エクスプローラー54

小型静電アナライザー（MESA）は、空気抵抗による衛星の減速を測定することにより、高度120 km（75 mi）から400 km（250 mi）の範囲における大気のニュートラル密度に関するデータを取得しました。この装置は、互いに直角に配置された3つの単軸加速度計で構成されており、2つは宇宙機のXY平面に、もう1つはZ軸に配置されています。この装置は、慣性質量を中央に戻すのに必要な静電力から印加加速度を決定しました。装置の出力は、印加加速度に比例するデジタルパルスレートでした。各測定のサンプリング時間は0.25秒でした。この測定により、ニュートラル大気の密度を決定し、「軌道調整推進システム」（OAPS）の推力を監視し、衛星の最低高度を決定し、宇宙機のロールを測定し、姿勢センシング情報の一部を提供することができました。0.01°未満の宇宙機の章動が監視されました。この機器には 3 つの感度範囲がありました。OAPS モニターモードでは地球の重力 (G) の 8.E-3、120 km (75 mi) (± 2%) から 280 km (170 mi) (± 10%) の間では G の4.E - 4、180 km ( 110 mi ) (± 2%) から 400 km (250 mi) (± 10%) の間では G の 2.E-5 です。括弧内の数字は誤差を表します。抗力係数の不確実性による最大 ± 5% の系統誤差も発生する可能性があります。最高測定高度は、機器がフルスケールの 0.2% まで感知できると仮定して決定されました。^{[ 4 ]}            

容量マノメーターは、 主に宇宙船の運用に関するデータを提供するための工学実験でした。しかし、この実験からのデータは、衛星の抗力を評価する際に加速度計やイオンゲージのデータとも相関付けられました。圧力センサーB（PSB）とも呼ばれるこのマノメーターは、200 km以下の領域で大気圧を直接測定しました。PSBゲージの精度は、120 km（75 mi）で約10%から180 km（110 mi）で約40%まで変化しました。PSBは、薄い膜で隔てられた2つの球状の温度制御チャンバーで構成され、膜は平らに張られ、半径方向に張力がかかっていました。両側の圧力差によってダイヤフラムがたわむと、ダイヤフラムと隣接する電極間の静電容量が変化し、交流ブリッジ回路にバイアスがかかりました。空気は、宇宙船の回転軸に垂直で180°離れた2つのポートから一方のチャンバーに流入しました。そのため、宇宙船の回転ごとにウェイクラム圧力差が2回サンプリングされました。^{[ 5 ]}    

AE-Dに搭載された冷陰極イオンゲージは、主に宇宙船の運用に関するデータを提供するための工学実験でした。しかし、この実験のデータは、衛星の抗力性能を評価するために、加速度計および容量マノメーターのデータと相関付けられました。圧力センサーA（PSA）とも呼ばれるこのイオンゲージは、地球表面から120 km（75 mi）から370 km（230 mi）の領域で、1.3E-3～1.3E-7 mbの気圧値で大気圧を測定しました。PSAの推定精度は±20%でした。円筒形のセンサーパッケージは、くさび形のオリフィス、接地電位に近い陰極、約1300 VDCで動作する陽極、および約1600ガウスの永久磁場で構成されていました。このゲージには、電離電子の一次源はありませんでした。放電は電界放出によって開始され、1.3E-7 mbを超える圧力で自己維持されました。イオン電流は陰極で収集された。センサーは、軌道面に垂直な宇宙機のスピン軸に垂直な開口部を持つように宇宙機に取り付けられた。この装置は、スピンモードとデスピンモードの 2 つのモードで動作した。宇宙機がスピンモードの場合、PSA はラム圧とウェイク圧を交互にサンプリングした。宇宙機がデスピンモードの場合、PSA は移動方向から 30° の方向を向いた。この実験のデータはテープに記録されず、リアルタイムで観測された。^{[ 6 ]}    

