Antenna development and calibration for measurements of radio emission from extensive air showers at the Pierre Auger Observatory

Krause, Raphael; Erdmann, Hans Martin; Wiebusch, Christopher Henrik Viktor

doi:37245

Antenna development and calibration for measurements of radio emission from extensive air showers at the Pierre Auger Observatory = Antennenentwicklung und Kalibration für Messungen der Radioemission ausgedehnter Luftschauer am Pierre Auger Observatorium

Krause, Raphael^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Raphael Krause, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (v, 219 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Hans Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher Henrik Viktor (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-225398
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/727019/files/727019.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/727019/files/727019.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Pierre Auger Observatory, Auger Engineering Radio Array, Cosmic ray, Extensive Air Shower, radio emission, antenna calibration (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Treffen hochenergetische Teilchen auf die Erde, interagieren diese mit Luftmolekülen der Atmosphäre. Bei dieser Interaktion werden Kaskaden von Sekundärteilchen produziert und bilden sogenannte Luftschauer. Die Eigenschaften des primären kosmischen Teilchens, z.B. dessen Energie, können durch stochastische Messungen der Sekundärteilchen am Boden bestimmt werden. Eine weitere Methode ist die direkte Messung von Fluoreszenzlicht. Sekundärteilchen regen Luftmoleküle energetisch an, welche anschließend Energie in Form von Fluoreszenzlicht wieder abgeben. Beide Methoden werden am Pierre Auger Observatorium zur Messung von Luftschauern eingesetzt. Die Messung von Radioemission von Luftschauern ist eine komplementäre Methode um Luftschauer zu untersuchen. Das Auger Engineering Radio Array (AERA) ist der Radiodetektor des Pierre Auger Observatoriums. Da die Atmosphäre transparent für Radiowellen ist, ermöglicht die Radiodetektion die Bestimmung der Energie des kosmischen Teilchens potentiell mit reduzierten Unsicherheiten im Vergleich zur Fluoreszenzmethode. Um die Radioemission von Luftschauern zu detektieren, als auch für eine genaue Rekonstruktion der Eigenschaften des primären Teilchens, spielen die Radioantennen sowie eine akkurate Beschreibung dessen frequenz- und richtungsabhängigen Antennensensitivität eine zentrale Rolle. Dieses sogenannte ``antenna response pattern'' wird durch den Formalismus der ``vector effective length'' (VEL) beschrieben, welche in zwei Komponenten unterteilt ist, einen horizontalen sowie in einen meridionalen Anteil. Die VEL wird durch eine absolute Antennenkalibration ermittelt. Die Ungenauigkeit der Kalibration wurde als dominante Unsicherheit innerhalb der Energierekonstruktion des kosmischen Teilchens identifiziert. Eine Reduktion der Unsicherheit ist daher von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wurde eine absolute Antennenkalibration der Radiostationen durchgeführt, welche mit logarithmisch-periodischen Dipolantennen (LPDAs) ausgestattet sind. Eine der Herausforderungen zur Messung von Luftschauern mit AERA sind die variierenden lokalen Wetterbedingungen. Diese Fluktuationen haben einen direkten Einfluss auf die Signalverarbeitung der Elektronik, welche in den Radiostationen verwendet wird, z.B. auf den eingebauten Verstärker (LNA), welcher direkt mit der Antenne verbunden ist. Die Eigenschaften des LNAs sind auf die der Antenne abgestimmt. LNA und Antenne bilden daher eine technische Einheit und der LNA ist in der Beschreibung des ``antenna response patterns'' zu berücksichtigen. Eine akkurate Beschreibung des LNAs als auch die Temperaturabhängigkeit der Signalverstärkung sind daher von großem Interesse bei der Antennenkalibration sowie bei der Rekonstruktion von Radiodaten. Zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit des LPDA LNAs wurde dieser in einem regelbaren und PC-gesteuerten Kühlschrank positioniert. Die frequenzabhängige Leistungsverstärkung