachází na spodku mraku. Méně časté je inverzní uspořádání bouřkového mraku, kdy je záporné nábojové centrum nad kladným. 11

12 Pokud se v bouřkovém mraku nacházejí nabité oblasti, může dojít k bleskovému výboji. V bouřkách se vyskytuje několik typů blesků: V mraku (intra-cloud-ic), z mraku do mraku (cloud to cloud), z mraku do vzduchu (cloud-to-air), z mraku do země (cloud-to-ground-cg) a z mraku do ionosféry. Blesky se nejčastěji vyskytují mezi hlavním (kladným nebo záporným) nábojovým centrem mraku a zemí. Nabíjení GEC pomocí bouřek je realizováno pomocí CG- blesků, které přenášejí záporný náboj z mraku do země. Mrak se tak nabíjí kladněji a tím se zvyšuje pole nad mrakem. To může vyústit ve výboj v horní části mraku, který bude mít podobu vzestupného výboje stejné polarity, jako je horní část mraku. Takový výboj zakončuje cyklus, kterým se nabíjí GEC. Na obrázku 2.1 je tento mechanismus znázorněn pomocí spínače S3, který reprezentuje CG- blesk, a spínače S1, který znázorňuje výboj do ionosféry. Spínač S2 pak znázorňuje blesk CG+, který přenáší záporný náboj ze země do mraku. Dalším znázorněným jevem je magnetosférický generátor, ten vytváří elektrické pole u magnetických pólů Země. Příčina generování pole je ve slunečním větru, ve kterém existuje v B elektrické pole, které se podél magnetických siločar Země mapuje do ionosféry. Posledním znázorněným jevem jsou procesy probíhající pod bouřkovým mrakem, zahrnující srážky, nebo proudění vzduchu. Tyto procesy také přispívají k separaci náboje v bouřce. Bouřkový mrak skládající se ze dvou hlavních nábojových vrstev je pouze idealizovaný model. V reálných bouřkách se setkáváme s větším počtem nabitých vrstev, až šesti. Pole uvnitř bouřkových mraků mají hodnoty až 100 kv/m a rychle se mění jak s časem tak s polohou. To, že se tak velká elektrická pole v mraku udrží, zapříčiňuje snížená vodivost uvnitř bouřkového mraku, kde je většina náboje vázána na těžší částice a mají tak velmi malou pohyblivost. Pole nad bouřkovým mrakem mají velikosti menší kv/m. Pole jsou v atmosféře stíněna [7]. Po vzniku nabité vrstvy, například po bleskovém výboji, trvá určitou dobu, než se stínící vrstva vytvoří. Tato doba je závislá na počtu nosičů náboje v atmosféře a na jejich pohyblivosti. Proto se čas potřebný k odstínění vrstvy mění s nadmořskou výškou, jelikož ve vyšších vrstvách atmosféry je vyšší ionizace. Například pro výšky: 60 km je to 10 ms, pro 40 km je to 100 ms a pro oblast těsně nad bouřkovým mrakem jsou časy stínění s. Jen po takovou dobu se může nad mrakem udržet silné pole. Poté je odstíněno na úroveň, srovnatelnou s polem za klidného počasí. Tyto časy jsou důležité, protože pro vznik některých TLE je potřebné dostatečně silné pole nad mrakem. Takové pole může vytvořit silný bleskový výboj. 12

13 2.3 Transient Luminous Events-TLE Již dlouho před prvním pozorováním TLE byla teoreticky předpovězena možnost existence elektrických výbojů nad bouřkovými mraky. První pozorování byla uskutečněna v roce 1990 [8]. Od té doby jsou TLE studovány mnoha metodami. Byla uskutečněna řada pozemních a balonových pozorování TLE. Na jejich základě byly roztříděny na jednotlivé typy vyznačující se různými vlastnostmi, ty jsou shrnuty v následující tabulce [9]. skřítci modré výtrysky elfové Horizontální rozměr km 3 km 300 km nadmořská výška km km km Trvání ms ms ms Četnost 0.5/min 0.01 / min 3.23/min Uvedené četnosti se v různých pracech značně liší. Družice FORMOSAT2 prokázala, že je TLE běžným jevem po celé zeměkouli [9]. Podrobnější pozorování ukázala na některé zajímavosti v jejich geografickém výskytu. Různé druhy TLE se objevují nad pevninami a nad moři. Skřítci se objevují převážně nad pevninou, kdežto elfové nad oceány. Ilustrace TLE je na obrázku Skřítci Skřítci jsou jedni z nejstudovanějších TLE. Vznikají několik desítek milisekund po intenzivním bleskovém výboji CG+. Mají načervenalou barvu, která je dána dusíkovou čarou 1P. Vyznačují se vnitřní strukturou, která tvoří množství propletených výbojových kanálků, na kterých jsou jasně zářící kapky[10]. Vytvoření skřítka začíná jako jasný bod ve výšce 70 km. Následně se z něj začnou šířit ve vertikálním směru výtrysky. Blesky vytvářejí atmosfériky. Při blescích, po nichž následoval vznik skřítka, byly naměřena jiná spektra atmosfériků v extrémně nízkých frekvencích. Tyto atmosfériky se vyznačovaly druhým intenzitním maximem. Z těchto pozorování se zjistilo, že většina těchto blesků byla typu CG+. Navíc musely být blesky dostatečně silné, tedy mít dostatečně velký nábojový moment [12]. Pro každou bouřku lze stanovit prahovou hodnotu nábojového momentu, od jehož překročení dojde ke vzniku skřítka. Naopak blesky, které mají nábojový moment menší, než je prahová hodnota, vznik skřítka neiniciují [13]. Skřítci se často objevují v celých skupinách složených z několika menších skřítků mrkvovitého tvaru, nebo osamocených sloupcového tvaru. Tvar jednotlivých skřítků zřejmě souvisí s IC bleskovou aktivitou uvnitř mraku, která sytí hlavní CG+ blesk. 13

14 Obrázek 2.2: Ilustrace jednotlivých druhů TLE a jejich výskytu v různých nadmořských výškách [11]. Skřítci sloupcového tvaru se objevují velice brzy po iniciačním blesku a mají velmi ostrý proudový pík. Doprovází ho jen malá IC aktivita. Skřítci mrkvovitého tvaru jsou zato charakteristické delší prodlevou mezi iniciačním CG+ výbojem, který je zároveň slabší, delší a doprovází ho velká IC aktivita. Při vytvoření skřítka dojde k velké disipaci energie v atmosféře. Skrze výboj do ionosféry, který skřítek představuje, tečou velké elektrické proudy. První odhady uvolněné energie byly založeny na optickém pozorování. Dospělo se k hodnotě 1 10 MJ, maximum až 1 GJ. Následně byla provedena měření infrazvuku, který skřítci produkují. Z těchto měření vyšly hodnoty mnohem vyšší GJ [14]. Popsané vlastnosti jdou vysvětlit pomocí teorie popisující Runaway Breakedown-RB. Skřítek je tedy průvodní jev jiného fyzikálního jevu Runaway Breakedown-RB Uvažujme nyní elektron pohybující se v konstantním elektrickém poli E v plynném prostředí. Pro takový elektron můžeme napsat jednorozměrnou pohybovou rovnici: m v t = ee F B(v) (2.2) 14

15 V této rovnici vystupují dva členy, člen urychlující, který je daný elektrickou silou a brzdná síla F B (v). Brzdná síla zde zastupuje srážky s neutrálními částicemi vzduchu. Pro nízké energie to mohou být elastické srážky, ionizace, disociace a řada dalších. Při vyšších energiích začne elektron vnímat okolní látku spíše jako jednotlivé nabité částice. Vystupují zde srážky typu elektron-elektron nebo elektron-atomové jádro. Jde o srážku dvou nabitých částic, tedy o Rutherfordův rozptyl. Pro ten klesá pravděpodobnost interakce s energií elektronu ɛ jako 1/ɛ. Dále pro energie elektronu větší než 1 MeV začne brzdná síla opět stoupat, vlivem emise brzdného záření a dalších relativistických jevů. Pro nerelativistické energie, můžeme zjednodušeně popsat brzdnou sílu jako [15]: F = 4πN mze 4 ( ) mv 2 ln mv 2 Zɛ i (2.3) Kde N m je koncentrace molekul vzduchu. Z je atomové číslo (pro vzduch 14.5). ɛ i je ionizační energie. Pro elektrony s relativistickou energií (ɛ mc 2 ) platí přibližný vzorec: F = 4πN mze 4 ( ) mc 2 ln γ mc 2 ɛ 1 (2.4) Kde γ = ɛ/mc 2 a ɛ 1 = 270 ev je konstanta. Z grafu 2.3 je vidět, že méně energetické elektrony jsou bržděny mnohem více než vysokoenergetické. Z rovnice 2.2 je vidět, že pro rovnovážné řešení platí: ee F B (v) = 0 (2.5) Z grafu 2.3 je vidět závislost brzdné síly elektronu na jeho energii. Pro nízké energie v ní brzdná síla klesá. Bude zde tedy existovat kritická energie ɛ k, při níž se brzdná síla bude rovnat síle urychlující. Pro částice s nižší energií bude brzdná síla vždy vyšší, než urychlující elektrická síla. Taková částice se zabrzdí. Částice, která bude mít energii vyšší než ɛ k, bude stále více urychlována, jelikož brzdná síla bude s její přibývající energií klesat. Urychlování částice se zastaví až v relativistických energiích. Zde začne brzdná síla opět stoupat a v jistém bodu opět dosáhne rovnováhy. Takovým elektronům říkáme relativistické úběžné elektrony (Relativistic Runaway Electrons-RRE). Tyto elektrony mají poměrně velkou energii a svým pohybem v prostředí vyrážejí z molekul další elektrony a tím je ionizují. Vyražené elektrony mohou mít počáteční energii vyšší než je prahová ɛ k, a mohou se také urychlit na RRE. Tak vzniká celá lavina vysokoenergetických elektronů, jejichž počet exponenciálně roste. Účinnost tohoto procesu závisí na mnoha faktorech. Vznik nových elektronů s energií vyšší než ɛ k můžeme kvantifikovat [15]: 15

