Umeå University's logo

This dissertation covers the development and calibration of the Jovian plasma Dynamics and Composition analyzer (JDC). JDC is together with five other sensors a part of the Particle Environment Package (PEP), one of the payloads of the European Space Agency's JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) mission. The JUICE mission is designed to broaden our understanding of the Jovian system including Jupiter, the four Galilean moons (Io, Europa, Ganymede and Callisto) and Jupiter's vast magnetosphere. JUICE is planned to launch in 2023.

The PEP payload will study the plasma environment around Jupiter and its moons in great detail. As one of the sensors of PEP, JDC will measure the energy distribution of positive and negative ions as well as electrons in an energy range from a few eV/q up to 35keV/q. The field of view covered by JDC spans over a full hemisphere. JDC also determines the mass of particles using the time-of-flight principle. Alternatively, there is the possibility to determine the distribution of particle arrival times to study their distribution in the time domain.

In this thesis, ion-optical, mechanical, electrical, thermal, radiation shielding and instrument operation related design solutions are presented and discussed. Special attention was paid to the performance of the channel electron multipliers used as time-of-flight start detectors. To verify their performance throughout the whole mission, a full lifetime test for these detectors was successfully performed. As a result of this test a qualitative performance model for channel electron multipliers was developed. Another experiment included in this work is the determination of the residual gas pressure evolution inside of JDC. A sufficiently low residual gas pressure is required for safe operation of JDC's high voltage systems. Finally, the performance of the JDC linear electric field reflectron was verified using a dedicated prototype.

The last part of this work describes the methods used for instrument calibration and first results of the calibration of the flight spare model of JDC, the unit that will fly to Jupiter, are presented.

Den här avhandlingen behandlar utvecklingen och kalibreringen av instrumentetJovian plasma Dynamics and Composition analyzer (JDC). JDC utgör tillsammans med fem andra sensorer Particle Environment Package (PEP), som är ett av experimenten på European Space Agency:s rymdsond Jupiter Icy moons Explorer (JUICE). JUICE uppdrag är att bredda och fördjupa vår kunskap om Jupiter-systemet. Rymdsonden ska skjutas upp 2023 och studera Jupiter, Jupiters magnetosfär och de fyra Galileiska månarna (Io, Europa, Ganymedes och Callisto).

Instrumentpaketet PEP är konstruerat för att undersöka plasmamiljön kring Jupiter och dess månar i detalj. Sensorn JDC har som sin specifika uppgift att observera energifördelningen hos positiva och negativa joner samt elektroner i ett energiområde från några få eV/q (elektronvolt per laddningsenhet) upp till 35 keV/q. JDC:s synfält är en hel hemisfär och instrumentet använder flygtidsprincipen för att bestämma massorna hos de partiklar som observeras. Det finns också en möjlighet att istället registrera partiklarnas ankomsttider för att titta på fördelningen i tidsdomänen.

I avhandlingen presenteras jonoptiska, mekaniska, elektriska och termiska konstruktionslösningar för JDC. Aspekter relaterade till strålningsskärmning och drift av instrumentet diskuteras också.

Vi tittar särskilt på prestandan hos de kanalelektronmultiplikatorer som används som startdetektorer i flygtidssystemet. För att undersöka hur de kommer att fungera under den långa expeditionen har ett livstidstest utförts. Utgående från resultaten har en kvalitativ prestandamodell tagits fram. Ett annat experiment som avhandlingen behandlar är undersökningen av hur residualgastrycket utvecklas inuti JDC. För att de högspänningssystem som finns inuti instrumentet ska fungera utan risk för överslag måste trycket vara tillräckligt lågt. Slutligen diskuteras användningen av en särskild prototyp för att verfiera funktionaliteten hos den så kallade ’reflektronen’, en av JDC:s centrala delar.

Sista delen av avhandlingen beskriver metoder som använts för kalibrering av instrumentet och de första resultaten från kaliberingen av det exemplar (den modell) av JDC som faktiskt kommer att flyga till Jupiter.