CEPは、電子温度、電子およびイオン濃度、イオン質量、宇宙船電位を測定するように設計された2つの同一の機器で構成されていました。1つのプローブは宇宙船のスピン軸（通常は軌道面に垂直）に沿って配置され、もう1つは速度ベクトルの方向を15秒のスピン周期ごとに1回観測できるように放射状に配置されました。各機器は、コレクタに印加された既知の電圧パターンに対して電流-電圧（IV）曲線を生成する減速電位ラングミュアプローブ装置でした。電流の測定には電位計が使用されました。±5ボルトのコレクタ電圧パターンを使用する2つの動作システム（1つは2つのモード、もう1つは3つのモード）がありました。ほとんどのモードでは、IVプロファイルの関心領域が高解像度になるように、コレクタ電圧制限（および/または電位計出力）の自動または固定調整が行われました。各システムは1つのプローブのみで使用するように設計されていましたが、バックアップ冗長性を提供するために相互に切り替えて使用できました。最も好ましいモードでの最良の測定では、1秒の時間分解能が得られました。電子温度は 300K ～ 10,000K (精度 10%)、イオン密度は 10,000 ～ 10,000,000 イオン/cc (精度 10～20%)、電子密度は 50 ～ 1,000,000 電子/cc、イオン密度が 10,000 イオン/cc を超える場合はイオン質量を測定できます。各プローブには、円筒形のガードリングの中心軸から伸びるコレクタ電極がありました。長さ2.5 cm (0.98インチ)のガードリングは25 cm (9.8インチ)のブームの先端にあり、コレクタはガードリングからさらに7.5 cm (3.0インチ)伸びていました。ブーム、ガード、コレクタの直径は0.2 cm (0.079インチ)でした。 ^{[ 7 ]}        

この実験では、0.2～25 keVのエネルギー範囲の電子と陽子（イオン）による上層大気へのエネルギー入力の直接測定が行われた。電子とイオンのフラックスは、円筒形静電アナライザーとスパイラルトロン電子増倍管で測定された。検出器は19個、イオンステップ式エネルギーアナライザーが1個、電子ステップ式アナライザーが2個、それぞれ異なる角度で設置された。さらに、16個の固定エネルギー検出器があり、宇宙船の1周回モードで、0.72～18 keVの5つのエネルギーで高時間分解能の角度分布を取得した。^{[ 8 ]}

磁気イオン質量分析計を搭載し、質量範囲1～90原子質量単位（u）の周囲の正イオン種の濃度をその場で測定した。衛星の赤道上にスピン軸に垂直に取り付けられ、宇宙機がスピン解除モードのときに入射口が前方を向いた。電場と磁場は、磁気分析器に続く焦点面に沿って質量スペクトルを生成するように配置された。この面に沿って適切な位置に3つのスリットが配置され、質量比1-4-16のイオンを同時に収集した。電離層イオンは、-1060～-225ボルトの負電圧によって分析器システムに加速された。同時に測定された3つの質量範囲は、1～4、4～16、および14～72単位であった。各スリットの後には、電子増倍管と対数型電位計増幅器検出器が配置された。検出器の出力は、アナログ出力として直接測定されるか、スペクトル内の各ピークの振幅を決定する「ピーク」回路に供給された。 「ピーク」モードでは各ピークの振幅のみがテレメータで測定され、このモードでは3つの質量範囲すべてを同時に掃引するのに必要な時間は1秒であった。 他の動作モードも可能であった。 アナログショートモードでは、3つの質量範囲が2秒で掃引され、1秒の「ピーク」モードスキャンと交互に行われた。 アナログロングモードでは、8秒の掃引時間が必要であり、これも1秒の「ピーク」モードスキャンと交互に行われた。 ロックモードでは、1-4-16の比率で任意の質量数のセットを連続的に測定して高い空間分解能を得るオプションがあった。^{[ 9 ]}