16 Obrázek 2.3: Závislost brzdné síly na energii elektronu E. Síla je udána v relativních jednotkách vztažených na minimum brzdné síly F min dn(ɛ k ) ds = πzn me 4 mc 2 ɛ k (2.6) V rovnici 2.6 je popsán přírůstek elektronů, s energií vyšší než ɛ k, na element dráhy. Počet nově vzniklých elektronů, závisí na koncentraci neutrálních částic N m. Je vhodné říci, že nevznikají pouze vysokoenergetické elektrony, vzniká také velké množství volných elektronů nízkých energií. Oblasti, kterými prošlo větší množství RRE, jsou tak charakteristické zvýšenou ionizací a tedy i zvýšenou vodivostí. Elektrony, které jsou z molekul vyráženy, mají převážně směr kolmý na RRE, které je vyrazily. Tento jev může snížit efektivitu celého lavinového procesu, protože RRE mají vektor rychlosti blízký směru urychlujícího elektrického pole E. Tento jev můžeme v rovnicích zohlednit zavedením úhlu Θ, který popisuje úhel mezi původním RRE a nově vzniklým elektronem: µ = cosθ Upravené pohybové rovnice budou tvaru [15]: ɛ k mc 2 (γ 1) (2.7) m v t = eeµ F B(v) (2.8) 16

17 m µ t = ee mv (1 µ2 ) (2.9) Pokud užijeme definici brzdné síly pro nerelativistické energie 2.3 dostaneme rovnici, na které je dobře vidět vliv µ na trajektorie elektronů. du dµ = 2 ( µu 1 4πN m Ze 3 [ ]) ln u µ 2 11 Emc 2 ln(mc 2 /ɛ i Z/2) (2.10) Zde zavádíme bezrozměrnou veličinu u = v 2 /c 2. Tato rovnice rozděluje trajektorie elektronů na dva typy. Elektrony, ze kterých se stanou RRE, a na elektrony, které se zpomalí. Vysvětlit to lze z grafu 2.4. Každý nově vzniklý elektron začne s určitou energií, která udává velikost u. Sklon vektoru rychlosti vzhledem k elektrickému poli E, nám udává parametr µ. Při µ = 1 letí elektron přímo ve směru elektrického pole. A jelikož zde není jiný zdroj silového působení, vyjma brzdného, které je nezávislé na směru, tak každý elektron musí skončit s vektrorem rychlosti ve směru E. Jeho další osud pak závisí na tom, zda má po otočení ještě dostatečnou energii, aby se stal RRE. Tato podmínka je vyjádřena rovnicí Pokud má elektron o určitém µ vyšší u než jakou udává tato rovnice, stane se z tohoto elektronu RRE. µ = 44πN mze ln(u) uemc 2 ln ( ) (2.11) 2mc 2 Zɛ i Z rovnice lze získat hodnotu u 0, tato hodnota je práh pro to, aby se z elektronu stal RRE at už byl jeho původní směr jakýkoliv [15]. Pokud tuto hodnotu využijeme v odhadu počtu nově vzniklých energetických elektronů, dostaneme následující vztah: dn ds = 2πZN me 4 = 1 (2.12) (mc 2 ) 2 u 0 λ kde zavádíme novou proměnnou λ, která charakterizuje střední vzdálenost mezi vznikem elektronů s energií větší, než je energie daná prahovou hodnotou u 0. Dále uvážíme, že počet nově vzniklých elektronů je dán počtem vysokoenergetických relativistických elektronů N f. Celkový počet nově vznikajících elektronů v lavině N celk tedy bude: dn celk ds = N f λ (2.13) Takto vzniklé elektrony se stanou relativistickými elektorny N f až po dostatečném urychlení elektrickým polem E. Pro tento účel zavedeme pojem akcelerační délky, dané vztahem Akcelerační délka udává nejmenší vzdálenost, kterou elektron musí urazit, aby se urychlil na energii RRE ɛ [16]: 17

18 Obrázek 2.4: Znázornění trajektorií elektronů v rovině uµ, kde u = v 2 /c 2 a µ = cos(θ). Zde Θ je úhel mezi vektorem pohybu nového elektronu a vektorem pohybu původního RRE, který má směr téměř shodný s elektrickým polem. Tlustá čárkovaná čára odděluje trajektorie elektronů, ze kterých se stanou RRE, a elektronů, které se zpomalí. l = ɛ ee ( ) (2.14) 1 4πNmZe3 a Emc 2 Aplikací tohoto vztahu v rovnici 2.13 dostaneme konečný vztah pro generování laviny relativistických úběžných elektronů (runaway breakdown-rb): dn celk = N celk(s l) (2.15) ds λ Je třeba splnit několik podmínek, aby se vytvořila lavina RRE. Proces musí být dostatečně efektivní, to lze vyjádřit podmínkou: l λ 1 (2.16) V reálném prostředí lze tuto podmínku splnit, pokud máme dostatečně silné elektrické pole. Splnění této podmínky, tak aby byl RB možný, lze docílit pro pole E th > 1 kv/cm 18

19 [15]. Konkrétně pro vzduch za atmosférického tlaku je kritické pole E th = 2, 16 kv/cm. Zároveň je důležité, aby bylo takto silné pole na dostatečně dlouhém prostorovém rozměru > l, aby se elektrony stihly urychlit. Poslední podmínka je, že v oblasti působení pole se musí nacházet první energetická částice, která lavinu spustí. Tuto úlohu sehrává v atmosféře radiace a kosmické záření, které produkují množství sekundárních elektronů dostatečné energie. Potřebné elektrické pole pro RB v atmosféře závisí na velikosti brzdné síly, a ta závisí na koncentraci neutrálních částic, proto se E th mění s nadmořskou výškou. Koncentrace neutrálních částic se mění podle barometrické rovnice. E th se díky tomu s výškou exponenciálně snižuje. Ve vyšších nadmořských výškách je tak mnohem snažší uskutečnit RB. Potřebná pole se však za klidného počasí nevyskytují. Najdeme je pouze za speciálních okolností v bouřkových mracích. Jak již bylo řečeno, elektrická pole jsou v atmosféře rychle stíněna. Rychlost odstínění závisí na vodivosti atmosféry a je v řádu sekund. Po silném elektrickém výboji typu CG+ se nad mrakem objeví silné elektrické pole > E th. Toto pole se udrží jen několik sekund, než je odstíněno. V takových podmínkách se může objevit RB směrem do ionosféry. Jeho následkem prudce vzroste vodivost mezi mrakem a ionosférou a začne mezi nimi protékat silný elektrický proud. Celkovým důsledkem je jev, kterému říkáme skřítek. Mechanismus RB má zřejmě širší efekt než jen vznik skřítků. Z balonových měření v mraku bylo zjištěno, že hodnoty elektrického pole v mraku nepřekračují E th [17]. Jelikož je pole potřebné pro tvorbu elektrického průrazu v atmosféře řádově větší, ukazuje se že RB zřejmě hrají roli i při uskutečňování bleskových výbojů Elfové Jako elfy označujeme velmi krátké ms světelné záblesky ve spodní části ionosféry. Tvoří je velmi rychle se rozpínající kruh červené barvy. Ta je dána převážně 1. pozitivní čarou N 2. Jejich horizontální rozměry jsou značně velké, dosahují až 700 km. Jejich četnost je největší ze všech TLE, předpokládá se až 35 elfů za minutu. Jako ostatní TLE jsou elfové iniciovány blesky. Iniciace však nesouvisí se silou blesku, jak je tomu například u skřítků, nýbrž se silou atmosfériku, který blesk vyvolá. To souvisí s mechanismem vzniku elfů. Elfové vznikají ohřátím ionosféry pomocí elektromagnetického pulsu z bleskového výboje. Atmosférik vyvolá v ionosféře zvýšení ionizace a ohřátí, tím vznikne záblesk, který pozorujeme jako elfa. Efekt na ionosféru může být značný. Zvláště nad většími bouřkovými systémy překračuje četnost elfů dobu relaxace ionosféry. Tím se efekty zvýšené ionizace od jednotlivých elfů sčítají [18]. 19

