Investigador principal: David T. Young

Descripción general del CAPS: el espectrómetro de plasma de la Cassini (CAPS, Cassini Plasma Spectrometer) medirá el flujo de iones y electrones en función de la energía por carga y ángulo relativo de llegada al CAPS.

Objetivos científicos del CAPS:

• Medir la composición de las moléculas ionizadas que se originan en la ionosfera de Saturno y Titán.
• Investigar las fuentes y sumideros del plasma ionosférico: flujo/reflujo de iones, precipitación de partículas.
• Estudiar el efecto de la interacción magnetosférica/ionosférica en los flujos ionosféricos.
• Investigar la generación de fenómenos aurorales y de la radiación kilométrica de Saturno (SKR, Saturn Kilometric Radiation).
• Determinar la configuración del campo magnético de Saturno.
• Investigar los dominios del plasma y los límites internos.
• Investigar la interacción de la magnetosfera de Saturno con el viento solar y la dinámica impulsada por el viento solar dentro de la magnetosfera.
• Estudiar la microfísica del arco de choque y la magnetoenvuelta.
• Investigar la dinámica impulsada por la rotación, la entrada de plasma a partir de los satélites y anillos y el transporte radial y el momento angular del plasma magnetosférico.
• Investigar la dinámica de la magnetocola y la actividad de las subtormentas.
• Estudiar los rastros de las reconexiones en la magnetopausa y la cola.
• Caracterizar la entrada de plasma a la magnetosfera a partir de los anillos.
• Caracterizar el papel de la interacción anillo/magnetosfera en la dinámica y erosión de las partículas de los anillos.
• Estudiar las interacciones entre el polvo y el plasma y evaluar el papel de la magnetosfera en el transporte de sustancias entre la atmósfera de Saturno y los anillos.
• Estudiar la interacción de la magnetosfera con la ionosfera y la atmósfera superior de Titán.
• Evaluar la precipitación de partículas como fuente de la ionosfera de Titán.
• Caracterizar la entrada de plasma a la magnetosfera a partir de los satélites helados.
• Estudiar los efectos de la interacción de los satélites con la dinámica de las partículas de la magnetosfera dentro y alrededor del tubo de flujo de los satélites.

Instrumentos sensores del CAPS:

• Espectrómetro de masas de iones
• Espectrómetro de haz de iones
• Espectrómetro de electrones
• Unidad de procesado de datos
• Motor de exploración

Características del instrumento CAPS:

• Masa (mejor estimación actual): 12.50 kg
• Potencia media de operación (mejor estimación actual): 14.50 W
• Flujo medio de datos (mejor estimación actual): 8.00 kilobit/s

Informe técnico:

El espectrómetro de plasma de la Cassini (CAPS) medirá el flujo de iones en función de la masa por carga y el flujo de iones y electrones como función de la energía por carga y ángulo de llegada relativo al instrumento CAPS. El subsistema CAPS consiste de seis submontajes principales: el espectrómetro de masas, el espectrómetro de haz de iones, el espectrómetro de electrones, una unidad de procesado de datos, una fuente de potencia de alto voltaje y un actuador. Para obtener información sobre estos componentes, pulse sobre sus nombres.

El espectrómetro de masas de iones (IMS, ion mass spectrometer) proporciona medidas del flujo de iones atómicos y moleculares cargados positivamente en función de la energía/carga contra la dirección de entrada en la apertura. El IMS usa un analizador toroidal (para los datos de energía/carga y para crear un campo de visión estrecho) combinado con un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo de campo eléctrico lineal (para la masa/carga y otros datos relativos a la resolución de elementos). El IMS consiste en un actuador/cobertor de apertura, un analizador toroidal, láminas de carbono, un espectrómetro de tiempo de vuelo, placas microcanal, amplificador/discriminadores, un conversor de tiempo a digital, un módulo analizador de espectro y conversores de potencia de alto voltaje contenidos en las unidades de alto voltaje 1 y 2. Para más información sobre estos componentes, pulsar sobre sus nombres.

