Auslegung von Detektoren und Ladungsverstärkern für die Erkennung geladener Partikel unter Berücksichtigung des Systemverhaltens

Abstract

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.

Charge induction based detectors for cosmic dust are employed in space to determine the trajectory or velocity and charge of cosmic dust particles in various settings. The dust particles exhibit a certain charge due to solar radiation. This charge is evaluated non-destructively by measuring charges induced in the electrodes of a dust detector. The present work is mainly concerned with the optimized design of the aforementioned detectors and charge-sensitive amplifiers for both space applications and test setups on earth. Additionally, an increase in the supported particle velocity range, both at the lower end and at the higher end is investigated. A simulation model is presented, that considers both a simplified model of the detector and a model of the amplifier. For the parameter estimation system an ideal approximation is assumed. By evaluating this model, new insights into the dependencies between the detector electrode design, the detector output signal and the noise generated by the detector and the amplifier are provided. It is shown that the electrode length has only a minimal influence on the detection sensitivity, but short electrodes enable a reduction of the power consumption at a similar sensitivity. A wide spacing between the electrodes and the shielding grids improves the detection sensitivity, but increases the variance of the estimated particle speed. In total, a velocity range from 15 m/s to 300 km/s is considered. To enable the detection of slow particles, a differential charge-sensitive amplifier is designed. A theoretic comparison to ground-referred charge-sensitive amplifiers is presented to improve the understanding of the concept of differential charge-sensitive amplifiers. Noise due to leakage paths and dielectric dissipation at low frequencies is minimized by selecting specific low loss materials. The detection of fast particles is enabled by the design of a fast charge-sensitive amplifier, supporting frequencies up to 50 MHz. For the differential charge-sensitive amplifier, an equivalent noise charge of 55 elementary charges is achieved in the frequency range from 40 Hz to 300 kHz for a ground-referred detector capacitance of 2.2 pF at each input.