Solarmax

De Solar Maximum Mission (SolarMax of SMM) werd op 14 januari 1980 gelanceerd om het verwachte maximum aan activiteit op de zon waar te bestuderen in 1980 en 1981. Vooral de zonnevlammen (grote uitbarstingen op het oppervlak van de zon) waren  onderwerp van het onderzoek met deze satelliet. 
Om de 11 jaar is er een periode waarin de zon erg actief is.
Uitbarstingen op de zon hebben invloed op het weer op Aarde. In boomringen is de activiteit van de zon zelfs waarneembaar. Ook kunnen zonnevlammen storingen in het elektriciteitsnet veroorzaken.
Zonnevlekken zijn plaatsen op de zon waar het iets koeler is (4500 graden) dan de rest van het zonsoppervlak (6000graden). 
Zonnevlammen daarentegen zijn hevige uitbarstingen die in de buurt van de zonnevlekken ontstaan. Ze bestaan uit waterstof en schieten over het oppervlak van de zon heen. Bij de zon speelt het magnetisch veld een grote rol en als daar storingen in ontstaan volgen de zonnevlammen de ontspoorde magnetische velden. De energie van de zonnevlammen is gigantisch. Vergelijkbaar met 20 miljoen zware kernbommen en ze hebben een temperatuur van 100 miljoen graden. Bij al dit geweld wordt er UV straling, röntgenstraling en gammastraling uitgestoten. Om die straling te meten had de SMM de volgende instrumenten aan boord:

 

 

 

 

1 Een coronagraaf/polarimeter om de corona en zonuitbarstingen aan de rand van de zon waar te nemen

2 Een ultraviolet spectrometer om de zon in UV straling waar te nemen

3 Een X-ray polychromator om "zachte" röntgenstraling  waar te nemen. Men observeerde hiermee zonnevlammen en actieve gebieden op de zon. Zachte röntgenstraling heeft een langere golflengte en lage energie

4 HXIS (Hard X-ray Imaging Spectrometer) om ook zonnevlammen en actieve gebieden waar te nemen, maar in dit geval de harde röntgenstraling met hoge energie. Dit instrument werd door o.a. professor De Jager op de universiteit van Utrecht ontwikkeld en wordt hieronder besproken.

5 Een Hard X-ray Burst spectrometer dat zonnevlammen en actieve gebieden in 476 kanalen en bij hoge energie waarnam

6 Een Gamma-Ray spectrometer om de gammastraling (nog kortere golflengte dan röntgenstraling) van de zonnevlammen waar te nemen.

7 Een Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor om de straling van de zon te meten.

SMM was een NASA satelliet met instrumenten uit Nederland, Engeland en de Verenigde Staten.

SMM maakte als eerste gebruik van de modulaire constructie van ruimtevaartuigen die een tijdje in gebruik is geweest (Multimission Modular Spacecraft (MMS)). De verzorgingsmodule met zonnepanelen, stroomvoorziening, data afhandeling, standregeling en communicatie onderaan en het wetenschappelijke gedeelte bovenop. De lengte bedroeg ongeveer 4 meter. De zonnepanelen leverden tussen de 1500 en 3000 W. vermogen. Alle instrumenten waren er op gericht om zo snel mogelijk te kunnen reageren op gebeurtenissen op de zon zelf.
De standregeling was heel precies, want daarmee werden de instrumenten op de zon gericht. De omlooptijd om de aarde bedroeg 96 minuten. Oorspronkelijk was de lancering vastgesteld op 19 oktober 1979, maar door problemen in de satelliet werd het 14 februari 1980.

 