Enlaces IMS

El cobertor de apertura del IMS protege el IMS durante la manipulación mientras está en tierra y durante el lanzamiento y el principio del vuelo. El cobertor es una banda de material flexible que encaja en la apertura anular del IMS sin sellarlo hermeticamente. Para abrir el cobertor, la banda es deslizada en un contenedor por un resorte después de que la banda sea liberada por un actuador térmico de cera (WTA, wax thermal actuator). El cierre del cobertor requiere manipulación en tierra para retirar el cobertor y recolocarlo en el mecanismo de liberación. Así, una vez en vuelo, el cobertor de apertura es un dispositivo de un solo uso.

El analizador toroidal (toroidal se refiere a la configuración del reflector objetivo) consiste en un colimador deflector (un dispositivo usado para crear un haz paralelo de partículas) montado sobre un analizador electrostático toroidal “de sombrero”. La geometría del colimador determina el campo de visión estrecho y anular (es decir, con forma de anillo) del IMS, de 12 grados por 160 grados, que está dividido en ocho “píxeles” angulares de 12 grados por 20 grados cada uno. Un potencial electrostático entre los conductores interno y externo del analizador electrostático permite pasar a través de este dispositivo tan solo a los iones que tengan energías dentro del rango seleccionado por el analizador de potencial (es decir, sólo los iones con ciertas energías tendrán trayectorias, a un potencial dado del analizador, que pasen a través del analizador sin ser parados por una pared de impacto). Los espectros de energía son obtenidos regulando el analizador de potencial a través de un conjunto de 64 valores espaciados.

Hay ocho delgadas láminas de carbono dispuestas en un arco a lo largo de la salida del analizador toroidal. Las láminas son la entrada a la cámara del espectrómetro de tiempo de vuelo, formado por anillos de campo lineal eléctrico (linear electric field, LEF). Un potencial de -15 kV acelera los iones positivos que salen del analizador toroidal hacia las láminas, y esto permite a los iones de energías tan bajas como 1 eV, seleccionados de los que entran en el IMS, atravesar las láminas. Los iones moleculares que pasan a través de las láminas son normalmente escindidos en sus átomos constituyentes y en fragmentos moleculares. Los iones atómicos y moleculares y los fragmentos moleculares salen de las láminas como masas neutras ó iones y después de salir, las masas neutras y los iones eyectan electrones secundarios hacia la cámara de tiempo de vuelo.

El espectrómetro de tiempo de vuelo es una cámara cilíndrica dentro del IMS, rodeada de anillos de campo eléctrico lineal (LEF), donde las partículas que salen de las láminas de carbono se encuentra con un campo eléctrico con una intensidad que se incrementa linealmente con la distancia paralelamente al eje de simetría del LEF. El campo lineal eléctrico es generado por un conjunto de treinta anillos de aluminio equidistantes junto con una red de resistencias de gigaohmios, que establecen un potencial eléctrico cuadrático con una caída total de potencial a lo largo del conjunto de anillos de 30 kV.

El LEF enfoca las partículas cargadas positivamente con energías de hasta aproximadamente 15 KeV, independientemente de la energía y el ángulo con que salen de las láminas de carbono. Hay multiplicadores de placas microcanal (microchannel plates, MCP) situadas en los extremos del conjunto de anillos LEF. Se utiliza la detección por la MCP de “comienzo” (start, ST) de electrones secundarios rápidos que llegan de las láminas de carbono como señal de “comienzo” de tiempo de vuelo y para la determinación del ángulo de elevación de los iones con respecto de la apertura del IMS. El movimiento armónico simple de los iones en el LEF, junto con el conocimiento de la energía ganada del conjunto de analizador toroidal, relaciona sus tiempos de vuelo desde las láminas de carbono hasta el LEF del MCP (al otro lado de la cámara respecto del MCP ST), dando la masa por carga.

