Browsing by Author "Kelz, Sebastian"

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Open Access
Auslegung von Detektoren und Ladungsverstärkern für die Erkennung geladener Partikel unter Berücksichtigung des Systemverhaltens
(2024) Kelz, Sebastian; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
Detektoren für kosmischen Staub, die auf der Auswertung influenzierter Ladungen basieren, werden im Weltraum eingesetzt, um in unterschiedlichen Anwendungen die Flugbahn oder die Partikelgeschwindigkeit und die Ladung kosmischer Staubpartikel zu bestimmen. Aufgrund der Strahlung der Sonne weisen die Partikel eine gewisse Ladung auf, die durch die Messung influenzierter Ladungen in den Elektroden des Staubdetektors zerstörungsfrei ausgewertet wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit dem optimierten Entwurf der zuvor genannten Detektoren und Ladungsverstärker, sowohl in Bezug auf die Verwendung im Weltraum als auch für die Verwendung in Testaufbauten auf der Erde. Zusätzlich wird das Ziel verfolgt, den Geschwindigkeitsbereich, in dem Staubpartikel erkannt werden können, im Bereich niedriger Geschwindigkeiten und im Bereich hoher Geschwindigkeiten zu erweitern. Es wird ein Simulationsmodell vorgestellt, das sowohl ein vereinfachtes Modell des Detektors als auch ein vereinfachtes Modell des Verstärkers beinhaltet. Für das System zur Schätzung der Partikelparameter wird vereinfacht ein ideales System betrachtet. Durch die Auswertung des Systemmodells werden neue Einsichten in die Abhängigkeiten zwischen dem Aussehen der Elektrode, dem Ausgangssignal des Detektors und dem Rauschen des Detektors und des Verstärkers ermöglicht. Es wird gezeigt, dass die Länge der Elektrode nur einen geringen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Detektors hat, eine kurze Elektrodenlänge jedoch eine Reduzierung der Leistungsaufnahme bei ähnlicher Empfindlichkeit ermöglicht. Ein größerer Abstand zwischen der Abschirmung und der Elektrode erhöht die Empfindlichkeit in Bezug auf die Detektion, erhöht aber auch die Varianz der geschätzten Geschwindigkeit. Insgesamt wird der Geschwindigkeitsbereich zwischen 15 m/s und 300 km/s betrachtet. Um die Detektion langsamer Partikel zu ermöglichen, wird ein differenzieller Ladungsverstärker vorgestellt. Zur Verbesserung des Verständnisses des differenziellen Ladungsverstärkers erfolgt ein theoretischer Vergleich mit dem massebezogenen Ladungsverstärker. Das Rauschen aufgrund dielektrischer Verluste und begrenzter Isolationswiderstände bei niedrigen Frequenzen wird durch die Wahl spezifischer verlustarmer Materialien reduziert. Die Erkennung schneller Partikel wird durch den Entwurf eines Ladungsverstärkers mit einer oberen Grenzfrequenz von 50 MHz ermöglicht. Mit dem differenziellen Ladungsverstärker wird eine äquivalente Rauschladung von 55 Elementarladungen im Frequenzbereich von 40 Hz bis 300 kHz für eine massebezogene Kapazität von 2,2 pF erreicht.
Open Access
Upgrades of a small electrostatic dust accelerator at the University of Stuttgart
(2023) Li, Yanwei; Bauer, Marcel; Kelz, Sebastian; Strack, Heiko; Simolka, Jonas; Mazur, Christian; Sommer, Maximilian; Mocker, Anna; Srama, Ralf
In this paper, we describe the upgrade of a small electrostatic dust accelerator located at the University of Stuttgart. The newly developed dust source, focusing lens, differential detector and linac stage were successfully installed and tested in the beam line. The input voltage range of the dust source was extended from 0-20 kV to 0-30 kV. A newly developed dust detector with two differential charge sensitive amplifiers is employed to monitor particles with speeds from several m/s to several km/s and with surface charges above 0.028 fC. The post-stage linac provides an additional acceleration ability with a total voltage of up to 120 kV. The entire system of this dust accelerator works without protection gas and without a complex high voltage terminal. The volumes to be pumped down are small and can be quickly evacuated. The new system was used to accelerate micron- and submicron-sized metal particles or coated mineral materials. Improvements in the acceleration system allow for a wider variety of dust materials and new applications.