この実験では、大気中のニュートラル種の濃度の空間分布と時間的変化をその場で測定した。さらに、これらの測定値を他の搭載実験、すなわちオープンソース分光計（1975-096A-07）、太陽極端紫外線分光計（1975-096A-06）、および密度加速度計（1975-096A-02）と比較することで、その場での測定技術に関する新たな知見が得られた。質量分析計のセンサーは、金メッキされたステンレス鋼製の熱化チャンバーとイオン源、双曲線ロッド四重極アナライザー、およびオフアクシス電子増倍管で構成されていた。質量選択の 5 つの異なるシーケンスが利用可能で、原子質量単位 (u) で表すと次のようになります。(1) 地球物理: -1、2、4、合計、16、28、32、選択、40、(2) 分析: -12、14、18、20、22、30、44、校正、ゼロ、(3) 個別: -選択、選択、選択、... (任意の質量 1 ～ 44)、(4) スイープデジタル: -1、2、3、4、5、... 45 (3/16 単位ステップ)、(5) スイープアナログ: 2、3、4、5、... 45 (連続)。5 つの運用フォーマットが利用可能で、地上コマンドによって選択されました。 「通常」フォーマットで動作する場合、分析器は質量範囲1～44のすべての質量を測定し、水素、ヘリウム、酸素、窒素、アルゴンに重点を置いた。別のフォーマットは、測定範囲内の個々のガス種の微量成分研究に最適化されていた。空間分解能は主に宇宙船の動作モードによって決定された。軌道上では、事前に密閉された分光計が開かれ、大気成分はナイフエッジオリフィスを通って熱化チャンバーとイオン源に送られた。選択されたイオンは四重極分析器から弱い集束レンズを通って出て、14段の電子増倍管に加速され、そこで90°回転して最初のダイノードに衝突した。衝突するイオンごとに、増倍管の出力は2×10⁶個の電子のパルスであった。これらの出力パルスが測定値を構成し、計数率は選択された種のチャンバー密度に比例した。これらの密度値は周囲の濃度に変換された。分析装置は通常、質量範囲全体にわたって1単位の分解能で動作し、隣接するピークの振幅の1000分の1の質量ピークを測定できるようにした。必要なダイナミックレンジを確保するため、0.015秒の積分間隔中に発生するパルスを16ビットカウンタに蓄積した。密度の低い大気成分については、各測定に複数の積分期間（最大16）を設定した。電離電子電流の自動選択範囲を使用した。測定範囲全体は10,000,000以上となるように計画された。宇宙船のスラスタ作動中は、装置の開口部を覆うための機構が設けられていた^{。10 ]}

この実験は、ナイフエッジオリフィスを介して大気と接続された球形チャンバー内の分子窒素の瞬間密度を測定することにより、中性大気の運動温度を測定するように設計されました。衛星の動きと姿勢に関する情報に基づいて、スピンサイクル中の測定された分子窒素密度の変化を分析することで、スケールハイトに依存しない周囲温度が決定されました。NATEは、適切なモードにコマンドされると、中性組成の測定値も提供しました。さらに、衛星速度に対する「流れ」の位置を測定することで、帯状風の値も得られました。中性温度の別の測定も行われ、オリフィスの前にバッフルを挿入して、チャンバーに入るガス粒子流の一部を遮断しました。衛星がデスピンモードにあるとき、オリフィス付きチャンバーが見る粒子流を遮断するために、バッフルは段階的に振動するようにしました。これらのチャンバー密度の変化は、中性ガスの運動温度も得るために解釈されました。二重フィラメントイオン源は、チャンバー内の熱化された分子状窒素をサンプリングし、窒素チャンバー密度に比例したイオンビーム密度を生成した。イオン源から、イオン化されたビームは、質量電荷比（M/Q）が28の粒子のみを通過するように調整された四重極アナライザーに導かれた。このイオン化された窒素ビームは、次に電子増倍管に送られた。出力パルスは増幅され、16ビットアキュムレータでカウントされた。センサーは打ち上げ前に真空密封され、宇宙船が軌道に乗った後に大気に開放された。^{[ 11 ]}

この実験の目的は、質量が 1 ～ 48 原子質量単位 (u) の範囲にある主要な中性大気成分と微量中性大気成分の両方を直接その場で測定することにより、熱圏の構造を制御する化学的、動的、およびエネルギー的プロセスの研究に貢献することであった。衝撃イオン源を備えた二重収束型マッタウフ・ヘルツォーク磁気偏向質量分析計が飛行した。質量が 8 倍異なるイオンを測定するために 2 つのイオンコレクターが搭載されており、つまり、カバーされる 2 つの質量範囲は 1 ～ 6 単位と 6 ～ 48 単位であった。イオン源では、中性種は電子衝撃によってイオン化された。高度380 km (240 mi)を超える高度では、個々のイオンをカウントする電子増倍管でイオン電流が測定された。カウントは 1/20 秒間蓄積され、その後自動的に別の質量数に切り替わった。完全な質量スペクトルを掃引することも可能でしたが、一般的な動作モードではピークステップ方式が採用され、質量スペクトルの主要ピークの読み取りは 0.5 秒ごとに繰り返され、その他の種についてはそれよりも低い頻度で繰り返されました。380 km (240 mi )未満のデータは電位計を使用して測定されました。ピークステップ方式に加えて、地上からの指令によって選択される他のいくつかの動作モードがありました。フライスルー方式では、イオン源電圧が調整され、イオンが生成されたときに電子ビームからイオンを引き出す電場が存在しない状態になりました。イオン源に衝突した周囲粒子は 0.1 eV未満のエネルギーを保持し、これはイオンをビーム内に保持する負の空間電荷電位を克服するには十分ではありません。イオン源に衝突しなかった周囲粒子は、イオン化後も数 eV の入射エネルギーを保持し、アナライザーの加速領域に逃げていきました。電子加速電位は、通常モードでは 75 eV、フライスルーモードでは 25 eV であった。別の動作モードでは、装置は自動的に、例えば質量 16 から 32 の間、または質量 28 から 32 の間など、特に関心のある質量のシーケンスに切り替わった。^{[ 12 ]}    