20 2.3.4 Modré výtrysky a gigantické výtrysky Modré výtrysky (Blue Jets-BJ) jsou relativně pomalu se pohybující výtrysky modrého světla, které vystupují z vrcholku bouřkového mraku, ve výšce 18 km, a dosahují do výšek 40 km. Za gigantické výtrysky (Gigantic Jets-GJ) považujeme výtrysky, které sahají až do výšek 90 km, vzhled, struktura i barva těchto výtrysků se podstatně mění s výškou, v nejvyšších výškách svým vzhledem připomínají skřítky [19]. Z optických pozorování výtrysků bylo navíc zjištěno, že mají jemnou strukturu složenou z jednotlivých výbojových kanálků, obdobně jako je tomu u skřítků. BJ a GJ mají se skřítky některé společné znaky, mají však jeden významný rozdíl, a to že výtrysky nemusí být iniciované CG bleskem. BJ a GJ jsou obdobou CG blesků, s tím rozdílem, že představují výboj typu mrak-ionosféra. Rozdílné vlastnosti těchto výbojů, jsou dány různými fyzikálními podmínkami panujícími nad a pod bouřkovým mrakem. Jejich modrá barva je dána 1. negativní čarou dusíku N + 2. BJ a GJ mají silný vliv na GEC, jelikož zprostředkovávají vodivou cestu mezi ionosférou a vrcholkem mraku. Při GJ se může přenést 10 C náboje mezi mrakem a ionosférou. Z pozorování plyne, že GJ mají zápornou polaritu, a představují tedy záporný výboj z mraku do ionosféry. BJ jsou naopak výbojem kladným. Tento závěr však platí pouze pro nejběžnější typ bouřek, s dominantním záporným nábojovým centrem. Celkový vliv výtrysků na GEC je pak dán četností BJ a GJ a nábojem, který se při nich přenese [21]. Teorie vzniku BJ a GJ je založena na vzniku nábojové nerovnováhy v bouřkovém mraku. Nábojová nerovnováha je důležitá podmínka pro propagaci výbojů mimo bouřkový mrak. Pokud se bleskový výboj uskuteční mezi dvěma, přibližně stejnými nábojovými centry, vznikne běžný IC výboj. Pokud je jedno z nábojových center výrazně větší, může dojít k propagaci bleskového výboje až za menší nábojové centrum, pryč z bouřkového mraku. Blesk je potom nezávislý na menším nábojovém centru a výboj má polaritu většího nábojového centra. Takové výboje můžeme potom pozorovat bud jako CG blesky nebo jako BJ a GJ [20]. Podmínky pro vznik BJ byly zjištěny pomocí numerické simulace. Zahrnují rychlé nashromáždění kladného náboje C v objemu o poloměru 3 km blízko vrcholku mraku [22]. Ze simulací plyne, že BJ je důsledek elektrického průrazu mezi horní nábojovou vrstvou bouřkového mraku a stínící vrstvou na vrcholku mraku. Objevují se 5 10 s po CG nebo IC blesku, který vytvoří dostatečné nahromadění náboje na vytvoření BJ [20]. GJ je započat jako běžný IC blesk mezi dominantním nábojovým centrem a vrchním nábojovým centrem, který pokračuje ve svém šíření z vrcholku bouřkového mraku. 20

21 2.4 Bleskem indukované vypadávání elektronů Bleskem indukované vypadávání elektronů (Lightning-induced Electron Precipitation- LEP) představuje vypadávání energetických elektronů z radiačních pásů do atmosféry Země. Radiační pásy jsou tvořeny množstvím nabitých energetických částic, které jsou zachycené v zemské magnetosféře. Energie elektronů v radiačních pásech je v řádech od 100 ev po MeV. Částice v radiačních pásech se pohybují podél magnetických siločar. V místě, kde se siločáry stáčejí k zemskému povrchu, dochází k zahušt ování siločar, a tedy k jevu známému jako magnetické zrcadlo. To odráží elektrony zpět do magnetosféry. Částice jsou takto uzavřeny v magnetosféře na stabilních drahách. Tuto dráhu mohou opustit, pokud se srazí s jinými částicemi, například pokud se dostanou do zemské atmosféry, srazí se s částicemi vzduchu, a do radiačních pásů se již nevrátí. Většina částic v radiačních pásech má však bod odrazu magnetického zrcadla dostatečně vysoko nad zemskou atmosférou. Radiační pásy Země se skládají ze dvou oblastí, ve kterých je zvýšená koncentrace nabitých částic, z vnitřního radiačního pásu 1.1 < L < 2.5, kde L je geocentrická vzdálenost, ve které daná siločára protíná rovník, v jednotkách poloměrů Země R E, a z vnějšího radiačního pásu 3.5 < L < 9. Vnitřní radiační pás je nejblíže k Zemi v oblasti anomálie v jižním Atlantiku, SAA. To v této oblasti způsobuje zvýšenou radiaci a zvětšený tok částic do atmosféry. Oblast mezi vnějším a vnitřním radiačním pásem se plní pouze na dobu několika dní po intenzivním vstřiku částic, to naznačuje existenci selektivního mechanismu vyprazdňování tohoto pásu [23]. Jako mechanismus vysypávání byla navržena interakce hvizdů a dalších elektromagnetických vln procházejících magnetosférou s částicemi v radiačních pásech [24, 25]. Elektromagnetické vlny, ovlivňující elektrony v radiačních pásech, mají několik zdrojů jako hvizdy, vysílače elektromagnetických vln velmi nízkých frekvencí, nebo aurorální sykot. Vznik LEP můžeme popsat v několika bodech: Prvotní příčinou je CG bleskový výboj, který vytvoří atmosférik, který se šíří v oblasti mezi zemským povrchem a ionosférou. Část z elektromagnetického záření atmosfériku unikne skrze ionosféru a pokračuje ve formě hvizdu zhruba ve směru magnetické siločáry. Ta se na opačné hemisféře opět stáčí k Zemi, tam se hvizd částečně odrazí od ionosféry zpět do magnetosféry, tak se hvizd odráží v magnetosféře, dokud se zcela neutlumí. Při pohybu hvizdu podél magnetické siločáry mohou některé z elektronů, pohybujících se v radiačních pásech podél téže siločářy, splnit podmínku pro dopp- 21

22 lerovskou gyrorezonanci. To ovlivní jejich pohyb a výšku, ve které se odráží od magnetického zrcadla, a způsobí vysypání množství elektronů do atmosféry. Teorie vzniku LEP spočívá na výpočtu interakce krátkodobého působení elektromagnetického pole hvizdu na testovací částici, pohybující se podél magnetické siločáry. Relativistická pohybová rovnice pro testovací částici je [26]: r = kde γ = 1/ je magnetické pole Země. E w, B w q mγ [Ew + ṙ (B 0 + B w )] (2.17) 1 (v 2 /c 2 ), m je klidová hmotnost testovací částice, q je její náboj. B 0 reprezentují elektrické a magnetické pole hvizdu. Při absenci elektromagnetického pole vlny, bude tato rovnice udávat pohyb částice jako součet lineárního pohybu podél magnetické siločáry B 0 a cyklotronní rotace, tedy spirálovitý pohyb. Pitch úhel takové částice je definován jako: ( ) α = tan 1 v v (2.18) kde v je složka rychlosti kolmá na magnetické pole B 0 a v je složka rychlosti ve směru magnetického pole B 0. Pitch úhel se mění s magnetickým polem, jeho změnu v magnetickém poli Země můžeme popsat [26]: ( ) B(λ) sin 2 (α(λ)) = sin 2 (α rov ) (2.19) B rov kde λ je geocentrická vzdálenost, α rov je velikost pitch úhlu při průchodu rovníkovou rovinou, B rov je velikost magnetického pole v rovníkové rovině. Pitch úhel je důležitý parametr každé částice pohybující se v radiačních pásech. Pokud je pitch úhel částice příliš malý, pak se částice nachází ve ztrátovém kuželi, tím je myšleno, že částice s pitch úhlem menším než jistá kritická hodnota αrov, kr se neodrazí od magnetického zrcadla v dostatečné výšce nad Zemí a vysype se do atmosféry. Pokud označíme kritickou výšku od Země, při jejímž překročení se každá částice rozptýlí v atmosféře, za h kr, a za magnetické pole Země uvažujeme dipólové magnetické pole, bude pro kritický úhel, ohraničující ztrátový kužel, platit [27]: sin(α kr rov) = ɛ 3 m 1 + 3(1 ɛ m ) (2.20) kde ɛ m = (1/L)(R E + h kr )/R E, R E = 6370 km je poloměr Země. Na pitch úhlu tedy závisí stabilní dráha částic v radiačních pásech, pokud je změněn, například působením 22

