[논문 리뷰] In-flight calibration of RADEM, the JUICE mission radiation monitor
본 논문은 JUICE의 RADEM에 대한 임무 중 보정 캠페인을 제시하고, GCR과 BON2020 모델을 사용하여 검출기 카운트를 입자 플럭스로 변환하는 보정 계수를 도출하며, 양성자 SEP 플럭스 재구성을 SOHO/ERNE 측정과 비교하여 검증한다.
The RADiation-hard Electron Monitor (RADEM) aboard the Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), launched on 14 April 2023, measures high-energy protons and electrons during the cruise phase and will continue throughout the nominal mission. Initial in-flight observations could not be explained by pre-flight ground calibration, motivating an in-flight calibration campaign. We calibrated the RADEM sensors using galactic cosmic rays by progressively increasing detector thresholds, thereby modifying their response to high-energy particles. Threshold-dependent in-flight count rates were compared with theoretical expectations derived from the Badhwar-O'Neill 2020 galactic cosmic ray model and corresponding response functions. These results were used to derive new in-flight calibration coefficients and to develop a flux reconstruction algorithm based on the bow-tie method. In several cases, the in-flight calibration slopes differ by up to an order of magnitude from ground calibration values. Proton fluxes from solar energetic particle events reconstructed with this method agree within a factor of two with independent measurements from the Solar and Heliospheric Observatory. These results demonstrate that RADEM provides accurate proton flux measurements in interplanetary space and is well suited for both single-spacecraft analyses and coordinated multi-mission studies of solar energetic particles. While electrons were clearly detected during the JUICE Lunar-Earth gravity assist, reliable reconstruction of their fluxes requires further analysis.
연구 동기 및 목표
- Ground calibration이 RADEM의 비행 관측치를 재현하지 못한 이유를 설명하고 운항 중 재보정의 필요성을 제시한다.
- DetectorThreshold를 응답 함수 통해 에너지 침착으로 연결하는 보정 워크플로우를 설명한다.
- Detector counts를 입사 입자 플럭스로 변환하는 플럭스 재구성 방법(bow-tie 접근)을 개발한다.
- RADEM 센서 임계값에 대한 임항 보정 계수를 추정하고 외부 데이터 세트와의 프론트 프로톤 플럭스를 검증한다.
제안 방법
- Geant4를 사용하여 간소화된 우주선 차폐 모델로 GCR 종에 대한 RADEM 응답 함수를 계산한다.
- May 2024의 비행 데이터에 맞추기 위해 1 au의 BON2020 GCR 플럭스와 변조 포텐셜 phi ~ 1000 MV를 사용한다.
- RADEM 검출기 헤드의 에너지 임계값에 따른 카운트율을 시뮬레이션하고 비행 카운트와 비교하여 보정 계수를 도출한다.
- bow-tie 기반 플럭스 재구성 알고리즘을 적용하여 RADEM 카운트를 미세한 플럭스로 변환한다.
- Run 1 및 Run 2 데이터를 분석하여 SEP 오염을 처리하고 보정에서 오염 구간을 제외한다.
실험 결과
연구 질문
- RQ1임항 보정이 다양한 임계값에서 비행에서 관측된 RADEM 카운트율을 재현하는가?
- RQ2GCR를 보정 소스로 사용할 때 RADEM 센서의 DAC 대 에너지 임계값 변환은 무엇이 적절한가?
- RQ3보정 계수는 지상 값과 어떻게 다른가, 그리고 플럭스 재구성에 대한 시사점은 무엇인가?
- RQ4RADEM에서 유도된 프로톤 플럭스가 독립 데이터 세트(SOHO/ERNE 등)와 SEP 이벤트 및 조용한 기간에 얼마나 잘 일치하는가?