des LNAs wurde für verschiedene Temperaturen gemessen. Die Temperaturabhängigkeit der Leistungsverstärkung wurde im Median zu -0.017 dB/K ermittelt und es wurde nahezu keine Frequenzabhängigkeit festgestellt. Diese Ergebnisse konnten in einer weiteren Messung eines zweiten LNAs bestätigt werden. Die Bodenbedingungen vor Ort, welche durch die Bodenleitfähigkeit sowie der Bodenpermittivität beschrieben werden, als auch deren Variation, z.B. aufgrund von Regen, sind weitere wichtige Umweltbedingungen, welche das ``antenna response pattern'' beeinflussen. Beides, Leitfähigkeit und Permittivität, beeinflussen die Signalreflektion elektromagnetischer Wellen am Boden. Es wurde gezeigt, dass die Signalreflektion bei einer Bodenbeschaffenheit wie sie bei AERA vorkommt vor allem von der Permittivität abhängt. Daher wurde ein Messaufbau entwickelt, um die Bodenpermittivität bei AERA und ihre Frequenzabhängigkeit zu messen. Zwei Messkampagnen wurden durchgeführt. Zum einen wurden Bodenproben genommen und die Permittivität bei verschiedener Feuchtigkeit im Labor gemessen. Die Messungen ergaben, dass die Permittivität typischerweise größer als 2 ist und mit der Bodenfeuchte steigt. Um die Homogenität der Bodenbeschaffung zu untersuchen wurden außerdem Messungen direkt vor Ort an verschiedenen Positionen durchgeführt. Bei der Mehrzahl an Positionen wurden Permittivitäten zwischen 6 und 7 gemessen. Innerhalb der Messkampagnen wurden typische Werte der Bodenpermittivität zwischen 2 und 10 ermittelt. Im Rahmen von Simulationen wurde die LPDA Sensitivität für alle Richtungen und Frequenzen zwischen 30 MHz und 80 MHz in Einheiten der VEL charakterisiert. Für die Simulationen wurde der NEC-2 Simulationscode verwendet und Standardumweltbedingungen definiert. Mit Hilfe der Simulationen wurde der Einfluss von verschiedenen Umweltbedingungen wie variierende Bodenbeschaffenheit, leitende Elemente in der Nähe der Antenne oder auch eine Verdrehung der Antenne untersucht und abgeschätzt. Der Einfluss auf die horizontal (meridionale) Komponente der LPDA VEL aufgrund variierender Bodenpermittivitäten zwischen 2 und 10 ist im Median von der Größe von 1.3 % (0.5 %) und der gesamte Phasenraum definiert durch Frequenz und Zenitwinkel ist beeinflusst. Simulationen einer Box aus leitendem Material, welche unterhalb der Antenne positioniert ist, zeigen einen Einfluss von 0.3 % (1 %) auf die horizontale (meridionale) Komponente der LPDA VEL. Im Falle der meridionalen Komponente sind vor allem Regionen mit großen Zenitwinkeln betroffen in denen die LPDA kaum sensitiv ist. Simulationen der Antennenverdrehung um 1° als auch von verschiedenen Bodenleitfähigkeiten zeigen, dass die LPDA Sensitivität dadurch nicht beeinflusst wird. Innerhalb einer Kalibrationskampagne wurde das LPDA pattern mittels eines ferngesteuerten Oktokopters im Feld gemessen. Der Oktokopter wurde benutzt, um eine kalibrierte Signalquelle an verschiedenen Stellen um eine LPDA zu positionieren. Die kalibrierte LPDA ist repräsentativ für alle LPDAs, da diese auf dem Prozentlevel mechanisch wie elektrisch identisch sind. Die in der Kalibration genutzten Geräte wurden anhand ihrer Ungenauigkeiten quantifiziert. Besonderer Fokus wurde auf die Genauigkeit der Positionsrekonstruktion der Signalquelle gelegt. Die Genauigkeit wurde verbessert indem die Informationen der im Oktokopter eingebauten Sensoren wie GPS, Barometer und Neigungssensoren mit einer neu entwickelten optischen Methode basierend auf zwei Kameras kombiniert wurden. Um Reproduzierbarkeit sicherzustellen, wurden die Messungen an verschiedenen Tagen und bei verschiedenen Umweltbedingungen wiederholt. Diese Messungen wurden schließlich anhand ihrer Unsicherheiten kombiniert. Die kombinierte Unsicherheit der horizontalen Komponente der LPDA VEL wurde zu 7.4 % und die der meridionalen Komponente zu 10.3 % bestimmt. Diese Unsicherheiten sind zu vergleichen mit der Unsicherheit der bisherigen Kalibration in welcher ein kleinerer Phasenraum gemessen und eine Unsicherheit der horizontalen Komponente von 12.5 % erreicht wurde. Diese genauen Messungen wurden mit NEC-2 Simulationen