23 pole hvizdu, může se pitch úhel částice posunout do ztrátového kužele daného hodnotou αrov. kr V každém bodě dráhy částice můžeme zavést lokální kartézské souřadnice s osou ẑ ve směru magnetické siločáry Země a osy ˆx v rovině kolmé na magnetickou siločáru ve směru od Země. Pohybovou rovnici 2.17 jde přepsat do proměnných v, v, s úhlem η mezi střední komponentou kolmého magnetického pole elektromagnetické vlny B w R = 1/2(ˆxB x w + ŷby w ) a v. Pohybové rovnice potom nabývají tvaru [28]: v = ω2 τ 1 sin(η) v2 ω h mγ k z 2ω h z (2.21) v = [ω 1 (v z + R 1 )J 0 (β) ω 2 (v z R 2 )J 2 (β)] sin(η) + v zv ω h 2ω h z (2.22) η = ω h γ ω k zv (2.23) kde ω je úhlová frekvence vlny, k je její vlnový vektor a dále: ω h = qb 0 /m β = k x v /ω h k z = k cos(θ k ) = ωn(θ c k) cos(θ k ) k x = k sin(θ k ) = ωn(θ c k) sin(θ k ) ωτ 2 = ωτ0 2 [J 0 (β) α 1 J 2 (β) + γα 2 J 1 (β)] ωτ0 2 = ω 1 k z v ω 1,2 = q 2m (Bw x ± By w ) α 1 = ω 1 /ω 2 α 2 = (qez w )/(mγω 1 v ) R 1,2 = (Ex w ± Ey w )/(Bx w ± By w ) n(θ k ) je index lomu v závislosti na úhlu θ k, který představuje úhel mezi vlnovým vektorem k a magnetickým polem Země B 0. J 0, J 1, J 2 jsou Besselovy funkce prvního druhu. Pokud je η = 0, pak je splněna podmínka pro rezonanci hvizdové vlny a částice. Pak vidí částice elektromagnetickou vlnu jako stacionární pole. Pokud je tato podmínka splněna po dostatečně dlouhou dobu, částice je odkloněna a její pitch úhel se může ocitnout ve ztrátovém kuželi. Z pohybových rovnic 2.21, 2.22, 2.23 plyne podmínka pro podélnou složku rychlosti částice, při níž bude v resonanci s elektromagnetickou vlnou: 23

24 v res = ωk z ± ω 2 kz 2 + (ωh 2 ω2 )(kz 2 + k 2 z + ω2 h c 2 cos 2 α ω2 h ) c 2 cos 2 α (2.24) kde α je pitch úhel částice. Tento mechanismus zřejmě vede na vyprazdňování oblasti mezi radiačními pásy. Při jednom LEP se předpokládá vyprázdnění 0, 001% zasažených silokřivek, což způsobí energetický tok na svrchní ionosféru 10 3 erg s/cm 2. Tím zároveň dojde ke zvýšení ionizace ionosféry. 2.5 Projekt TARANIS Projekt TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiation from lightnings and Sprites) zahrnuje vedle sítě pozemních pozorovacích stanic i mikrosatelit, který má být umístěn na nízkou oběžnou dráhu Země ve výšce 650 km. Oběžná dráha má být polární synchroní se Sluncem a kruhová, s co nejmenší excentricitou, dráha se na noční straně bude pohybovat v rozmezí 22 2 hodiny lokálního času. Měření dat budou prováděna v rozsahu 60 až +60 zeměpisné šířky, v okolí severního a jižního pólu budou všechny přístroje vypnuté. Vybrané přístoje budou měřit i v oblasti SAA. Minimální předpokládaná doba mise je 2 roky. Váha mikrosatelitu má být cca 150 kg. Mikrosatelit má získat podrobná data o TLE a ucelit tak kusá měření těchto jevů, která získala družice FORMOSAT2 [9] nebo RHESSI [1]. Širším záměrem projektu je zkoumat propojení magnetosféry, ionosféry a atmosféry Země pomocí impulzivního přenosu energie, jaký představují TLE. Vědecké cíle projektu lze rozdělit do několika bodů [29]: Zjištění geografického výskytu TLE a TGF, oblasti jejich vzniku, četnosti. Zjistit jak se jejich vlastnosti mění s geografickou polohou. Zjištění charakteristik bleskové aktivity, která spouští TLE a TGF. Hledání skrytých procesů v mechanismu generování TLE a TGF pomocí elektromagnetických polí. Hledání spouštěcího mechanismu, kterými mohou být například elektronové spršky, kosmické záření, mikrometeroity atd.. Detekce LEP a zjištění jeho podrobných charakteristik. Detekce výtrysků RRE, zjištění jeho charakteristik, hledání spojitosti s rozsáhlými sprškami kosmického záření. Zjištění vlivu těchto jevů na obsazení radiačních pásů. Charakterizace těchto jevů v závislosti na geografickém rozložení, denní době atd. Zjištění vlivu blesků, TLE, TGF a LEP na koncentrace NO x a ozónu, změny ionizace ionosféry, vliv na GEC. 24

25 Obrázek 2.5: Mikrosatelit TARANIS s popisem umístění jednotlivých přístrojů. Ke splnění cílů projektu bude TARANIS vybavena řadou měřících přístrojů jako optické senzory, detektory rentgenového a γ záření, detektory elektronů a přístroje na měření elektrického a magnetického pole. Na palubě TARANIS budou následující přístroje [29]: MCP se skládá ze dvou částí, první část: MCP-MC tvoří dvě mikrokamery (Micro Cameras), jedna určená k detekci blesků, druhá určená k detekci skřítků. Druhá část: MCP-PH tvoří čtyři fotometry (PHotometers). Přístroj bude pracovat pouze na noční části orbity. Přístroje jsou primárně určeny k měření TLE a blesků, pro stanovení jejich četnosti, doby trvání nebo intenzity vyzařování. XGRE (X-ray, Gamma-ray and Relativistic Electron experiment), se skládá ze tří detektorů rentgenového a γ záření v energetickém rozsahu 20 kev 10 MeV. Přístroj dále detekuje elektrony v rozsahu energií 1 MeV 10 MeV a umí rozpoznávat energetické elektrony od fotonů. Úkolem tohoto přístroje je měření TGF, ale také měření RRE a elektronů z LEP. IDEE (Instrument Détecteurs d Electrons Energétiques), se skládá ze dvou detektorů energetických elektronů v energetickém rozsahu 70 kev 4 M ev. Přístroj dokáže měřit pitch úhel naměřených elektronů, je určen k měření LEP a RRE 25

26 událostí a monitorování oblasti SAA. Podrobnější popis tohoto přístroje je v kapitole 2.6. IME-BF (Instrument de Mesure du champ Electrique Basse Fréquence), je přístroj pro měření nízkofrekvenčních elektrických polí a to až do frekvence 1 MHz, zároveň obsahuje nízkofrekvenční vlnový analyzátor. Účelem je měření kvazistatických elektrických polí asociovaných s TLE a TGF. Zároveň má pomoci v hledání blesku, který inicioval TLE. Přístroj zároveň zahrnuje Langmuirovu sondu. Sonda má dávat informace o koncentraci plazmatu v okolí sondy. IME-HF (Instrument de Mesure du champ Electrique Haute Fréquence), slouží k měření vysokofrekvenčních elektrických polí v rozsahu 100 khz 30 M Hz, zároveň obsahuje vysokofrekvenční vlnový analyzátor. Přístroj má obdobný účel jako IME-BF, jen pracuje na jiných frekvencích. IMM (Instrument de Mesure du champ Magnétique), je sada tří vzájemně kolmých magnetometrů pro měření komponent magnetického pole ve frekvenčním rozsahu 1 Hz 1 MHz, zároveň obsahuje vlnový analyzátor pro střední frekvence. Přístroj dále obsahuje detektor atmosfériků, který bude provádět jejich charakterizaci ještě na palubě TARANIS a doplňovat tak jejich pozemní měření. MEXIC (Multi EXperiment Interface Controller), tento blok neprovádí žádná měření, má za úkol dodávat napájení vědeckým přístrojům, jejich řízení, sběr dat a propojení s vlastní technologií družice. Součástí každého měřícího přístroje je analyzátor, který má za úkol ukládat a zpracovávat data z detektoru, jeho řízení, komunikaci s přístrojem MEXIC a další funkce, které budou podrobněji popsány v podkapitole Satelit je členěn na jednotlivé části, každá z částí vykonává specifickou činnost, aby bylo umožněno naměřit data, zpracovat je a odeslat na Zem. Struktura TARA- NIS je zobrazena na obrázku 2.6. Jednotlivé přístroje jsou vždy složeny z detektoru a příslušného analyzátoru. Analyzátor ukládá data z detektoru, provádí komprimaci a odesílá je do přístroje MEXIC. V tomto přístroji jsou data opatřena časovým značením, převedena na pakety a odeslána do satelitu, kde jsou uložena ve společné paměti a následně odeslána na Zemi. MEXIC má dále za úkol distribuovat elektrickou energii k jednotlivým přístrojům, provádět jejich konfiguraci a řízení. Satelit má za úkol komunikaci se Zemí, primární dodávání elektrické energie do přístroje MEXIC atd. Protože je objem dat, která se dají přeposílat na Zemi omezený, je třeba ukládat jen vědecky podstatná data, při nichž došlo k zaznamenání nějaké události, jako LEP, nebo TLE. Přístroje proto umí ukládat data ve dvou modech: event a survey. Při 26

