Untersuchung der optischen Eigenschaften der Fluoreszenzteleskope des Pierre Auger Observatoriums

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1 Forschungszentrum Karlsruhe OBSERVATORY Universität Karlsruhe Untersuchung der optischen Eigenschaften der Fluoreszenzteleskope des Pierre Auger Observatoriums Jan Becker Johannes Blümer Hans Klages Bianca Keilhauer Tilo Waldenmaier Die Kosmische Strahlung Geladene Teilchen, die sich durchs Weltall bewegen 9 von Victor Hess entdeckt Besteht aus 98% Atomkernen, % e ± 87% Protonen % -Teilchen ~ % schwerere Elemente Neutrinos und Photonen zählen nicht zum klassischen Begriff der Kosmischen Strahlung Gesamte Fluss liegt bei ~ Teilchen / Sekunde und cm²

2 Das Energiespektrum J(E) [m sr s GeV] ( Teilchen pro m - Sekunde) Knie ( Teilchen pro m - Jahr) Knöchel ( Teilchen pro km - Jahr) Auger Energie [ev] Energien bis zu ev 8 -fache von LHC (CERN) Offene Fragen: Quellen und Beschleunigungsmechanismus der Teilchen Ursprünge der Knicke im Spektrum (Knie und Knöchel) Fluss bei höchsten Energien Ankunftsrichtung: einzelne Punktquellen oder isotrope Verteilung Pierre Auger Observatorium Ausgedehnte Luftschauer werden durch die Kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre erzeugt Einfallendes Teilchen Tiefe der Atmosphäre g/cm² Dicke ~m Führendes Hadron (Schauerachse) Zenitwinkel q El. -mag. Hadronische Myonische Komponente Komponente Hadronische Komponente Beobachtungsniveau Detektoren aus stichprobenartiger Messung der (e ±, µ ± )-Anzahl lässt sich auf Art und Energie des Primärteilchens schließen e ± regen in Atmosphäre N -Moleküle an Emission von Fluoreszenzlicht

3 Das Pierre Auger Observatorium Detektorsysteme. Oberflächendetektoren Solarzellen Kommunikationsantenne GPS. m PMT PMT PMT Tyvec-Sack, m in Argentinien am Fuße der Anden Fläche von km² Größe des Saarlandes Das Pierre Auger Observatorium Detektorsysteme. Teleskopstationen in Argentinien am Fuße der Anden Fläche von km² Größe des Saarlandes Teleskopstationen Teleskope pro Station

4 Einzelnes Teleskop Aufbau des Teleskops: segmentierter sphärischer Spiegel Photomultiplier-Kamera Korrekturlinse UV-Filter mit Durchlassbereich -nm Aperturbox Korrekturlinse Filter Shutter adius = Spiegelr Eigenschaften des Teleskops: Kamera Radiuspunkt m Jan Becker m Gesichtsfeld von x Aufgrund der geringen Fluoreszenzrate nur Messungen in klaren mondlosen Nächten möglich Duty-Cycle von -% Mainz, Spotgröße Maximal erlaubte Spotgröße:. 7.mm Spotradius Aperturradius maximal 8mm Information über optische Eigenschaften: Untersuchung der Spotstruktur Jan Becker Mainz, 7.. 8

5 Der Korrekturring Erhöhung der Empfindlichkeit des Teleskops gewünscht: Vergrößerung des Aperturradiuses auf mm notwendig Spotgröße würde sich allerdings auf. vergrößern Installation eines Korrekturrings Radiuspunkt PMT-Kamera Strahlen durch den Ring werden nach außen gebrochen Treffen den Spiegel weiter außen Stärkere sphärische Abberation Spotgröße bleibt bei. 9 Erzeugung eines Spots Aperturbox Shutter Filter Korrekturlinse Spiegelradius = Radiuspunkt Kamera m m CCD-Kamera

6 Die Lichtquelle h= mm d=8 mm Testaufnahme mit Wega sec Belichtungszeit notwendig Benötigte Photonenzahl ausgerechnet Anforderungen: kurze Pulsdauer wg. Ballonbewegungen geringes Gewicht um Nutzlast zu minimieren Eigenschaften der Lichtquelle: High-Power-LED-Arrays mit Maximum bei 9nm Niedriges Gewicht (8 Gramm) mw ausgestrahlte Leistung Gepulster Modus mit Pulslängen / sec - mehrere Sekunden Energiesparend kein Kühlsystem erforderlich Der Fesselballon Eigenschaften: Nutzlast: kg Größe: 7.m³ Länge:.m Höhe:.m Maximale Höhe: m Position über GPS bekannt (für Auswertung notwendig) Wenn Lichtquelle nah am Teleskop: Lichtstrahlen weniger parallel Spot vergrößert sich Ballonbewegungen im Wind haben größere Auswirkungen Spot hat größere Verschmierung Mindestabstand zum Teleskop: ~m