verglichen in denen der gesamte Aufbau bestehend aus LPDA, LNA sowie der transmittierenden Antenne berücksichtigt wurde. Korrekturfaktoren, welche durch das Verhältnis zwischen Messung und Simulation definiert sind, wurden für alle Frequenzen und Ankunftsrichtungen berechnet. Der Median aller Korrekturfaktoren liegt nahe bei eins und weist eine Variation von 0.12 (0.26) innerhalb der horizontalen (meridionalen) Komponente auf. Der Einfluss des modifizierten LPDA patterns wurde anhand eines Beispielereignisses (Zenitwinkel = 30°; Azimutwinkel = 14° südlich von Osten) demonstriert. Bei Verwendung des modifizierten Pattern wurde das elektrische Feld mit einer 7 % höheren Amplitude rekonstruiert. Die ``energy fluence'' aller Polarisationen steigt um 9 % und die rekonstruierte ``radiation energy'' ändert sich von 7.96 MeV zu 8.54 MeV. Des Weiteren wurden die Unsicherheiten aufgrund der Kalibration als auch aufgrund variierender Bodenpermittivitäten auf die Wurzel der ``energy fluence'' fortgepflanzt. Die Wurzel, weil die ``energy fluence'' quadratisch mit der Amplitude des elektrischen Feldes als auch quadratisch mit der Energie des Primärteilchens skaliert und somit die Unsicherheit der Wurzel der ``energy fluence'' die relevante Unsicherheit der meisten Analysen darstellt. Für Ankunftsrichtungen mit einem Zenitwinkel kleiner 60° wurde die Unsicherheit der Wurzel der ``energy fluence'' aufgrund der Kalibration sowie variierender Bodenpermittivitäten im Median zu 8.8 % ermittelt. Typischerweise bestehen Radiostationen in Luftschauerexperimenten aus zwei senkrecht zueinander polarisierten Antennen, welche herkömmlicher Weise horizontal ausgerichtet sind. Die dritte Komponente, die vertikale Polarisation des Radiosignals, wird dann nicht direkt gemessen. Sie ist jedoch wichtig für die Analyse von Radiodaten. Sogenannte 3D Radiostationen sind daher motiviert, da die gleichzeitige Messung aller drei Komponenten potenziell die Unsicherheiten der Rekonstruktion des elektrischen Feldes reduziert. Des Weiteren haben 3D Radiostationen ein erweitertes Blickfeld zum Horizont. Innerhalb dieser Arbeit wurde eine neue 3D Radiostation für AERA entwickelt. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser Radiostation wurden diskutiert. Insgesamt wurden 5 Butterfly Radiostationen mit der Wifivert Antenne, eine vertikal ausgerichtete Antenne, zu einer 3D Radiostation erweitert. Innerhalb von drei Monaten der Datennahme wurden mehr als 2800 Ereignisse in Koinzidenz mit dem Oberflächendetektor des Pierre Auger Observatoriums aufgezeichnet. Von diesen Ereignissen erfüllen 45 Ereignisse die Bedingung eines ``signal-to-noise ratio'' (SNR) von mehr als 10 in den horizontalen Antennen von mindestens einer der 3D Radiostationen. Diese Ereignisse sind als Kandidaten für kosmische Teilchen klassifiziert. Wenn zusätzlich ein SNR > 5 in der Wifivert Antenne gemessen wurde, wird das Ereignis ein goldenes 3D Ereignis genannt. In dem Datensatz wurden insgesamt 13 Ereignisse als goldene 3D Ereignis identifiziert. Mit der Wifivert Antenne wurden Radiosignale von Luftschauern in der vertikalen Polarisation gemessen. Es wurde gezeigt, dass die Antenne besonders sensitiv ist, wenn der Luftschauer einen großen Zenitwinkel aufweist. Solche sogenannten horizontalen Luftschauer liegen im Fokus aktueller Forschung. Zukünftige Untersuchungen werden von den Ergebnissen dieser Arbeit profitieren. Die akkuraten Messungen der Kalibration wird die Rekonstruktion der Eigenschaften des primären kosmischen Teilchens, wie z.B. die Teilchenenergie, verbessern. Aufgrund der reduzierten Unsicherheiten der Kalibration wird die Unsicherheit der Energieskala für Luftschauermessungen von Radiodetektoren direkt beeinflusst. Bei Verwendung von 3D Radiostationen werden alle drei Polarisationen des Radiosignals gleichzeitig gemessen, was die Unsicherheit der Rekonstruktion des elektrischen Feldes im Vergleich zu herkömmlichen 2D Radiostationen verringert. Des Weiteren ist das Sichtfeld von 3D Radiostationen zum Horizont hin erweitert, so dass 3D Radiostationen eine verbesserte Erforschung von horizontalen Luftschauern ermöglichen.