27 Obrázek 2.6: Schéma jednotlivých částí mikrosatelitu TARANIS. Jednotlivé přístroje se vždy skládají ze samotného detektoru a analyzátoru, který je napojený na MEXIC. event modu jsou data ukládána v plném rozlišení, nekomprimována, při survey modu jsou ukládána komprimovaná data, například v podobě energetických nebo frekvenčních spekter. Ukládání dat v event módu je spuštěno alert příkazem, který přijde od jednoho z přístrojů. Bylo zvoleno několik přístrojů, každý z nich generuje alert signál pro různé typy událostí [29]: Přístroj MCP-PH pro TLE událost. Přístroj XGRE pro TGF událost. Přístroj IDEE pro LEP a RRE události. Přístroj IME-HF pro jevy v oblasti elektromagnetických vln. Alert signál je odeslán do přístroje MEXIC a dále rozeslán ke všem ostatním přístrojům. Události, které se mají měřit, jsou velmi krátkého trvání 10 ms. Než by analyzátor stihl rozpoznat událost, vygenerovat alert signál a přeposlat ho k ostatním přístrojům, přišlo by se o mnoho důležitých dat. Proto jsou analyzátory vybaveny pamětí, ve které ukládají poslední naměřená data v plném rozlišení, teprve pokud nepřijde žádný alert signál, zpracují je do podoby survey dat. Konkrétní podoba event dat a survey dat přístroje IDEE je v podkapitole

28 2.6 Detektor IDEE (Instrument Détecteurs d Electrons Energétiques) Záměrem detektoru IDEE je měření energetických spekter elektronů, a to v dobrém energetickém a časovém rozlišení, aby bylo možno získat spektra rychle probíhajících jevů, jakými jsou LEP a RRE. Přístroj má pokud možno měřit směr, ze kterého elektron dopadl. To v kombinaci s údaji o magnetickém poli dá pitch úhel elektronu [30]. Díky proměnnému geometrickému faktoru bude přístroj schopen měřit velký rozsah elektronových toků začínajících od 0.2 cm 2 s 1 kev 1 na energii 4 MeV, které byly odhadnuty při RRE jevech na družici RHESSI [33], a dále toky 10 6 cm 2 s 1 kev 1 na energii 60 kev, které byly naměřeny na družici DEMETER v radiačních pásech [32]. Obrázek 2.7: Řez senzorem IDEE. Na řezu je vidět kolimátor, hliníkový kryt, křemíkový senzor a kadmium-tellurový senzor [31]. Rozsah energií měřených elektronů je 70 kev 4 MeV. Tento rozsah je docílen použitím dvou typů polovodičových senzorů. Fyzikální princip měření energie elektronů, spočívá v měření náboje vytvořeného v polovodiči při jeho interakci s prolétajícím elektronem. Nashromážděný náboj je pak úměrný energii elektronu. První senzor je křemíkový, o rozměrech měřící plochy 10 mm 40 mm a tloušt ce 300 µm. Skládá se z pěti 28

29 elementů, čtyř o velikosti 10 mm 10 mm a jednoho o velikosti 0.4 mm 10 mm. Tento senzor je určen pro měření nízkých energií v rozsahu 70 kev 500 kev s energetickým rozlišením 8 kev. Druhý senzor je z materiálu CdTe. Skládá se z 64 elementů o velikosti 10 mm 10 mm 5 mm, které jsou propojeny do osmi řad. Tento senzor má měřit vysoké energie v rozsahu 500 kev 4 MeV s rozlišením 60 kev. K odstínění elektronů s nižší energií, než je daný měřící rozsah, slouží hliníková krycí destička o tloušt ce 0.6 mm. Uspořádání celého detektoru je na obrázku 2.7. Měřící úhel CdTe senzoru je Kolem křemíkového detektoru je umístěn titanový kolimátor, který redukuje měřící úhel na Pro měření směru, ze kterého elektron přiletěl je třeba, aby prošel oběma detektory. Signál o zaznamenání elektronu je generován vždy pro jediný segment senzoru, máme-li tuto informaci z obou senzorů, můžeme z geometrického uspořádání vypočítat úhel, ze kterého elektron do detektoru vstoupil. Obrázek 2.8: Geometrický faktor detektoru IDEE nasimulovaný pomocí GEANT 4. Modrá-CdTe, červená-si, červená čárkovaná-si prostřední segment, zelená-koincidence. Přejato z [30]. Detektor pracuje s proměnným geometrickým faktorem. V místech s velkými elektronovými toky, které by jinak detektor zahltily, bude detektor zaznamenávat koincidenci pouze z prostředního úzkého křemíkového segmentu, to sníží geometrický faktor 29

30 detektoru zhruba stonásobně z 10 cm 2 sr na 0, 1 cm 2 sr. Geometrický faktor detektoru závisí na energii elektronu, který do přístroje vstupuje. Například pro energie elektronů nad 500 kev je hliníkový kryt průhledný a geometrický faktor se na těchto energiích pro CdTe detektor zvýší. Podrobně byl geometrický faktor detektoru spočten v simulaci v programu GEANT 4 [39]. GEANT 4 simuluje průchod částic hmotou pomocí metody Monte Carlo. Tím byl získán geometrický faktor jak pro jednotlivé detektory CdTe a Si, tak pro jejich koincidenci, tedy situaci, kdy dojde k zaznamenání jednoho elektronu oběma detektory. Nasimulovaný geometrický faktor je na obrázku Analyzátor IDEE Analyzátor je součást přístroje IDEE, která odpovídá za obsluhu, řízení detektoru, zpracování dat a generování alert signálu při elektronové RRE spršce. Analyzátor je přímo napojený na MEXIC i na detektor, jak je znázorněno na obrázku 2.9. S přístrojem MEXIC je analyzátor propojen sedmi vodiči pro přijímání příkazů a odesílání stavových dat. Obrázek 2.9: Vnitřní propojení přístroje IDEE- propojení detekční části přístroje a analyzátoru, napojení přístroje na MEXIC. Detektor a analyzátor je propojen celkem 25 vodiči, po kterých se přenáší jak naměřená data (CdTe data, Si data), tak obslužné signály jako jsou údaje z teplotních senzorů, příkazy, stavová data atd. Detektor je s analyzátorem propojen 25 vodiči, po kterých jsou přenášena experimentální i obslužná data. Obslužná data zahrnuje příjem operačních povelů, vysílání 30

31 služebních dat, příjem dat z dvou teplotních senzorů, vysílání a příjem reset/alive signálu a dalších. Experimentální data jsou přenášena dvěmy LVDS (Low Voltage Differential Signaling) kanály s přenosovou rychlostí 20 M b/s, jeden kanál pro CdTe senzor, druhý pro Si senzor. Experimentální data jsou tedy přenášena sériově, jak je znázorněno na obrázku Přenášená data se skládají z uvozujícího bitu (0), šesti bitů obsahujících informaci o naměřené energii, tří bitů, ve kterých je adresa elementu, ve kterém byl elektron zaznamenán, paritní bit pro testování správnosti přenesených dat a ukončující bit (1). Při koincidenci jsou data přenášena současně oběma kanály, pokud je elektron zaznamenán pouze na jednom z detektorů, jsou data vysílána pouze po jednom z kanálů. Obrázek 2.10: Znázornění přenosu experimentálních dat. Při koincidenci na obou senzorech, při zaznamenání elektronu pouze na Si senzoru a při zaznamenání elektronu pouze na CdTe senzoru [34]. Samotný analyzátor můžeme rozdělit na části, z nichž každá odpovídá za jiný úkol [31]: DPU FPGA (Data Processing Unit Field-Programmable Gate Array) Posílání příkazů do senzoru a přijímání služebních dat ze senzoru. Přijímání experimentálních dat z Si a CdTe senzoru. Generování signálu reset, monitorování stavu senzorů pomocí alive signálu a údajů z teplotních senzorů. Zpracování naměřených dat, tvorba spektrálních matic s využitím semilogaritmické komprese a LUT (Look Up Table). 31