HXIS

De Hard X-ray Imaging Spectrometer van de SMM was de eerste die een beeld kon verkrijgen in een voor röntgenstraling hoge resolutie.
Röntgenstraling is straling die bijna overal doorheen dringt. Het is lastig om een beeld te verkrijgen in röntgenstraling. Het laat zich niet met lenzen bundelen en tot op zekere hoogte kan men heel licht gebogen spiegels gebruiken om röntgenstraling af te buigen en op een detector te richten. Het maken van afbeeldingen is nauwelijks mogelijk met die scherende spiegels. Bij HXIS heeft men het heel anders opgelost.  Het instrument werd gebouwd door het laboratorium voor Ruimte-Onderzoek in  Utrecht en het Department of Space Research in Birmingham (UK). 
HXIS diende om de röntgenstraling van zonnevlammen waar te nemen. Het instrument kon een afbeelding in röntgenstraling van de zon produceren. Die foto's bestonden uit 452 beeldelementen. Vergeleken bij normale foto's vrij grof, uiteraard. Naast deze beeldinformatie werd ook nog informatie verkregen over de energie (vergelijkbaar met golflengte) van de waargenomen straling d.m.v. 12 energiekanalen tussen de 3,5 en 30 kilo elektron volt (keV). Dit komt overeen met golflengten van 3.6 en 0,4 Ångström, dus zo'n duizendmaal kortere golflengte dan zichtbaar licht. Zie ook de afbeeldingen op de startpagina. Het instrument kon ook snel opnamen achter elkaar maken (tussen een halve seconde en 7 seconden). Zo kon er een filmopname van een zonnevlam gemaakt. worden.

HXIS schematisch: collimator met roosters, detectors en elektronica. HXIS zoals hij er uitzag in het laboratorium. De afmetingen waren 29 x 39 x 160 cm en het gewicht bedroeg 70 kg. Dat is veel, maar de collimator mocht niet vervormen en moest dus stevig uitgevoerd zijn.

HXIS bestaat uit de volgende hoofdonderdelen:

1 De collimator (verzamelaar) vormt een afbeelding in röntgenstraling van het actieve gebied op het venster van de twee detectoren. De collimator is te vergelijken met een camera-objectief. 

2 De detectoren absorberen de röntgenstraling van de collimator afbeeldingen zetten ze om in elektrische signalen. Dit deel is te vergelijken met de gevoelige film of beeldchip uit een camera.

3 De analoge elektronica zet de elektrische signalen om in digitale informatie

4 De Data Handling Elektronica verzamelt en selecteert de digitale informatie zo dat zij in een handzame vorm naar de volgstations op aarde verzonden kan worden. En deze elektronica, die te vergelijken is met een computer, bestuurt de werking van het instrument.

Het gezichtsveld van de HXIS is hiernaast afgebeeld. Er zijn drie gezichtsvelden:

a. Een gezichtsveld met grote openingshoek, opgebouwd uit 128 beeldpunten (in de tekening coarse field of view), beeldhoek ongeveer 6,5 graden

b. Een gezichtsveld met kleine openingshoek, opgebouwd uit 304 beeldpunten (in de tekening fine f.o.v.). Beeldhoek: ongeveer 2,5 graden.

c. Twee gezichtsvelden, opgebouwd uit ieder 10 beeldlijnen. De lijnen patronen van beide gezichtsvelden staan loodrecht op elkaar en zijn aangegeven als slits

De HXIS collimator projecteert bovengenoemde beeldelementen op de detectoren, die in staat zijn om alle beeldelementen afzonderlijk uit te lezen. Daarmee kan het zonnebeeld, bestaande uit 452 elementen, worden samengesteld.

 

 

 

 

  totale openingshoek resolutie van één beeldelement
hoek opp. op de zon hoek opp. op de zon
Coarse fov 6'24" 279000 km2 32" 23200 km2
Fine fov 2'40" 116000 km2 8" 5800 km2
Slit fov 6'24x2'40" 279000x116000 km2 16x6'24" 11600x279000 km2

De functie van de collimator is om een afbeelding te kunnen maken in röntgenstraling. Daarvoor worden 10 zeefplaten gebruikt die heel precies achter elkaar opgesteld zijn. De gaatjes van 46 micron (1 micron is 1/1000 mm.) liggen precies achter elkaar in één lijn. Vergelijk het met een handvol drinkrietjes. Als je daardoor kijkt zie je door elk rietje een stukje van het beeld. Philips vervaardigde de collimator platen en Fokker Aerospace bouwde de hele collimator. Door de gaatjes op elke collimatorplaat iets anders te plaatsen, verkreeg men een groter beeldveld. Zie de afbeelding rechts. Vergelijk het weer met de bundel rietjes, maar nu meer als een uitgewaaierde bundel. 

 

 

 

 

 

De foto onder laat de complete eerste collimatorplaat zien.

