Empfangssystem zur Radioobservation hochenergetischer kosmischer Schauer und sein Verhalten bei Selbsttriggerung
Creators: name: Krömer, Oliver
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2008

description: Die Observation der hochenergetischen Komponente der kosmischen Teilchenstrahlung erfolgt durch indirekte Messungen. Dabei dringt das primäre kosmische Teilchen in die Erdatmosphäre ein und erzeugt durch Wechselwirkungen mit den Luftmolekülen einen kosmischen Luftschauer. Die am Erdboden ankommenden Sekundärteilchen werden mit Teilchendetektorarrays nachgewiesen. Das Fluoreszenzlicht der entlang der Schauerachse angeregten Stickstoffmoleküle wird im nahen Ultraviolettbereich mit Spiegelteleskopen beobachtet. Neben diesen etablierten Nachweismethoden wird derzeit die Radioobservation der Geosynchrotronemission des kosmischen Luftschauers als weitere, zusätzliche Beobachtungsmethode untersucht. Geosynchrotronemission entsteht durch Beschleunigung der vom kosmischen Luftschauer erzeugten relativistischen Elektron-Positron-Paare durch Lorentzkräfte im Magnetfeld der Erde. Am Erdboden führt dies zu einem Einzelimpuls der elektrischen Feldstärke mit einem kontinuierlichen Frequenzspektrum, das von wenigen MHz bis über 100 MHz reicht.
In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend von den Signaleigenschaften der Geosynchrotronemission und einer Analyse der überlagerten Stör- und Rauschkomponenten, ein geeignetes Empfängerkonzept erarbeitet. Da dieses in der geforderten Form kommerziell nicht verfügbar war, wurde das Empfangssystem, bestehend aus Antenne, Empfängerelektronik und Datenerfassung, im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und realisiert. Dabei sind bereits auch Aspekte großflächiger Radiodetektorarrays, wie ein geringer Leistungsbedarf für eine photovoltaische Versorgung und Wirtschaftlichkeit, berücksichtigt worden. Ergebnis ist ein kalibrierter, mehrkanaliger, digitaler Breitband-Messempfänger für den lückenlosen Empfang zwischen 40 MHz und 80 MHz. Seine inhärente Störunterdrückung resultiert im Wesentlichen aus der Antennenrichtcharakteristik und der Frequenzselektion und erlaubt die effektive Radioobservation kosmischer Schauer auch in besiedelter Umgebung.
Mehrere der hier konzipierten Empfängerstationen wurden auf dem Gelände des Luftschauerexperimentes KASCADE-Grande im Forschungszentrum Karlsruhe errichtet. Sie empfangen Radiosignale, die eindeutig mit kosmischen Schauern koinzidieren. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Kalibrierung über den gesamten Signalpfad und das Polarisationsverhalten gestatten es, die Radioemissionen kosmischer Schauer und die zugrunde liegenden Emissionsmodelle systematisch zu untersuchen.
Für einen autarken Betrieb der Empfängerstationen ist eine Selbsttriggerung gefordert, welche den kosmischen Schauer allein anhand des Radiosignals erkennt. Dabei ist aufgrund additiver Rausch- und Störgrößen mit sinkender Detektorschwelle eine steigende Anzahl von Falschtriggern abzusehen. Die hier konzipierte Selbsttriggerung ermöglicht bei technisch handhabbaren Falschtriggerraten eine geeignet niedrige Schwelle. Das Verhalten und die Grenzen dieses Selbsttriggerkonzeptes werden sowohl theoretisch als auch messtechnisch durch seine Umsetzung in Hardware und Einsatz unter realen Umgebungsbedingungen nachvollzogen. Auf dem radiolauten Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe liegen die Feldstärkeschwellen nur einen Faktor 3 oberhalb des theoretischen Minimums, das in unbesiedelten Gebieten durch das stets präsente galaktische Rauschen gegeben ist. Die resultierende Nachweisgrenze für kosmische Strahlung wird in unbesiedelten Gebieten oberhalb einer Energie des Primärteilchens von ca. 5•1017 eV und in der Umgebung des Forschungszentrums Karlsruhe oberhalb von ca. 1018 eV erwartet.