7 Messungen y [cm] verschiedene Ballonpositionen 8, Je nach Ballonposition werden unterschiedliche Spiegel beleuchtet von Spiegeln untersucht Investigated mirrors Entries x [cm] Mirrornumber Untersuchung der Spotgröße Messung (Pos. ) Spot...b Entries 7 Intensitätsverteilung Spot...b Entries Y-Axis [Pixel] Parameter M x: 7 M y : 78 Radius: 9. mm Wert 8 8 X-Axis [Pixel] Bedingung: 9% der Photonen im Kreis Bestimmung der Intensitätsverteilung Spotradius R R = 9.mm mit zugehörigen GPS-Koordindaten simulation eines idealen Spots möglich Spotradius R S = 8.8mm R R nur.mm.% größer als R S Hohe Qualität des Teleskopaufbaus X-Axis [mm] Y-Axis [mm] Radius [ ] Parameter M x: - M y : -7 Radius: 8.8 mm Simulation Entries 8 8

8 Y-Achse [mm] Schatten der Photomultiplier-Kamera () Simulation ohne PMT-Kamera Simulation mit PMT-Kamera (Pos. ) Entries X-Achse [mm] Ohne PMT-Kameraschatten hat Spot eine Kreisform Abhängig von Einfallswinkel der Lichtes entstehen Abweichungen zur Kreisform Untersuchung der Aufnahmen nach Abweichungen von der Kreisform Abweichungen deutlich zu erkennen 8 8 Y-Axis [mm] Y-Axis [Pixel] Spot..b 8 Parameter M x: 97 M y : -99 Radius: 8. mm X-Axis [mm] Parameter M x : M y : 77 Radius: 9 Messung (Pos. ) Entries 7 Entries 7 X-Axis [Pixel] Schatten der Photomultiplier-Kamera () Getroffene Spiegel (Pos. ) Simulation (Pos. ) ohne PMT-Kamera getroffene Spiegelelemente Entries getroffene Spiegelelemente Entries 978 Reihe Spalte Reihe Spalte mittlere Spiegel werden aufgrund der Photomultiplier-Kamera weniger getroffen Simulation ergibt, dass % des einfallenden Lichtes durch die Photomultiplier-Kamera absorbiert wird, abhängig vom Einfallswinkel

9 Einfluss des Korrekturrings Simulation Azimutwinkel =, Erhebungswinkel = Photonen durch innere Apertur Y-Axis [mm] - - Entries 9 7 Entries 97 - Y-Axis [mm] X-Axis [mm] Photonen durch Korrekturring Entries X-Axis [mm] Y-Axis [mm] Photonen durch den Korrekturring erzeugen komplizierte Formen Formen sind abhängig vom Einfallswinkel (wegen Koma-Aberration in Linse) X-Axis [mm] 7 Verschobene Photomultiplier-Kamera In Simulationssoftware lässt sich die Position der PMT-Kamera verschieben Im Idealfall beträgt der Spotradius = 7.mm Verschiebung der PMT-Kamera aus idealer Position führt zur Vergrößerung des Radius um:. d bzw..8 d d: Abstand aus Idealposition /[mm] Realer Spotradius R R ist.mm größer als simulierter Spot R S Platzierung der Photomultiplier- Kamera weicht maximal ~ mm von der Idealposition ab Spotradius [mm] Verschiebung der PMT-Kamera 8 8 p -. ±.7 p.77 ± Verschiebung [mm] Apertur Verschiebung Richtung Spiegel 8

10 Ausblick Aufgrund des ungewöhnlich schlechten Wetters nur ein Teleskop untersucht Untersuchung weiterer Teleskope Auflösung der Spotposition auf der PMT-Kamera Position der Lichtquelle über GPS bekannt Überprüfung der Orientierung der Teleskope (sog. Pointing) Mit Simulationssoftware ist Intensitätsverteilung im Spot für jeden Einfallswinkel ermittelbar Einbinden in die Rekonstruktionssoftware Verbesserung der Luftschauerrekonstruktion Isotropie der Lichtquelle (z.z. bis ~% Abweichung vom MW) auf <.% verbessern Stabilisierung der Leuchtleistung (sehr temperaturabhängig) Kalibration der Photomultiplier - Winkel [ ] 9 Intensitaet Winkelverteilung des Gesamtaufbaus Abweichung [%]