In the atmosphere, high-energy cosmic rays interact with air molecules and create air showers of secondary particles. The cosmic-ray properties, e.g., its energy, can be determined by observing such air showers by stochastic measurements of secondary particles at the ground as well as directly by measuring fluorescence light emitted from air showers. Both detection techniques are established at the Pierre Auger Observatory. The measurement of radio emission is a complementary detection technique to investigate cosmic rays. The Auger Engineering Radio Array (AERA) is the radio detector of the Pierre Auger Observatory. Here, cosmic rays are observed with a duty cycle close to 100 %. The atmosphere is transparent to radio waves which enables measuring the cosmic-ray energy potentially with reduced uncertainties compared to those made with the fluorescence detection technique. The radio antennas used in the measurements and an accurate description of their frequency and directional-dependent sensitivities are of central importance for observing radio emission of air showers and for reconstructing cosmic-ray properties accurately. This so-called antenna response pattern is described by the formalism of the vector effective length (VEL) and is decomposed in a horizontal and in a meridional component .The antenna VEL is obtained through an absolute antenna calibration. The uncertainty of the antenna calibration has been identified as the dominant uncertainty in reconstructing the cosmic-ray energy and thus, a reduction of the uncertainties is most desirable. In this thesis, an absolute antenna calibration of the radio stations equipped with logarithmic-periodic dipole antennas (LPDAs) has been performed. Challenges of measuring cosmic-ray induced air showers at AERA are the variations in local weather conditions. During the day, temperature fluctuations of more than 20°C are not uncommon. These fluctuations have a direct influence on the signal processing of the radio station electronics, e.g., the low-noise amplifier (LNA) connected to the antenna. The LNA and the antenna form a technical unit and thus, it is included in the antenna response pattern. An accurate description of the LNA and its dependency on the temperature is therefore of great interest concerning the antenna calibration as well as data reconstruction. To measure the temperature dependency of the LNAs implemented in LPDA-equipped radio stations, an LNA was positioned in a temperature-adjustable and PC-controlled fridge. The LNA power gain has been measured as function of the frequency for several different temperatures. A temperature dependency of the LNA power gain of -0.017 dB/K in the median with nearly no dependency on the frequency has been found. These results have been reproduced in a further measurement of a second LNA. The ground conditions in the field described by the ground permittivity and ground conductivity and their variations, e.g., due to rainfall are further important environmental conditions influencing the antenna response pattern. Both, ground permittivity and ground conductivity, have a direct influence on the signal reflection on ground and thus impact the antenna response pattern. It was found that the signal reflection on ground with typical ground conditions at AERA is mostly dependent on the ground permittivity. A measurement setup has been developed to measure the frequency-dependent permittivity of soil from the AERA site using a capacitor. Two measurements campaigns have been performed to obtain typical values of the ground permittivity at AERA. In the first campaign, soil samples from the AERA site have been collected and the ground permittivity has been measured in the laboratory with respect to the soil humidity. It was found that the ground permittivity is typically larger than 2 and increases with the soil humidity. In the second campaign, the ground permittivity has been measured directly at different positions within AERA to investigate the ground homogeneity at the site. For the majority of the positions, the measurements exhibit values from 6 to 7. From the measurement campaigns, typical values of the permittivity between 2 and 10 have been found depending on the soil humidity. Using the NEC-2 simulation code, an overall LPDA response pattern in terms of the respective VEL component with standard environmental conditions for all arrival directions and frequencies ranging from 30 MHz to 80 MHz has been simulated. From multiple simulations the influence of changing environmental conditions such as changing ground conditions, conductive elements close to the antenna and an antenna misalignment on the LPDA response pattern have been investigated. In the case of an applied ground permittivity of 2 and of 10, which is based on the permittivity-measurements campaigns, the influence on the horizontal (meridional) LPDA VEL component is at the level of 1.3 % (0.5 %) in the median and impacts the whole phase space defined by the frequency and zenith angle. Simulations of an electronics box beneath the LPDA exhibit an influence at the level of 0.3 % (1 %) on the horizontal (meridional) VEL component of the LPDA. In the case of the meridional component, especially the regions with large zenith angles are affected where the LPDA is less sensitive. The simulations yield that a misalignment of the LPDA of 1° as well as different ground conductivities do not change