Las dos placas microcanal (MCPs) consisten cada una de tres placas circulares de cristal de óxido de plomo con multitud de canales microscópicos recorriéndolas con cierta inclinación a través del espesor de cada placa. Los electrones, iones y masas neutras que inciden en la placa exterior producen electrones secundarios en cascada que se dirigen hacia las paredes semiconductoras de los canales. Con una caída de potencial de alrededor de 1 kV a través del espesor de cada placa, se producen unos 300 electrones por cada partícula incidente, ó una ganancia de 106 electrones a través de las tres agrupaciones de placas.

Nueve ánodos bajo el MCP ST y uno bajo el MCP LEF recogen los electrones emitidos desde los MCPs y pasan las señales a dos amplificadores de corriente de alta velocidad (un amplificador de “comienzo” para los ocho ánodos de 20 grados de ancho y un amplificador de “parada” para el ánodo LEF y el ánodo ST central). Dos discriminadores de fracción constante aceptan las señales del amplificador y envían pulsos de sincronización digital (independientes de la amplitud de la señal del amplificador) al conversor de tiempo a digital (time-to-digital converter, TDC). También se envía al TDC la identificación del ánodo anular que fue la fuente del pulso de “comienzo” y si hubo algún pulso de “parada” del ánodo LEF ó el ánodo ST central.

El conversor de tiempo a digital (TDC) mide el intervalo de tiempo entre los pulsos de comienzo y parada que provienen de los amplificadores/discriminadores. El TDC produce una longitud de intervalo para el módulo analizador de espectro, junto con información que identifica el ánodo de “comienzo” y el ánodo de “parada”. La identidad del ánodo de “comienzo” determina a través de cual de los elementos de resolución de elevación del IMS, de 20 grados de ancho, entró un ión. Un dispositivo en el TDC (un 'pulser') puede introducir señales MCP simuladas como si proviniesen de los ánodos MCP, a través de capacitadores aislantes de alto voltaje, para probar las funciones del manejo de señales del IMS y elementos y software relacionados de la unidad de procesado de datos del CAPS.

El módulo analizador de espectro (spectrum analyzer module, SAM) proporciona las funciones de recogida, selección y transferencia de datos entre el TDC y la unidad de procesado de datos (data processing unit, DPU). Los datos de intervalo de tiempo provenientes del TDC son agrupados en un conjunto de canales de tiempo preseleccionados (por la DPU) asociados con ciertas especies de iones seleccionadas, sean atómicas ó moleculares. El procesador SAM realiza una deconvolución del espectro de tiempo de vuelo para obtener la identificación de los iones, la cual pasa al DPU.

El IMS tiene cuatro conversores de potencia de alto voltaje programables de pulso de ancho modulado. Estos conversores proporcionan alto voltaje al analizador toroidal, los anillos LEF y el MCP LEF.

El segundo submontaje mayor del CAPS es el espectrómetro de haz de iones (ion beam spectrometer, IBS). El IBS mide el flujo de iones cargados positivamente de todos los elementos como función de la energía/carga y la dirección de entrada por la apertura. El IBS consiste en un analizador electrostático hemisférico, canales multiplicadores de electrones, amplificadores/discriminadores y conversores de potencia de alto voltaje. Para más información sobre estos componentes, pulse en sus nombres.

Enlaces IBS

El analizador electrostático hemisférico consiste en dos hemisferios conductores de radio ligeramente diferente, montados concentricamente uno dentro del otro de tal manera que hay un pequeño espacio entre los dos conductores. El campo eléctrico en este espacio selecciona el rango de energía por carga y la dirección angular que los iones deben tener para pasar a través del analizador. Los espectros de energía son tomados regulando el potencial del analizador en pasos discretos a través de un conjunto de valores espaciados. Tres aperturas, cada una de ellas definiendo un campo de visión de 1.5 grados por 150 grados, con 30 grados entre ellas, permiten a las partículas entrar en el analizador. Las partículas son “enfocadas” hacia tres canales multiplicadores de electrones a 180 grados de las aperturas de entrada.