32 Implementace algoritmu vyhledávající spršky částic, řízení signálu alert. Správa paměti pro ukládání dat z událostí. Mikrokontrolér (jádro 8051) včetně správy paměti mikrokontroléru. Příjem a interpretace příkazů z FPGA-MX Ukládání spektrálních matic v interní paměti FPGA, pro ochranu dat bude použit EDAC (Error detection and correction). RAM (pamět pro ukládání událostí) SRAM (Static Random Access Memory) o kapacitě 64 Mb, data budou chráněna pomocí EDAC. Pamět bude sloužit jako FIFO (First-In First-Out) pro data událostí a jako externí pamět mikrokontroléru. Pamět má vystačit asi na 30 událostí. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) Pamět s kapacitou 256 kb obsahující software mikrokontroléru. Dále obsahuje vyhledávací tabulky pro komprimaci LUT (Look Up Table), nastavení analyzátoru atd. FPGA-MX (rozhraní pro připojení k MEXIC) Komunikace s MEXIC, příjem řídících příkazů. Předávání alert signálu. Odesílání dat telemetrie. Testovací obvody. Přístroj IDEE pracuje ve dvou modech. První mód práce využívá pouze prostřední element Si senzoru, tento mód práce je aktivní pouze nad oblastí SAA, snížený geometrický faktor zajistí funkčnost přístroje i při velkých elektronových tocích. Druhý, standartní mód práce využívá všechny elementy Si senzoru a celý CdTe senzor, díky tomu je možné uskutečňovat měření pitch úhlu částic. Při tomto módu je aktivní algoritmus na vyhledávání událostí. Algoritmus na vyhledávání událostí je tvořen ze dvou stejných částí, jedné na vyhledávání RRE událostí a druhé na vyhledávání LEP událostí. Pro oba typy událostí se algoritmy liší v nastavení vnitřních parametrů. Obě události se totiž významě liší v době trvání, zatímco RRE událost trvá 10 ms, LEP událost trvá 200 ms. 32

33 Zde popíši algoritmus na vyhledávání RRE událostí. Jako vstup do algoritmu jsou použitá data s koincidencí. Numerické simulace RRE událostí předpověděly toky RRE elektronů do detektoru 2000 el./s, současně s tím měří detektor pozadí 600 el./s. Trvání jevu má však být 10 ms, to nám dává zachycení asi 20 RRE elektronů a 6 elektronů pocházejících z pozadí. Pro vyhledávací algoritmus je nejprve nutné oddělit elektrony pozadí od elektronů RRE události, toho je docíleno tak, že je vypočten plovoucí průměr toku pozadí. Jednotlivá čísla plovoucího průměru n back jsou vypočítána jako počet zaznamenaných elektronů v určitém energetickém rozsahu, za určitý čas t back ( 10 ms 100 ms). n back je uloženo každý t back do paměti FIFO o hloubce 10 slov. Při naplnění fronty FIFO získáme hodnotu N back jako součet všech deseti n back, které se právě nacházejí v paměti FIFO. N back je potom vyděleno hodnotou úměrnou 10.t back /t burst, kde t burst = 10 ms pro RRE událost (pro LEP událost je t burst = 200 ms). Výsledek poté určuje řádek do tabulky, ze kterého získáme N poisson z Poissonovy statistiky. Tímto číslem je každý t burst inicializován sestupný čítač příchozích elektronů. Pokud dosáhne nuly, je vygenerován alert signál. Schématické znázornění algoritmu je na obrázku Praktické ověření funkce těchto algoritmů má provést simulátor detektoru IDEE, který je výsledkem této práce. Obrázek 2.11: Schématické znázornění algoritmu určeného k rozpoznávání událostí [31]. 33

34 Analyzátor generuje dva typy experimentálních dat. Prvním typem jsou survey data. V tomto módu ukládání dat jsou načítána energetická spektra, která jsou v pravidelných intervalech odesílána do telemetrie. Je možné ukládat 5 typů energetických spekter s různým rozlišením energetických kanálů, sběrem elektronů pouze z jednoho detektoru, s určováním směru elektronů a s různou frekvencí generování spektra. Podrobné charakteristiky jednotlivých spekter jsou v následující tabulce. mód spektra Si kanálů CdTe kanálů směrové rozlišení četnost spekter[1/s] Si senzor, bez koincidence Si senzor + antikoincidence Si senzor + CdTe senzor, bez měření směru Si senzor + CdTe senzor, s měřením směru CdTe senzor + antikoincidence V různých situacích se hodí generování jiného spektra, například první typ spektra je určen pro oblast SAA ve které je senzor CdTe vypnutý a údaje z Si senzoru tak můžeme ukládat v lepším rozlišení. Energetická spektra jsou dále komprimována semilogaritmickou kompresí, která pracuje v maximálním dynamickém rozsahu 0 až elektronů v každém energetickém kanálu, s maximální relativní chybou 6, 2%. Energetická spektra jsou před odesláním do přístroje MEXIC opatřena hlavičkou a vložena do rámců, jak je znázorněno na obrázku Do jednoho odeslaného rámce se tak vejde několik energetických spekter. Obrázek 2.12: Struktura rámců survey dat. Druhým typem ukládaných dat jsou event data. Ta jsou generována ve chvíli, kdy je zaznamenán alert signál. Rámce event dat jsou tvaru znázorněného na obrázku

35 Tato data jsou ukládána v plném rozlišení, tak jak byla naměřena. Obsahují tak podrobnou informaci o každém detekovaném elektronu. Doba generování event dat po obdržení alert signálu je 5 s. Záznam event dat obsahuje přibližně 1/3 dat před událostí a 2/3 dat po události. Abychom mohli uložit data naměřené ještě před zaznamenáním události, je nutné mít uloženou část historie naměřených dat, k tomu slouží kruhově se přepisující buffer, ve kterém je 1 2 s historie. 35

36 Obrázek 2.13: Struktura rámců event dat. Rámec začíná i končí časovým označením, to je do dat přidáváno i po každých 500 µs. ID jsou bity identifikující událost, H jsou bity sekundového čítače, M jsou bity mikrosekundového čítače. Experimentální data jsou označena jako LE (CdTe senzor) a HE (Si senzor). [31]. 36

37 Kapitola 3 Cíle práce Cílem práce je podílet se na návrhu elektronické části simulátoru a zpracovat základní programové vybavení, které bude tento simulátor řídit. Předpokládá se, že simulátor bude na základě známých nebo předpokládaných energetických spekter schopen modelovat detekci jednotlivých elektronů podle určeného časového rozvrhu odesíláním příslušných dat do analyzátoru. Úkoly: Seznámit se s architekturou hradlových polí firmy ACTEL a jejich programováním. Spolupracovat na návrhu a zhotovení elektronické části simulátoru a jeho připojení k PC. Prostudovat dostupnou literaturu o spektrech RRE, LEP a SAA elektronů. Připravit program pro generování dat ze simulovaných záchytů elektronů jednotlivých událostí (elektronových spršek) a řízení simulátoru. Ověřit funkci simulátoru a jeho komunikaci s analyzátorem. 37

38 Kapitola 4 Realizace Cílem práce je vytvořit prostředek pro ověření funkcí analyzátoru IDEE. Tento úkol je rozdělen do několika částí, ve kterých jsou řešeny dílčí problémy. První, základní problém je nagenerování spektra, dalším problémem je jeho odeslání do simulátoru detektoru IDEE a řízení simulátoru z PC. Posledním úkolem je realizace samotného simulátoru IDEE. Generátor zkušebních dat jsem pojmenoval IDEEdataGenerator, program určený k přenosu nagenerovaných dat do simulátoru a jeho řízení PCIe send. Obrázek 4.1: Na obrázku je znázorněn tok dat mezi programy, šipky označují vstupní data jednotlivých částí. formát generovaných dat je popsán na obrázku 4.2, formát pro LVDS přenos je na znázorněn na obrázku

39 K přenosu nagenerovaných spekter mezi jednotlivými programy jsem si definoval formát dat, jehož tvar je na obrázku 4.2. Každý elektron je zde popsán zpravidla 4 byty. V těch je vyhrazeno 6 bitů na popis energie elektronu, 3 bity obsahující adresu elementu senzoru, na kterém byl elektron zachycen, 1 bit s nagenerovanou paritou, která je potřebná pro odesílání dat do analyzátoru, viz podkapitola 2.6.1, 2 bity s identifikací elektronu a 20 bitů, ve kterých je uložen čekací čas. Identifikace elektronu může mít hodnoty: SI-zachycení na Si senzoru, CDTE-zachycení na CdTe senzoru, CZT-koincidence na obou senzorech a WAIT, která znamená čekání-žádná data nejsou do analyzeru odeslána. WAIT identifikace je použita v případě, když čekací čas pro jednu částici překročí maximum jaké je možné do tohoto formátu uložit. Čekací čas definuje dobu mezi odesláním jednotlivých elektronů v jednotkách 25 ns (takt 40 M Hz). V případě typu CZT je třeba generovat celkem 2 4 byty. První čtyři obsahují informaci o elektronu na Si detektoru, druhé čtyři byty obsahují informaci o témže elektronu zachycenou na CdTe senzoru. V druhé části dat se již negeneruje čekací čas a je nastaven na nulu. Obrázek 4.2: Strukturu dat generovaných v IDEEdataGenerator tvoří libovolně dlouhá řada zobrazených 4 bytů popisujících jednotlivé elektrony. 4.1 Generátor zkušebních dat Generátor zkušebních dat má za úkol generovat různá spektra událostí ve formátu, který bude následně odeslán do simulátoru detektoru IDEE. Programován byl v jazyce C++, použil jsem vývojové prostředí Code::Blocks IDE [35]. Pro tvorbu grafického prostředí jsem použil program wxformbuilder [36], který využívá knihovny wxwidgets. Program byl vyvíjen v operačním systému Linux, ale byl upraven i pro použití v operačním systému Windows XP. Základní funkce programu se volí ve výběrové nabídce spekter, následuje jejich popis: maxwell spectrum: Tato volba generuje maxwelovské rozdělení energie elek- 39

