Abstract
Denne oppgaven omhandler prototypeutvikling av et nytt multi-Nål Langmuir Probe system (m-NLP). Systemet har blitt utviklet ved UiO for bruk på sonderaketter og satellitter. Måleprinsipper, design av instrumentet, samt kalibrering- og testresultater presenteres. I tillegg er de første resultatene fra ICI-2 rakettkampanjen presentert.
Instrumentet fungerer ved at det måler strømmen som samles opp individuelt fra fire nåleprober, plassert foran rakettens/satellittens sjokkfront. Den oppsamlede strømmen konverteres til spenning, filtreres, digitaliseres og sendes så til det sentrale telemetrisystemet for overføring av data til bakkestasjonen. Ved å bruke data fra fire fixed-bias Langmuir nåleprober, samplet på samme tid, kan elektrontettheten i plasmaet kalkuleres med høy tidsopppløsning uten at man trenger å vite elektrontemperaturen eller potensialet til romfartøyet. Med det valgte designet på nåleprobene og de estimerte elektrontetthetene måtte instrumentet være i stand til å måle strømmer ned til 1 nA. Endelig ytelse for elektronikken var en nedre målegrense på rundt 0,5 nA med tilfredsstillende signal/støyforhold. Maksimum samplingsrate er omtrent 9 kHz, men for konfigurasjonen for ICI-2 rakettkampanjen ble det brukt en samplingsrate på 5787 Hz. Dette gir en romlig oppløsning på rundt 11 cm når nyttelasten er ved apogeum. På grunn av konfigurasjonen med fire prober, begrenses de minste strukturene man kan måle av avstanden mellom probene, som var omtrent 1 meter. Med den valgte størrelsen på probene kan instrumentet dekke et område i elektrontetthet fra Ne = 10^9 til 10^12 per kubikkmeter. De fire biasspenningene kan settes til enhver spenning mellom 0 V og 10 V.
This thesis deals with prototype development of a novel fixed-bias multi-Needle Langmuir Probe system (m-NLP). The system has been invented at UiO for use on sounding rockets and satellites. Measurement principles, instrument design, and calibration and test results are reviewed. In addition, the first results from the ICI-2 rocket campaign are presented.
The instrument works by measuring the current collected individually from four needle probes, placed in front of the rocket/satellite's shock front. The collected current is converted to voltage, filtered, digitalized and then sent to the central telemetry (TM) system for down link to the ground station. By using data from four fixed-bias Langmuir needle probes, sampled at the same time, the plasma electron density can be derived with high time resolution without the need to know the electron temperature and the spacecraft potential. With the selected needle probe design and the estimated electron densities, the instrument had to be capable of measuring currents down to 1 nA. Final performance of the electronics was a lower measurement limit of about 0.5 nA with satisfying signal-to-noise ratio. The maximum sample rate is about 9 kHz, but for the ICI-2 mission configuration a sample rate of 5787 Hz was used. This gives a spatial resolution of about 11 cm at payload apogee. Due to the configuration with four probes, the smallest physical structures that can be measured are limited by the probe distance of about 1 meter. With the selected probe size, the instrument can cover an electron density range from Ne = 10^9 to 10^12 per cubic meter, and the four bias voltages for the probes can be set at any voltage between 0 V and 10 V.