Download this file

PDS_VERSION_ID       = PDS3                                           
LABEL_REVISION_NOTE  = "                                              
       Release 1, Rev. 0 - S. Jeffers, 2005-01-21 - initial release"  
                                                                      
RECORD_TYPE          = STREAM                                         
RELEASE_ID           = 0001                                           
REVISION_ID          = 0000                                           
                                                                      
OBJECT               = INSTRUMENT                                     
  INSTRUMENT_HOST_ID = "MEX"                                          
  INSTRUMENT_ID      = "ASPERA-3"                                     
                                                                      
  OBJECT             = INSTRUMENT_INFORMATION                         
    INSTRUMENT_NAME  = "                                              
                  ANALYZER OF SPACE PLASMA AND ENERGETIC ATOMS        
                  (3RD VERSION)"                                      
    INSTRUMENT_TYPE  = {"ELECTRON SPECTROMETER",                      
                        "ION MASS SPECTROMETER",                      
                        "NEUTRAL PARTICLE IMAGER",                    
                        "NEUTRAL PARTICLE DETECTOR"}                  
                                                                      
    INSTRUMENT_DESC  = "                                              
                                                                      
  Instrument Overview                                                 
  ===================                                                 
                                                                      
     This is the ASPERA-3 (Analyzer of Space Plasmas and Energetic    
     Atoms - 3rd version) instrument description.                     
                                                                      
     Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms, 3rd version       
     ----------------------------------------------------------       
     (ASPERA-3)                                                       
     ----------                                                       
     Abstract. The general scientific objective of the ASPERA-3       
     experiment is to study the solar wind-atmosphere interaction and 
     characterize the plasma and neutral gas environment in the near- 
     Mars space through energetic neutral atom (ENA) imaging and      
     local charged particle measurements. The studies to be performed 
     address the fundamental question: How strongly do the            
     interplanetary plasma and electromagnetic fields affect the      
     Martian atmosphere? This question is directly related to the     
     problem of Martian dehydration. The ASPERA-3 instrument          
     comprises four sensors; two ENA sensors, electron and ion        
     spectrometers. The Neutral Particle Imager (NPI) provides        
     measurements of the integral ENA flux (0.1 -60 keV) with no mass 
     and energy resolution but high angular resolution. The Neutral   
     Particle Detector (NPD) provides measurements of the ENA flux,   
     resolving velocity (0.1 -10 keV) and mass (H and O) with a       
     coarse angular resolution. The electron spectrometer (ELS) is a  
     standard top-hat electrostatic analyzer in a very compact        
     design. These three sensors are located on a scanning platform   
     providing a 4pi coverage (maximum possible). The instrument also 
     contains an ion mass composition sensor, IMA (Ion Mass           
     Analyzer). Mechanically, IMA is a separate unit connected by a   
     cable to the ASPERA-3 main unit. IMA provides ion measurements   
     in the energy range 0.01 - 40 keV/q for the main ion components  
     H+, H2+, He+, O+, with 20-80 amu/q.                              
                                                                      
    Neutral Particle Imager (NPI)                                     
    -----------------------------                                     
     The Neutral Particle Imager (NPI) provides measurements of the   
     integral ENA flux with no mass and energy resolution but with 5  
     deg x 11 deg angular resolution. The intrinsic field of view is  
     9 deg x 344 deg. The sensor utilizes a graphite surface to       
     suppress the UV background. ENAs incident on the surface at a    
     grazing angle of 20 deg are reflected and/or cause ion           
     sputtering. An MCP stack detects the reflected particles and     
     sputtered fragments with a discrete anode.                       
                                                                      
    Neutral Particle Detector (NPD)                                   
    -----------------------------                                     
     The Neutral Particle Detector (NPD) provides measurements of the 
     ENA differential flux over the energy range 100 eV - 10 keV      
     resolving H and O with a coarse 5 deg x 30 deg angular           
     resolution. The sensor consists of two identical detectors each  
     with a 9 deg x 90 deg intrinsic field of view. The measurement   
     technique is based on a principle similar to NPI. ENAs incident  
     on a surface at a grazing angle of 15 deg are reflected and      
     cause secondary electron emission. The secondary electrons are   
     transported to an MCP assembly, which gives the START signal.    
     The reflected ENAs hit the second surface and again produce the  
     secondary electrons used to generate the STOP signal. The time-  
     of-flight (TOF) electronics give the ENA velocity. The pulse-    
     height distribution analysis of the STOP signals is used to      
     provide a rough determination of the ENA mass.                   
                                                                      
    Electron Spectrometer (ELS)                                       
    ---------------------------                                       
     The ELectron Spectrometer (ELS) provides electron measurements   
     in the energy range 0.01 - 20 keV. The intrinsic field of view   
     is 10 deg x 360 deg. The 360 deg aperture is divided into 16     
     sectors. The sensor is a standard top-hat electrostatic analyzer 
     in a very compact design.                                        
                                                                      