the LPDA response pattern neither in the horizontal component nor in the meridional component. In a calibration campaign, the LPDA response pattern has been measured at the AERA site using a remotely piloted octocopter. The octocopter was used to place a calibrated source at different positions around an LPDA. The calibrated LPDA is representative for all LPDAs as they are mechanically and electrically identical on the percent level. All devices used in the measurements have been quantified concerning their uncertainties. Special focus was put on the accuracy of the position reconstruction of the calibrated source. The accuracy has been increased by combining the position information measured by the octocopter build-in sensors such as GPS, barometer, and inclination sensors with a newly developed optical method consisting of two cameras. To ensure reproducibility, the measurements have been repeated at different days with different environmental conditions. The measurements have been finally combined according to their uncertainties resulting in an overall uncertainty for the horizontal component of the LPDA VEL of 7.4 %, and for the meridional component of 10.3 %. These uncertainties are to compared with the uncertainty of a previously performed balloon-based calibration in which a smaller phase space was measured and an uncertainty of 12.5 % for the horizontal component was achieved. The accurate measurements have been compared with NEC-2 simulations considering the antenna, the LNA as well as the transmission antenna. Correction factors, which are defined as the ratio between measured and simulated patterns for each frequency and arrival direction, have been calculated and the median of all correction factors has been found to be close to unity varying about 0.12 (0.26) for the horizontal (meridional) component. The influence of the modified LPDA response pattern on the data reconstruction has been demonstrated on one example event with a zenith angle of 30° and an azimuth angle of 14° south of east. The trace of the modified LPDA pattern exhibits an up to 7 % larger amplitude. The total energy fluence of all polarizations increase at the level of 9 %. The reconstructed radiation energy of the full event changes from 7.96 MeV to 8.54 MeV. Finally, the antenna calibration uncertainties of the horizontal and meridional antenna VEL as well as the uncertainties due to different ground permittivites are propagated to the square root of the energy fluence. The square root of the energy fluence is taken because the energy fluence scales quadratically with the electric-field amplitude and the cosmic-ray energy. Hence, the uncertainty of the square root is the relevant uncertainty in most analyses of radio data. It is found that for arrival directions with zenith angles smaller than 60°, the uncertainty in the square root of the energy fluence due to the calibration uncertainties and due to changing ground conditions is 8.8 % in the median. Typically, radio stations in air shower experiments consist of two perpendicular polarized antennas which are usually aligned horizontally. The third component, the vertical polarization of the radio signal, is not measured directly but is important for the data analysis of radio signals from cosmic ray induced air showers. So, 3D radio stations are motivated as the simultaneous measurement of all three components potentially reduces the uncertainties of the electric-field reconstruction. Furthermore, such radio stations have an increased field-of-view towards the horizon. For AERA, a new 3D radio station has been developed. The mechanical and electrical properties of the antenna are presented. In 2015, a subset of five Butterfly radio stations was extended with a vertical antenna called Wifivert antenna forming 3D radio stations. Within three month of data taking, more than 2800 events have been observed using the 3D radio stations in coincidence with the surface detector of the Pierre Auger Observatory. From these events, 45 events are identified as cosmic-ray candidates with a signal-to-noise ratio (SNR) of 10 or more measured in the horizontally aligned antennas of at least one of the 3D stations. If additionally an SNR > 5 in the vertical antenna is measured, the event is classified as a golden 3D-event. In total, 13 events are identified as golden 3D-events in the given data set. Using the Wifivert antenna, radio emission of air showers in the vertical polarization has been measured. It is shown that the antenna is especially sensitive on air showers at large zenith angles which is a focus topic of current research. Future work will profit from the results presented in this thesis. The accurate measurements of the calibration campaign will improve the reconstruction of cosmic-ray properties using data measured with AERA, e.g., the primary cosmic-ray energy. With the reduced uncertainties of the calibration, the energy scale for air shower measurements from radio detectors is directly impacted. Using 3D radio stations, the vertical polarization of the radio signal is additionally measured compared to conventional 2D radio stations which reduces the uncertainties of the electric-field reconstruction. Furthermore, the field-of-view of these radio stations is extended towards the horizon and thus, 3D radio stations improve the research of horizontal air showers.

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