Los iones que entran en los canales multiplicadores de electrones (channel electron multipliers, CEMs) impactan contra las superficies internas semiconductoras de los dispositivos y producen electrones secundarios, que rebotan por el canal curvado de los CEMs, produciendo más electrones con cada rebote. De este modo, la entrada de un ion en un CEM produce un pulso de aproximadamente 108 electrones que son recogidos por un ánodo a la salida del CEM.

Los amplificadores/discriminadores amplifican los pulsos de electrones recogidos por los ánodos del CEM y envían las señales a la interfaz del IBS con la DPU. Un dispositivo en el IBS (un 'pulser') puede introducir señales CEM simuladas como si proviniesen de los ánodos CEM para probar las funciones del manejo de señales del IBS y elementos y software en la DPU.

El IBS tiene dos conversores de potencia de alto voltaje programables de pulso de ancho modulado que proporcionan alto voltaje al analizador hemisférico y a los CEMs.

El tercer submontaje mayor del CAPS es el espectrómetro de electrones (electron spectrometer, ELS), que mide el flujo de electrones en función de la energía/carga y la dirección de entrada por la apertura. El ELS consiste en un analizador esférico, placas microcanal, amplificadores/discriminadores, una unidad de control del sensor y conversores de potencia de alto voltaje. Para obtener información sobre cada componente, pulse en sus nombres.

Enlaces ELS

El analizador esférico consiste en un colimador deflector montado sobre un analizador electrostático esférico “de sombrero”. La geometría del colimador determina el campo de visión estrecho y anular del ELS, de 5 grados por 160 grados, que está dividido en 8 “píxeles” de 20 grados. Un potencial eléctrico entre los conductores interior y exterior del analizador electrostático permite que sólo pasen a través del dispositivo los electrones con energías y ángulos dentro de un rango seleccionado por el potencial del analizador y la colimación del “sombrero”. Los espectros de energía son tomados regulando el potencial del analizador a través de 96 valores espaciados.

Hay dos placas microcanal (MCPs) anulares “alargadas” (es decir, curvadas) dispuestas en un arco de 180 grados a lo largo de la salida del analizador esférico. Los electrones que impactan contra la superficie de las MCPs son multiplicados y la señal resultante es recogida por un arco de ánodos que cubren 20 grados.

Las señales de los ánodos son pasadas a ocho amplificadores/discriminadores a través de capacitores aislantes de alto voltaje y después son acumuladas por la unidad de control del sensor. La identidad del ánodo determina a través de cuál de los ocho elementos de resolución de elevación de 20 grados de ancho del ELS entró el electrón.

La unidad de control del sensor (sensor managemente unit, SMU) controla el nivel de voltaje de los conversores de potencia de alto voltaje del ELS según las peticiones de la unidad de procesado de datos (DPU) del CAPS y pasa el conteo de electrones (de cada uno de los ocho elementos de resolución angular) detectado por el ELS a la DPU. Un dispositivo en la SMU (un 'pulser') puede introducir señales MCP simuladas como si proviniesen de los capacitadores aislantes para probar las funciones del manejo de señales del ELS y elementos y software relacionados de la DPU.

El ELS tiene dos conversores de potencia de alto voltaje programables de pulso de ancho modulado que proporcionan alto voltaje al analizador esférico y a los MCPs.

El cuarto submontaje principal es la unidad de procesado de datos (data processing unit, DPU). La DPU controla la obtención y el procesamiento a bordo de los datos de todos los sensores de datos y control y de las funciones del motor actuador. La DPU está diseñada para usar dos CPUs, además del procesador del módulo de analizador de espectro. La primera CPU acumula espectros de tiempo de vuelo del IMS y comprime todos los datos del IMS. La otra CPU controla el IMS, el ELS, el IBS y el actuador y realiza los análisis de datos de a bordo para determinar qué medidas serán realizadas y qué datos serán enviados en las transmisiones de ciencia y mantenimiento.