    Ion Mass Analyzer (IMA)                                           
    -----------------------                                           
     The Ion Mass Analyzer (IMA) is a separate unit connected by a    
     cable to the ASPERA-3 experiment. IMA provides ion measurements  
     in the energy range 0.01 - 40 keV/q for the main ion components  
     H+, H2+, He+, O+, and for the group of molecular ions 20 ❮ M/q ❮ 
     ~80. IMA has a 4.6 deg x 360 deg field of view. Electrostatic    
     sweeping performs elevation (+/- 45 deg) coverage. The IMA       
     sensor is a spherical electrostatic analyzer followed by a       
     circular magnetic separating section. A large diameter MCP with  
     a discrete anode images the matrix azimuth x mass.               
                                                                      
                                                                      
  Scientific Objectives                                               
  =====================                                               
                                                                      
    The ASPERA-3 experiment fulfills the Mars Express mission         
    objective of studying the interaction of the atmosphere with the  
    interplanetary medium by:                                         
                                                                      
    * Remote measurements of energetic neutral atoms (ENA) in order   
      to                                                              
      (a) investigate the interaction between the solar wind and      
          Martian atmosphere,                                         
      (b) characterize quantitatively the impact of plasma processes  
          on the atmospheric evolution, and                           
      (c) obtain the global plasma and neutral gas distributions in   
          the near-Mars environment.                                  
                                                                      
    * in situ measurements of ions and electrons in order to          
      (a) complement the ENA images (electrons and multiply-charged   
          ions cannot be imaged)                                      
      (b) to study local characteristics of plasma (dynamics and fine 
          structure of boundaries), and                               
      (c) provide undisturbed solar wind parameters necessary for     
          interpretation of ENA images.                               
                                                                      
    The scientific objectives of the ASPERA-3 experiment are:         
                                                                      
    1) Scientific objective: Determine the instantaneous global       
          distributions of plasma and neutral gas near Mars           
       Associated measurements: ENAs originating from the shocked     
          solar wind                                                  
       Measurement requirements:  Measure the ENA flux in the energy  
          range tens eV - few keV with 4pi coverage. ENA flux ❯       
          10**4/(cm**2-s-keV)                                         
          Measure the upstream solar wind parameters                  
                                                                      
    2) Scientific objective: Study plasma induced atmospheric escape  
       Associated measurements: ENAs originating from the inside of   
          the magnetosphere                                           
       Measurement requirements: Mass resolving (H / O) ENA           
          measurements in the energy range up to tens keV. ENA flux ❯ 
          10**3/(cm**2-s-keV)                                         
                                                                      
    3) Scientific objective: Investigate the modification of the      
          atmosphere through ion bombardment                          
       Associated measurements: ENA albedo                            
       Measurement requirements: Mass resolving (H / O) ENA           
          measurements in the energy range down to tens eV from nadir 
          direction.                                                  
          ENA flux ❯ 10**6/(cm**2-s-keV)                              
                                                                      
    4) Scientific objective: Investigate the energy deposition from   
          the solar wind to the ionosphere                            
       Associated measurements: Precipitating ENAs                    
       Measurement requirements: ENA measurements in the energy range 
          tens eV - few keV. ENA flux ❯ 10**4/(cm**2-s-keV)           
                                                                      
    5) Scientific objective: Search for the solar wind-Phobos         
       interactions                                                   
       Associated measurements: ENAs originating from Phobos          
       Measurement requirements: ENA measurements in the energy range 
          tens eV - few keV with 4pi coverage. ENA flux               
          ❯ 10**4/(cm**2-s-keV)                                       
                                                                      
    6) Scientific objective: Define the local characteristics of the  
          main plasma regions                                         
       Associated measurements: Ions and electron measurements of hot 
          plasma                                                      
       Measurement requirements: Ion and electron measurements in the 
          energy range few eV - tens keV with 4pi coverage.           
                                                                      
                                                                      
  Calibration                                                         
  ===========                                                         
                                                                      
    Calibration of the ASPERA-3 sensors can be divided up in:         
                                                                      
    1. Characterization, tests and selection of detectors (MCPs and   
       secondary emitting surfaces).                                  
    2. Characterization and final calibration of the integrated       
       sensor units.                                                  
    3. Functional tests of the sensors in the fully mounted (flight)  
       configuration.                                                 
                                                                      
    All sensor units were fully calibrated, and some preliminary      
    functional tests were made in the fully mounted, flight,          
    configuration in June 2002. The final functional tests were       
    successfully carried out during the retrieval period 18 November  
    - 9 December 2002.                                                
                                                                      
    The Neutral Particle Imager, NPI, was calibrated in Nov-Dec 2001  
    at the IRF ion source in Kiruna. The sensitivity of the           
    instrument and the characterization of the acceptance field of    
    view were obtained using ions (e.g. N+, H2O+, and H+). The ion    
    deflector properties versus energy were calibrated for various    
    deflector voltages. The integral efficiency of the secondary      
    surface were found to range between 2% and 24% (MCP bias          
    dependent). Azimuthal field-of-view slightly broader than nominal 
    (13.5 deg). NPI-calibration performance as expected. The ideal    
    NPI field-of-view, 4pi, is covered in half a scan of the scanning 
    platform.                                                         
                                                                      