40 tronů, dle teploty zadané v elektronvoltech. Spektrum je dále přenásobené geometrickým faktorem senzorů, aby vystihovalo jen reálně zachycené částice. Volitelným parametrem je zde i střední doba mezi jednotlivými elektrony, kterou se určuje intenzita toku elektronů, toto spektrum je časově neměnné. definded: Tato volba je určena pro otestování základních funkcí analyzátoru, jako je správný příjem dat a jejich rozpoznání, generovaná data opakují údaje pro jeden elektron. Vstupním parametrem je zde energie elektronu, čas mezi odesláním jednotlivých elektronů, identifikace daného elektronu (SI, CDTE, CZT) a adresa elementu senzoru na kterém byl elektron zachycen. def. alterned: Jako předchozí volba i tato je určená k testu základních funkcí analyzátoru. Generována jsou střídavě data SI, CDTE a CZT. Vstupními parametry jsou energie na Si senzoru, energie na CdTe senzoru, adresa elementu na kterém byl elektron zachycen a čas mezi odesláním jenotlivých dat. power-law spectrum: Toto je první spektrum, které se svými parametry blíží reálným situacím. Generováno je energetické spektrum tvaru 1/x B, které je dále přenásobeno geometrickým faktorem detektoru. Vstupními parametry jsou střední doba mezi jednotlivými elektrony a parametr B. convert file: Tato volba je určená pro konverzi výstupů ze simulací GEANT 4. Spektra takto získaná jsou podrobně popsána v podkapitole LEP event: Tato volba je určena ke generování spektra LEP události. Ukázka LEP spekter, která se pomocí této volby dají nagenerovat je v podkapitole Vstupními parametry jsou minimální energie LEP elektronů, gradient pozadí, konstanta intenzitního úbytku LEP elektronů s časem, konstanta intenzitního úbytku LEP elektronů s energií a intenzita LEP události. Význam jednotlivých proměnných viz Program má ještě další volitelné vstupy, jakými jsou maximální délka simulace, maximální velikost generovaného souboru a jméno generovaného souboru. Dalším důležitým ovládacím prvkem je volba repeating, pokud je zaškrtnuta, je na konci nagenerovaných dat připojen příkaz, který způsobí, že se simulace v simulátoru IDEE opakuje v nekonečné smyčce. Dalším ovládacím prvkem je volba checking file, pokud je zatržena, generuje se paralelně s daty soubor control.txt, ve kterém jsou data uložena v čitelné podobě. Pokud tato volba zatržena není, generují se do souboru control.txt spektra generovaných dat, která se dají snadno zobrazit v grafu a získat tak přehled o tvaru generovaných spekter. 40

41 Pro účely odzkoušení funkce algoritmu na vyhledávání událostí, jakož i správné funkce analyzátoru, je třeba mít k dispozici energetická spektra elektronů, která budou, pokud možno, co nejbližší hledaným jevům. Spektra se skládají z energetického spektra události a z pozad ového toku elektronů, který se od energetického spektra události liší jak v energii, tak ve velikosti toku. Mimo spekter simulujících experimentální data byla nasimulována sada dat s definovanými hodnotami pro ověření správné funkce analyzátoru. Jedná se o data s konstantními hodnotami a s pravidelnou frekvencí, která budou na výstupu analyzátoru dobře identifikovatelná. A to zvlášt pro odzkoušení Si kanálu a CdTe kanálu LEP spektra Energetická spektra elektronů LEP již byla naměřena na družici DEMETER [37], avšak pouze se sekundovým časovým rozlišením, podobně na satelitu S81-1/SEEP [38]. Z těchto experimentálních dat jsem vytvořil první model, pomocí něhož jsem obdobná spektra simuloval. Naměřená data mají několik základních vlastností, které jsem se pokusil v prvním modelu zahrnout, jsou to energie LEP elektronů v rozsahu E 100 až 300 kev, doba trvání 500 ms až s, pozadí o energii < 50 kev. Úbytek toku LEP elektronů s časem jsem zvolil exponencielní, energetickou závislost LEP elektronů také exponencielní. Energetickou závislost elektronů pozadí jako funkci 1/x B, kde B je volitelný parametr. Minimální energie LEP elektronů jsem zvolil E 0 = kev. Spektrum LEP nakonec nabývalo tvaru 4.1, k němu bylo přičteno spektrum pozadí. ( n(e, t) = exp t ) ( exp ) H(E E 0 ) (4.1) E E 0 τ LEP τ EN kde t je čas počátku LEP události. τ LEP je konstanta intenzitního úbytku LEP elektronů s časem. τ EN je konstanta intenzitního úbytku LEP elektronů s energií. H(x) je Heavisidova funkce, která je nulová pro záporná x, a jednotková pro kladná x. Takto získané četnosti bylo ještě nutné přenásobit geometrickým faktorem detektoru, viz obrázek 2.8, tak byly získány energie elektronů a rovněž informace o tom, zda byl elektron zachycen na Si senzoru, CdTe senzoru či na obou senzorech. Na obrázku 4.3 a 4.4 jsou ukázková spektra LEP události, tak jak je detektor zachytí. Začátek LEP události je zde umístěn v 1/3 simulovaného času. Na základě simulací LEP událostí v [37, 26] jsem vytvořil druhý model LEP spekter. Simulace měly oproti experimentálním datům výhodu v tom, že výstupy z nich byly v lepším časovém rozlišení a byla na nich lépe vidět změna elektronového spektra s časem. Většina parametrů byla ponechána z předchozího modelu, až na parametr E 0, 41

42 Obrázek 4.3: Spektrum LEP události, tak jak bude zaznamenáno Si senzorem, založené na experimentálních datech z [37, 38], parametry simulace: τ LEP = 800 ms, τ EN = 100 kev, E min = 70 kev. Obrázek 4.4: Spektrum LEP události, tak jak bude zaznamenáno CdTe senzorem, založené na experimentálních datech z [37, 38], parametry simulace: τ LEP = 800 ms, τ EN = 100 kev, E min = 70 kev. 42

43 který se stal proměnný s časem dle vzorce : E 0 (t) = Ct + K (4.2) Zde C je energetický sklon události a K minimální energie na začátku události. Takto získaná energetická spektra byla opět přenásobená geometrickým faktorem. Ukázka těchto spekter je na obrázcích 4.5, 4.6. Obrázek 4.5: Spektrum LEP události, tak jak bude zaznamenáno Si senzorem, založené na výstupech simulací z [37, 26], parametry simulace: τ LEP = 200 ms, τ EN = 150 kev, C = 70 kev, K = 150 kev/s. 43

44 Obrázek 4.6: Spektrum LEP události, tak jak bude zaznamenáno CdTe senzorem, založené na výstupech simulací z [37, 26], parametry simulace: τ LEP = 200 ms, τ EN = 150 kev, C = 70 kev, K = 150 kev/s RRE spektra Pro události RRE nejsou zatím experimentálně změřená data k dispozici, proto jsem na jejich základě nemohl vytvořit model události. K dispozici jsem však měl výsledky ze simulací v GEANT 4 (A. Fedorov, CESR- soukromá komunikace), popisující odezvu RRE události v detektoru IDEE. Tato data nemají časovou závislost, jde o časově neměnná spektra očekávaná při RRE události. Data byla přeformátována do formy použitelné v simulátoru detektoru IDEE. Spektra těchto událostí, tak jak budou zachycena na jednotlivých detektorech, jsou na obrázcích 4.7, 4.8. V simulovaném spektru jsou zastoupeny i vyšší energie, než jaké senzory zvládají rozlišit, tyto energie jsou vyhodnoceny jako maximální energie, která je na senzoru možná, proto se ve spektrech v kanálech s nejvyšší energii nachází energetický pík zahrnující všechny vyšší energie. Četnost elektronů v tomto jevu je asi 1000 zachycených elektronů za sekundu. Pro potřeby komprimace a ukládání dat je třeba efektivně určit velikost de jednotlivých energetických kanálů, do kterých se budou spektra načítat, pro tyto potřeby jsem zpracoval data z koincidencí v RRE spektru do tvaru závislosti četnosti na energii Si a CdTe, výsledek je prezentován na obrázku 4.9. V GEANT 4 byla nasimulována i další data, která se mohou pro odzkoušení funkce analyzátoru rovněž použít, proto jsem je také přeformátoval do potřebného tvaru a vytvořil jejich spektra. Jedná se o simulaci průletu v oblasti jižní Asie, kde 44