주요 결과
| Detector Head | Sensor # | Trigger | Run | m [MeV/DAC] | b [DAC] |
|---|---|---|---|---|---|
| EDH | 1 | HGLT | 2 | 1.72E-03 ± 9.26E-05 | -0.08 ± 0.05 |
| EDH | 2 | HGLT | 2 | 1.74E-03 ± 2.99E-05 | -0.10 ± 0.01 |
| EDH | 3 | HGLT | 2 | 1.72E-03 ± 2.58E-05 | -0.08 ± 0.01 |
| EDH | 4 | HGLT | 1 | 1.70E-03 ± 2.86E-05 | -0.20 ± 0.01 |
| EDH | 5 | HGLT | 1 | 1.62E-03 ± 2.05E-05 | -0.15 ± 0.01 |
| EDH | 6 | HGLT | 1 | 1.64E-03 ± 2.96E-05 | -0.18 ± 0.01 |
| EDH | 7 | HGLT | 2 | 1.72E-03 ± 2.14E-05 | -0.10 ± 0.01 |
| EDH | 8 | HGLT | 2 | 1.88E-03 ± 2.79E-05 | -0.13 ± 0.01 |
| EDH | 1 | HGHT | 2 | 1.92E-02 ± 2.04E-03 | -0.21 ± 0.61 |
| EDH | 2 | HGHT | 2 | 1.60E-02 ± 7.67E-04 | 0.22 ± 0.23 |
| EDH | 3 | HGHT | 2 | 1.80E-02 ± 7.39E-04 | -0.08 ± 0.22 |
| EDH | 4 | HGHT | 2 | 1.64E-02 ± 6.62E-04 | 0.07 ± 0.20 |
| PDH | 1 | HGLT | 2 | 1.52E-03 ± 4.08E-05 | -0.06 ± 0.02 |
| PDH | 2 | HGLT | 2 | 1.83E-03 ± 3.36E-05 | -0.16 ± 0.02 |
| PDH | 3 | HGLT | 2 | 1.83E-03 ± 2.41E-05 | -0.16 ± 0.01 |
| PDH | 4 | HGLT | 1 | 1.80E-03 ± 3.68E-05 | -0.27 ± 0.02 |
| PDH | 5 | HGLT | 1 | 1.77E-03 ± 3.60E-05 | -0.26 ± 0.02 |
| PDH | 6 | HGLT | 1 | 1.78E-03 ± 4.33E-05 | -0.27 ± 0.02 |
| PDH | 7 | HGLT | 1 | 2.01E-03 ± 4.33E-05 | -0.19 ± 0.02 |
| PDH | 8 | HGLT | 1 | 2.52E-03 ± 6.24E-05 | -0.30 ± 0.04 |
| PDH | 1 | HGHT | 2 | 1.66E-02 ± 8.65E-04 | -0.09 ± 0.26 |
| PDH | 2 | HGHT | 2 | 1.78E-02 ± 3.92E-04 | 0.05 ± 0.12 |
| PDH | 3 | HGHT | 1 | 1.82E-02 ± 3.99E-04 | -0.42 ± 0.12 |
| PDH | 4 | HGHT | 2 | 1.80E-02 ± 2.71E-04 | 0.01 ± 0.08 |
| PDH | 5 | HGHT | 2 | 1.74E-02 ± 2.61E-04 | 0.04 ± 0.08 |
| PDH | 6 | HGHT | 2 | 1.75E-02 ± 3.23E-04 | 0.05 ± 0.10 |
| PDH | 7 | HGHT | 2 | 2.37E-02 ± 6.07E-04 | -0.18 ± 0.18 |
| PDH | 8 | HGHT | 2 | 2.97E-02 ± 3.17E-04 | -0.09 ± 0.09 |
| HIDH | 2 | LGT | 1 | 4.57E-01 ± 2.31E-02 | 7.07 ± 0.45 |
| HIDH | 2 | LGT | 2 | 4.93E-01 ± 2.19E-02 | 7.40 ± 0.43 |
- 모든 RADEM 센서에 대한 새로운 임항 보정 계수들이 도출되었다.
- 여러 경우에서 임항 보정 기울기가 비행 전 지상 값에 비해 최대 한 차수 차이로 다르게 나타난다.
- bow-tie 방법으로 재구성된 SEP 이벤트의 양성자 플럭스는 SOHO/ERNE 측정과 2배 이내의 차이로 일치한다.
- RADEM은 행간 공간에서 정확한 양성자 플럭스 측정을 제공하고 다중 임무 SEP 연구를 지원할 수 있다.
- JUICE LEGA 측정에서 전자가 식별되지만 플럭스 재구성은 더 상세한 분석이 필요하다.
- 보정은 HGLT/HGHT 기울기가 전자 및 임계값에 따라 다르게 나타남을 보여주며 전자 및 차폐 모델링의 한계 때문일 수 있다.
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