La DPU consiste en las interfaces de control de datos de los sensores y del actuador, un conversor analógico a digital para el mantenimiento, un control seguro/armado, un controlador actuador térmico de cera (WTA), CPUs con memoria, una unidad de interfaz con el bus, conversores de potencia de bajo voltaje, calentadores de suplemento y de reemplazo, un radiador y la estructura principal del CAPS. Para más información sobre cada uno de estos elementos, pulse en sus nombres.

Enlaces de la DPU

A través de sus interfaces de control de datos de los sensores y del actuador, la DPU realiza varias funciones. Acumula el conteo del flujo de iones del IBS; recoge los datos de la SMU, el TDC y el SAM producto del ELS y el IMS; y controla directamente los pulsers del IMS y el IBS y los conversores de alto voltaje. La DPU envía al SAM, y lo controla, los datos de energía/carga de los iones. Además, la DPU controla el paso del motor actuador del CAPS (ACT) y recibe los datos de la posición y el estado del ACT.

El voltaje de salida de los nueve conversores de alto voltaje del CAPS, los bajo voltajes del CAPS, el encoder de posición del actuador y la temperatura de seis lugares distintos dentro del CAPS son monitorizados por un conversor analógico a digital para el mantenimiento. Además, dos sensores de temperatura (uno en la DPU, el otro en el mecanismo de liberación del cobertor del IMS) son monitorizados directamente por la nave. Estos dos sensores no necesitan que el CAPS esté encendido.

Cuando no están encendidos por la DPU (a través del software del CAPS), los conversores de potencia de alto voltaje tienen potencial cero. Cuando los conversores de alto voltaje están encendidos, puede usarse un conector seguro/armado en la DPU durante el manejo en tierra para limitar los altos voltajes a aproximadamente un 3 por ciento de lo que la DPU ha seleccionado.

Los actuadores térmicos de cera (WTAs) en el mecanismo liberador del cobertor del IMS y el cerrojo de lanzamiento del motor de exploración son controlados y activados a traves de un controlador WTA en la DPU.

La DPU usa dos CPUs casi idénticas, cada una con su propia RAM, ROM y microprocesador PACE 1750a.

El CAPS se comunica con el Subsistema de Datos y Comandos (CDS) a través de una unidad de interfaz con el bus (BIU) que está eléctrica, mecánica y térmicamente integrado dentro de la DPU.

Todos los conversores de potencia de bajo voltaje están alojados en la DPU. La potencia a diferentes voltajes es suministrada por las placas electrónicas de la DPU, incluyendo el BIU, y a través de los amplificadores, conversores D/A y otra circuitería alojada en el IMS, el ELS, el IBS y el ACT.

El calentador suplementario del CAPS (controlado por el CAPS) y el calentador de reemplazo (controlado por la nave) están montados en el interior de la placa superior de las DPUs.

El radiador del CAPS va montado en la parte trasera de la placa de la DPU.

Junto con el actuador, la caja de la DPU forma la estructura principal del CAPS. El IMS, el ELS, el IBS y los suministradores de potencia de alto voltaje van montados en la placa superior de la DPU. El CAPS va unido a la nave a través del actuador, que está montado en la parte inferior de la placa de la DPU.

El quinto submontaje principal del CAPS es el suministrador de potencia de alto voltaje. Dos fuentes de potencia redundantes, HVU1 y HVU2, van montados en la parte superior de la placa de la DPU.

El último submontaje del CAPS es el actuador (ACT). El ACT rota el CAPS a un ritmo constante en un rango máximo de 184 grados, acelerando/decelerando durante 12 grados adicionales (como mínimo) a ambos lados de este rango. Los rangos de aceleración/deceleración y del ritmo de movimiento constante pueden ser ajustados durante el vuelo, y el rango total de 216 grados de movimiento puede ser limitado por topes para prevenir cualquier efecto de enredado de los cables de la interfaz del CAPS.