45 Obrázek 4.7: Četnost RRE události, tak jak bude zaznamenána Si senzorem, založené na simulacích z GEANT 4. Obrázek 4.8: Četnost RRE události, tak jak bude zaznamenána CdTe senzorem, založené na simulacích z GEANT 4. průměrná četnost zachycených elektronů je 220 elektronů za sekundu, spektra jsou zobrazena na obrázcích 4.10, Dále potom simulaci průletu v oblasti s intenzivním pozadím, střední četnost těchto událostí je 2.8 milionu zachycených elektronů za sekundu 4.12,

46 Obrázek 4.9: Četnost koincidencí v závislosti na jednotlivých energiích, které se naměřili na Si a CdTe senzoru, pro RRE událost z GEANT 4 simulací. Jelikož RRE data nasimulovaná GEANT 4 nemají časový vývoj, jsou pro odzkoušení algoritmu na vyhledávání události nevhodná. Pro účel odzkoušení tohoto algoritmu jsem zkombinoval data simulovaná pro průlet nad jižní Asií a data RRE události (použito 20 ms simulovaných RRE dat). Výsledné spektrum má již časový vývoj, ale pouze ve vyšších energiích, proto zobrazuji pouze odezvu CdTe senzoru viz. obrázek

47 Obrázek 4.10: Četnost z průletu nad oblastí jižní Asie, tak jak bude zaznamenána Si senzorem, založená na simulacích z GEANT 4. Obrázek 4.11: Četnost z průletu nad oblastí jižní Asie, tak jak bude zaznamenána CdTe senzorem, založená na simulacích z GEANT 4. 47

48 Obrázek 4.12: Četnost z průletu oblastí s intenzivním pozadím, tak jak bude zaznamenána Si senzorem, založená na simulacích z GEANT 4. Obrázek 4.13: Četnost z průletu oblastí s intenzivním pozadím, tak jak bude zaznamenána CdTe senzorem, založená na simulacích z GEANT 4. 48

49 Obrázek 4.14: Spektrum RRE události, tak jak bude zaznamenáno CdTe senzorem, založené na výstupech simulací z GEANT Řízení simulátoru detektoru IDEE Pro účely řízení a odesílání dat do simulátoru IDEE byl vytvořen program s názvem PCIe send. Program nemá grafické prostředí, byl napsán v jazyce C++ ve vývojovém prostředí Code::Blocks IDE. Data jsou mezi PC a simulátorem přenášena vysokorychlostním digitálním I/O rozhraním (PCIe-6535, National Instruments), pomocí 32 digitálních I/O kanálů a 6 programově řízených kanálů, po kterých se přenáší obslužné signály. K naprogramování komunikace byla využita knihovna NIDAQmx. Funkce programu pokrývá základní příkazy, které je nutné odesílat do simulátoru v rámci řízení simulace a ukládání testovacích dat do flash paměti. Zde je seznam příkazů: RYBY test Po spuštění tohoto příkazu se vypíše stav proměnné RYBY (Ready/Busy), ta udává, zda je flash pamět v simulátoru detektoru IDEE připravena, aby z ní bylo čteno nebo aby do ní bylo zapisováno. reset Příkaz provede resetování simulátoru IDEE i flash paměti. softreset Příkaz provede softwarový reset flash paměti. write-to-buffer-abort-reset Příkaz provede reset flash paměti po nepodařeném zápisu. 49

50 flasherase Příkaz provede vymazání celé flash paměti. sectorerase Příkaz provede vymazání určité části flash paměti. writedata Příkaz uloží soubor s testovacími daty na zadané místo ve flash paměti. START simulate Příkaz odstartuje simulaci dat ze zadané adresy. Testovací data jsou odesílána do analyzátoru. read data Příkaz přečte část flash paměti a uloží ji do souboru control.dat, pro případ kontroly správného ukládání dat. Pomocí těchto příkazů je možné ukládat data na flash pamět a využívat je v simulacích, příkazy rovněž umožňují kontorlu správnosti funkce simulátoru IDEE a test uložených dat. Podrobný popis příkazů a postupy při ukládání dat a simulaci jsou podrobně rozepsány v manuálu PCIe send, který je přílohou této práce. 4.3 Simulátor detektoru IDEE Simulátor detektoru IDEE tvoří EGSE (Electric Ground Support Equipment) stanice s programovatelným logickým polem (FPGA-Field Programmable Gate Array) a programem simulátoru detektoru IDEE. FPGA jsem programoval v jazyce VHDL ve vývojovém prostředí Libero IDE verze 8.6. FPGA je tvořeno množstvím programovatelných logických komponent a systémem programovatelných spojů, které tyto bloky propojují. Konkrétní funkce FPGA je potom dána tím, na jakou funkci jednotlivé logické bloky naprogramujeme, a jak je mezi sebou propojíme. Jedním z jazyků, který se používají pro programování FPGA je jazyk VHDL. V tomto jazyku jsou definovány logické signály a operace, které nad nimi můžeme vykonávat. Kód VHDL členíme do logických bloků-modulů, které mezi sebou propojíme signály. Jednotlivé moduly pracují paralelně. Při psaní VHDL kódu se obvykle využívá design konečného stavového automatu, kde je naprogramován konečný počet logických stavů, jaký může daný modul nabývat, jaké mají být při těchto stavech výstupní hodnoty z modulu a způsob přechodu mezi jednotlivými stavy. S takto zapsaným kódem je třeba vykonat řadu operací, aby mohl být naprogramován do FPGA. Nejprve se kód přeloží na jednoduché logické bloky, které jsou možné v FPGA přímo realizovat a dále je provedeno umístění jednotlivých logických bloků do logických komponent FPGA a jejich propojení mezi sebou. Pole je tímto naprogramované. Pro naprogramování simulátoru detektoru IDEE bylo použito programovatelné pole firmy AC- TEL z rodiny ProASIC3E model A3PE 1500 [41]. Hardware EGSE stanice byl vytvořen 50

51 v CESR pro účely testování analyzátoru a detektoru přístroje IDEE. EGSE se skládá z komerční desky ProASIC3 Starter Kit, doplněné o externí desku, na které se nachází flash pamět pro ukládání dat viz. obrázek Obrázek 4.15: Zobrazení hardwaru simulátoru detektoru IDEE včetně připojení k PC a programovacího přípravku FlashPro3 VHDL kód je členěn do logických bloků, z nichž každý vykonává specifickou úlohu, jednotlivé bloky jsou mezi sebou propojeny. Bloky jsou naprogramovány jako stavové automaty. Celkové schéma jednotlivých bloků VHDL kódu simulátoru IDEE a jejich připojení na PC, analyzátor a flash pamět je na obrázku Na obrázku je zobrazeno připojení k PC, ze kterého je simulátor řízen programem PCIe send. Dále popíši funkci jednotlivých částí VHDL modulů: LOGIC: Tato část je nejdůležitější částí programu, jsou v ní veškeré rozhodovací procedury, provádí rozpoznávání příkazů z PC a startuje jejich vykonávání. Obsahuje příkazy pro práci s flash pamětí, signálem simulate zapíná a vypíná simu- 51

52 Obrázek 4.16: Schéma jednotlivých modulů VHDL kódu a jejich vzájemné propojení s PC, analyzátorem a flash pamětí. laci, signálem WR PC udává časování odesílání dat do PC. Z PC přijímá signál WR, který říká, že již byl do FIFO odeslán příkaz a všechna data potřebná k jeho vykonání. TO ANALYZER: Tento modul si nechává posílat data z flash paměti, interpretuje je a odesílá směrem do analyzátoru. Simulace je řízena signálem simulate. Je zde provedeno rozpoznání identifikace dat pro jednotlivé uložené elektorny a jeho odeslání do příslušného kanálu. Rovněž je zde načtena doba čekání před generováním a odesláním dat pro příští elektron. Při rozpoznání dat jako repeat příkazu je resetována adresa, ze které se data čtou, na adresu jdoucí z bloku LOGIC. IN OUT MODULE: Tento modul je určen pro komunikaci s flash pamětí, blok funguje bud jako zapisovací nebo jako čtecí, v závislosti na signálu IN OUT STATUS. Do bloku je předána adresa, pro případ čtení, nebo adresa s daty, pro případ zípisu, blok je odstartován signálem C WRITE. Po dokončení zápisu, nebo pokud 52