    The Neutral Particle Detector, NPD, is a completely new design    
    using secondary emitting surfaces and a geometry that has not     
    been flown before. NPD therefore underwent extensive              
    characterisation tests and calibrations during the spring of      
    2002. The results of the calibrations at the IRF calibration      
    facility in Kiruna were very successful, the NPD performance      
    surpassing expectations. NPD is even more sensitive than          
    expected. The mass and energy resolving capability of the         
    instrument were as expected in the energy range ~1 - 10 keV. The  
    NPD field-of-view, 2pi, is covered after a scan of the scanning   
    platform.                                                         
                                                                      
    The Electron Spectrometer unit, ELS, was calibrated at MSSL in    
    London, fall 2001. The energy resolution was found to be better   
    than expected, which is an advantage for studying the narrow      
    electron peaks expected as a result of the solar impact on the    
    ionosphere and upper atmosphere. The geometric factor is a factor 
    of five less than nominal, but the loss of sensitivity is, for    
    this mission, considered to be well compensated by the improved   
    energy resolution of ELS. Calibrations and tests are considered   
    to be successful.                                                 
                                                                      
    IMA was successfully calibrated January to March, 2002.           
    Performance largely as expected, except that the upper energy     
    limit was lowered from 40 keV to 30 keV. Mass resolution, an      
    energy and angular characteristics also as expected.              
                                                                      
  Operation of ASPERA-3                                               
  =====================                                               
                                                                      
    The ASPERA-3 experiment contains four sensor units and the        
    scanner. Each sensor unit measures different components of the    
    near-Mars plasma and can be operated in different modes. To       
    handle available power and telemetry resource requirements in the 
    most efficient way and to inhibit too large number of individual  
    modes, there are eight basic TM modes (macro modes): (1) OFF      
    mode, (2) Safe mode, (3) Housekeeping mode, (4) Calibration mode, 
    (5) Low mode, (6) Normal mode, (7) High mode, and (8) Burst mode. 
                                                                      
    (1) OFF mode. The instrument is off although the external heaters 
        are on and controlled by the instrument thermistors.          
                                                                      
    (2) Safe mode. At experiment power switch on, the instrument      
        enters to a safe mode. In the safe mode the software is run   
        in PROM although the software allows command execution,       
        housekeeping TM generation, RAM dumping and jumping to the    
        RAM code. The instrument also enters to the safe mode in the  
        following cases:                                              
           * the checksum of the RAM code fails                       
           * watch dog is not reset                                   
        The safe mode is a fully operational mode, and the instrument 
        is listening for other commands.                              
                                                                      
    (3) Housekeeping mode. In this mode none of the ASPERA-3 sensors  
        are taking scientific data and the DPU delivers housekeeping  
        data to OBDH. This mode is to monitor the instrument status.  
                                                                      
    (4) Calibration mode. In this mode each of the different sensors  
        is switched on individually for check-out and in-flight       
        calibration purposes.                                         
                                                                      
  (5-8) Low, Normal, High, Burst modes. These modes are for the       
        scientific data taking. The modes differ from each other in   
        the total amount of data produced and the structure of TM     
        packages although individual settings defining the sensor     
        configurations might be the same for different modes.         
                                                                      
    The choice of the instrument operational mode for each phase of   
    the mission is due to available power and telemetry as well as    
    scientific requirements.                                          
                                                                      
    The scanning platform has three operational modes: scanning mode, 
    stepping mode, and fixed position mode. In the scanning mode, the 
    platform performs scans with three pre-selected speeds 32, 64,    
    and 128 sec in one 0 deg - 180 deg scan. In the stepping mode the 
    platform moves in steps through the angle defined by a command.   
    The time the platform rests in each position is also commanded.   
    In the fixed position mode the platform moves to a commandable    
    position from 0 deg to 180 deg and rests there until the scanner  
    mode changes.                                                     
                                                                      
    All four ASPERA-3 sensors, ELS, NPI, NPD1 and NPD2, IMA, can be   
    run independently although the individual sensor bit rates are    
    set by a macro command. The raw data are compressed by            
    integration over time, energy, azimuth, mass as well as using     
    log-compression of 16-bit words to 8-bit words, masking, and      
    look-up tables (NPD). The processed and formatted data are loss-  
    less compressed by the USES algorithm (Universal Source Encoding  
    for Space, CCSDS 111.0-W-2).                                      
                                                                      
                                                                      
  Principal Investigator                                              
  ======================                                              
    PI:    Prof. Rickard Lundin                                       
    Co-PI: Dr. Stas Barabash                                          
    Both at Swedish Institute of Space Physics (IRF), Kiruna, Sweden" 
                                                                      
  END_OBJECT         = INSTRUMENT_INFORMATION                         
                                                                      
  OBJECT             = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                      
    REFERENCE_KEY_ID = BARABASHETAL2004                               
  END_OBJECT         = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                      
                                                                      
END_OBJECT           = INSTRUMENT                                     
                                                                      
END