この実験は、1～500 eVのエネルギーを持つ熱圏の電子の強度、角度分布、エネルギースペクトル、および磁力線に沿った正味の流れに関する情報を提供するように設計されました。この装置は、互いに反対方向を向いた2つの同一の半球型静電アナライザーで構成され、30の動作モードがありました。各スペクトロメータは、相対エネルギー分解能が±2.5%、幾何学的係数が電子エネルギーに依存しない約0.001 cm ² srでした。0～25、0～100、または0～500 eVの3つの異なるエネルギー範囲を検出できました。これらの範囲からの測定は、5つの異なる方法でシーケンスできました。データは、どちらかのセンサーから個別に、または交互に取得でき、時間分解能は0.25～8秒でした。偏向電圧のスキャンレートは、宇宙船の時計によって決定され、2種類ありました。この電圧は64ステップで変更され、テレメトリフレームごとに4ステップまたは16ステップで行われました。 1秒間に16フレームのサンプリングレートを用いることで、1秒間に64点スペクトル1つ、または16点スペクトル4つのいずれかを選択できるようになった。最長のデータサイクル（8秒）では、最低、中間、最低、最高エネルギー範囲（この順序）に対して電圧ステップを増加させながら、それぞれ1秒間ずつ観測を行った。電圧ステップを減少させて繰り返すことでサイクルが完了した。^{[ 13 ]}

これは惑星組成実験の工学的テスト版であった。^{[ 14 ]}

この工学実験では、下層の大気から宇宙船に反射されるガスを測定した。^{[ 15 ]}

この実験は、ベクトルイオンドリフト速度、イオン濃度と温度、および宇宙機電位を決定するために設計されました。イオン濃度センサーから電離層不規則性指数も取得しました。この実験は、4 つの平面センサーヘッドを備えた減速電位アナライザーで構成されていました。イオンドリフト測定に使用されるセンサーヘッドは別のヘッドと同じ場所に配置され、すべてのヘッドは衛星の赤道から外側に向かってほぼ等間隔に配置されていました。衛星のスピン軸は軌道面に垂直であるため、これらのヘッドは、宇宙機のスピンモードまたはデスピンモードのいずれでも、宇宙機の速度ベクトルに沿って観測することができました。この実験の主な目的は、正確なイオン温度を提供することであり、他の測定は二次的な重要性でした。3 つのセンサーヘッドは類似しており、2 つの接地された入口グリッド、2 つの減速グリッド、サプレッサグリッド、シールドグリッド、およびコレクタを備えていました。通常、減速グリッドには、0.75 秒で線形掃引電圧 (32 ボルトまたは 22 ボルトから 0 ボルトまで、上昇または下降) が印加されました。得られた電流-電圧プロファイルの解釈により、イオン温度、イオンおよび電子濃度、イオン組成情報、車両電位、および速度ベクトルに平行なプラズマドリフト速度が得られました。 3 つの類似センサーのうち 2 つは、電子測定中に内部グリッドをイオン衝撃から保護するために、入口グリッドと減速グリッドの間に追加のグリッドを備えていました。 これら 2 つのセンサーのもう 1 つの重要な特徴は、コレクタに熱電子が十分にアクセスできるように、小さな正のコレクタバイアスを印加できることでした。 減速グリッドを一定のゼロボルトにすると、3 秒間の電流​​変化を観測してイオン濃度の勾配を取得できました。 電子パラメータは、イオンと同様の方法で測定されました。 質量範囲 1 ～ 4、14 ～ 16、24 ～ 32、および 40 を超える原子質量単位のイオンを識別することができました。 4 番目のセンサーヘッドはイオンドリフト速度測定用で、4 つの接地グリッド、負にバイアスされたサプレッサグリッド、および 4 セグメントコレクタで構成されていました。様々なコレクタセグメント電流の差から、イオンドリフトの方向成分に関する情報が得られた。^{[ 16 ]}

