Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7396

Empfangssystem zur Radioobservation hochenergetischer kosmischer Schauer und sein Verhalten bei Selbsttriggerung

Oliver Krömer

Zusammenfassung
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.

Receiver System for Radio Observation of High-Energy Cosmic Ray Air Showers and its Behaviour in Self Trigger Mode

Abstract
The observation of high-energy cosmic rays is carried out by indirect measurements. Thereby the primary cosmic particle enters into the earth’s atmosphere and generates a cosmic ray air shower by interactions with the air molecules. The secondary particles arriving at ground level are detected with particle detector arrays. The fluorescence light from the exited nitrogen molecules along the shower axis is observed with reflector telescopes in the near-ultraviolet range. In addition to these well-established detection methods, the radio observation of the geosynchrotron emission from cosmic ray air showers is investigated at present as a new observation method. Geosynchrotron emission is generated by the acceleration of the relativistic electron-positron-pairs contained in the air shower by Lorentz forces in the earth’s magnetic field. At ground level this causes a single pulse of the electric field strength with a continuous frequency spectrum ranging from a few MHz to above 100 MHz.

In this work, a suitable receiver concept is developed based on the signal properties of the geosynchrotron emission and the analysis of the superposed noise and radio frequency interferences. As the required receiver system was not commercially available, it was designed in the framework of this work and realised as system including the antenna, the receiver electronics and suitable data acquisition equipment. In this concept considerations for a large scale radio detector array have already been taken into account, like low power consumption to enable solar power supply and cost effectiveness. The result is a calibrated, multi-channel, digital wideband receiver for the complete range from 40 MHz to 80 MHz. Its inherent noise and RFI suppression essentially results from the antenna directional characteristic and frequency selectivity and allows effective radio observation of cosmic ray air showers also in populated environment.

Several units of this receiver station have been deployed on the site of the cosmic ray air shower experiment KASCADE-Grande at the Forschungszentrum Karlsruhe. They are receiving radio signals which are clearly in coincidence with cosmic ray air showers. Due to the calibration spanning the whole signal path and the polarization analysis it is possible to investigate radio emission from cosmic ray air showers and underlying emission models.

An autonomous operation of the receiver stations requires a self trigger which identifies the cosmic ray air shower by its own radio signal only. Due to the superposition of noise and radio frequency interference an increasing false trigger rate is expected with decreasing trigger threshold. The self trigger conceived within this work allows suitably low thresholds at technically manageable false trigger rates. The behaviour and limitations of this self trigger concept are derived theoretically but also confirmed by measurements under real environmental conditions. On the radio-loud site of the Forschungszentrum Karlsruhe, the electric field strength threshold is only a factor of 3 above the theoretical minimum which is given by the omnipresent galactic noise in an unpopulated environment. The resulting detection limits for cosmic rays are expected to be above 5•10¹⁷ eV for the primary particle energies in an unpopulated environment and above 10¹⁸ eV on the site of the Forschungszentrum Karlsruhe.

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