 

De detectoren

Bodemplaat met detectoren * Een mini proportional counter (MPC). Die bestaat uit een bolvormige anode (positief) en een buisvormige kathode (negatief)
De buisvormige kathodes vormen bovendien een afscherming met de andere MPC's.
*

De HXIS detectoren bestaan uit een gasgevulde ruimte (druk 1 bar en een mengsel van 95% Xenon en 5% kooldioxide). Daarin bevinden zich de eigenlijke detector buisjes, de MPC's. De anode staat op een hoge positieve spanning van 3000 Volt. Als een buisje geraakt wordt door een foton (een röntgendeeltje) slaat het buisje als het ware door. Een elektronen wolkje loopt dan van de kathode (het omhulsel) naar de bolvormige anode. Die verhuizing van elektronen wordt door de elektronica opgemerkt en verwerkt. 

De detector is aan de bovenzijde afgedekt met een Beryllium venster dat geen gas, maar wel röntgenstraling doorlaat. De 450 MPC's zijn onderverdeeld in de volgende functies. 256 worden er gebruikt om de röntgenafbeelding te maken. De overige 194 zijn verdeeld over 162 zogenaamde "blinde" tellers en 32 "monitortellers". De blinde MPC's kunnen geen directe straling van de zon waarnemen, maar waarschuwen het instrument wanneer ongewenste straling of deeltjes uit de aardse stralinggordels of kosmische straling de detector binnendringen. Die deeltjes gaan dwars door alles heen. We kunnen ze op aarde ook waarnemen met geiger-müller tellers.

De monitor tellers geven informatie over het functioneren van het instrument. Vier ervan worden door een radioactieve bron bestraald, en geven dus een bekende referentie.

Resultaten

In december 1980 zorgde een kortsluiting er voor dat er een zekering doorbrandde. Daardoor werkte de standregeling niet meer.
De satelliet werd in april 1984 gerepareerd door de bemanning van de Spaceshuttle Challenger (vlucht STS 41-C). Aan boord zijn toen IMAX filmbeelden gemaakt voor de film "The dream is alive". Daarna heeft hij nog gewerkt. Op 2 december 1989 dook SolarMax de atmosfeer in en verbrandde. De reparatie van SolarMax was de eerste reparatie in de ruimte. Als een van de eerste satellieten had hij een speciaal bevestigingspunt, maar toch moest astronaut George Nelson het drie proberen voordat de arm van de Shuttle de satelliet kon beetpakken. Er zat iets in de weg dat niet op de tekening stond...

De instrumenten toonden aan de zon, tegen de verwachtingen in, tijdens een zonnevlek maximum helderder is dan in een periode zonder zonnevlekken. SMM ontdekte in de periode 1987-1989 ook 10 kometen die vlak langs de zon scheerden.

 

Deeltjes, straling en energie - verklaring

Vanaf het zichtbare licht spectrum en straling met kortere golflengten kun je zowel van elektromagnetische straling als deeltjes spreken. Zichtbaar licht, maar ook röntgenstraling bestaan dus zowel uit elektromagnetische golven als deeltjes (fotonen). Bij de vroegere chemische fotografie met gevoelige films zijn vooral de deeltjes belangrijk; die zorgen ervoor dat een beeld wordt vastgelegd. Bij andere toepassingen is de golflengte weer belangrijker. 
Elektromagnetische straling met lage frequentie en lange golflengte, zoals radiogolven, heeft een lage energie. Röntgenstraling heeft een korte golflengte (met zeer korte golflengte) en een hoge energie. Die straling gaat door weefsels, koffers en zelfs door containers heen. Hoe korter de golflengte, hoe hoger de energie.

*) Deze foto's zijn gemaakt in het verenigingsgebouw van Zenit, Den Helder, waar in 1981 de tentoonstelling "Beelden uit de Ruimte" plaatsvond. Medewerkers van het laboratorium voor Ruimte-Onderzoek in  Utrecht hebben daar voor ons onderdelen van de HXIS opgesteld. Ik denk dat dit uniek was!

Voornaamste bron: een beschrijving van de HXIS, afkomstig van het laboratorium voor Ruimte-Onderzoek in Utrecht.

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/