極端紫外線分光計（EUVS）は、140～1850オングストローム（Å）の波長範囲における太陽極端紫外線フラックスの変動と、様々な固定波長における大気減衰を観測するために使用されました。これにより、大気の構造と組成に関する定量的なデータが得られました。この装置は、入射コリメーションに平行スリットシステム、出射スリットに光電検出器を使用する24個の斜入射回折格子モノクロメーターで構成されています。これらのモノクロメーターのうち12個は波長走査機能を備えており、それぞれ128個の選択可能な波長位置があり、これらの位置を自動的にステップ走査することもできます。残りの12個のモノクロメーターは、大気吸収分析を支援するために、太陽円盤全体よりも小さい視野で固定波長で動作しました。スペクトル分解能は、特定の装置によって2～54Åの範囲で変化しました。視野は60×60分角から3×6分角まで変化しました。 24 個のモノクロメーター入射軸はすべて平行に整列していた。太陽点システムは 256 つの異なる位置を指し示し、16 ステップの一次元スキャンまたは 256 ステップの完全なラスタースキャンを実行できた。時間分解能は、12 個の固定波長を観測する場合の 0.5 秒から、EUVS をすべての可能なモードにプログラムする場合の 256 秒まで変化した。^{[ 17 ]}

この紫外線一酸化窒素実験（UVNO）は、2チャンネル固定回折格子のエーベルト・ファスティ分光計で構成され、2149 Åを中心とする15 Å領域の（1, 0）ガンマ帯の大気光を測定した。観測された強度は、装置の視野内の一酸化窒素分子による太陽光の共鳴蛍光によって生成された。得られた強度データから、時間と場所の関数として一酸化窒素密度の高度プロファイルが得られた。UVNO実験のリモートセンシング特性により、衛星の近地点より上と下の両方の高度で一酸化窒素の測定が可能になった。宇宙船が回転すると、衛星の縁を通して外側を向いている分光計の視野は、大気圏を通過して地球の縁まで繰り返し移動し、放出された大気光強度の高度プロファイルが得られた。ある高度より下では、2149 Åで測定された信号は、レイリー散乱された太陽光によって汚染されていた。この汚染を補正するために、2 番目のチャンネルでは、2190 Å を中心とする 12 Å の領域で散乱光強度のみを測定しました。 2 つのチャンネルは光学的にも電気的にも独立していました。一酸化窒素大気光の強度は、これら 2 つの測定値の差を取ることによって決定されました。センサーの球面溶融石英望遠鏡ミラーは焦点距離 125 mm で、入射光を分光器の入射スリットに集光しました。このスリットから、光はミラーの半分に当たり、平行光となって回折格子に照射されました。3600 本の 1 mm の回折格子は平行光となってミラーのもう半分に光を戻し、光は 2 つの出射スリットに集光されました。分光器の視野は 4° × 0.25° で、長軸は宇宙船の自転軸と平行であり、したがって観測対象の縁と平行でした。通常の動作では、各チャンネルは 20.8 ms 積分され、10.4 ms 間隔で交互に読み出されました。この装置は、軸外の非分散光の内部散乱による汚染から保護されていた。^{[ 18 ]}

可視光大気光実験では、昼光、夜光、オーロラの光学的放射特性の体積放射率が得られました。2つの独立した光学チャンネルを備えた光度計が使用されました。スペクトル選択は、6つの干渉フィルターと暗位置および校正位置を備えた共通のフィルターホイールによって行われました。ペアで測定された波長（オングストローム単位）は、7319と4861、5200と暗位置、5577と7319、4278と5200、6300と5577、校正と4278、および4861と6300でした。2つのチャンネルは90°の角度で分離されていました。一方のチャンネルは高感度を実現するために広い視野（半角3°）を持ち、通常は局所天頂方向を向いており、もう一方のチャンネルは高空間分解能を実現するために狭い視野（半角0.75°）を持ち、衛星が回転解除モードのときに地球の表面に接するように向いていた。両チャンネルとも、日中は多段バッフルシステムによって迷光汚染から保護されていた。分光および空間的に選択された光子は、5.E6カウント/秒のレートでカウント可能なパルス計数光電子増倍管システムによって検出された。フィルターは、固定フィルターなど、いくつかのモードで動作させることができ、自動フィルター変更は衛星の姿勢または固定時間ベースに同期させることができた。^{[ 19 ]}