Download this file

Basic Calibration Procedures for CAPS data


Included below are basic procedures for calculating a calibration 
parameter for each type of CAPS data in the CAPS archive volume 
COCAPS_1nnn.  As noted, some values included in the equations are 
preliminary and will be updated as data validation by the team proceeds.  
In addition to updated procedures, a separate CAPS volume (COCAPS_2xxx) 
will be generated that will contain calibrated data files (contents TBD).

General Electron and Ion Mass Spectrometers (ELS and IMS):

For the CAPS electron and ion mass spectrometers, measured number of 
counts (C[sijk]) from a single species, s, at energy step i, elevation j, 
and azimuth k, is related to phase space density of that species (f[sijk]) 
by

                                  C[sijk] * m[s]^2
   f[sijk] = ----------------------------------------------------------     
             2 * [tau] * [epsilon][sij] * G[ij] * q[s]^2 * e^2 * E[i]^2
             
                                                           (Equation 1)

where ms is the mass of the particle, [tau] is the integration time, 
[epsilon][sij] is a detection efficiency, G[ij] is a geometric factor, q 
is the charge of the particle (in units of electron charge), e is the 
electron charge, and E[i] is the energy (in eV) at the center of the pass 
band for step i.

This phase space density is an average over the sensor's energy and 
angular pass band. In the warm plasma limit, this can be assumed to be the 
phase space density at the center of the pass band. This is accurate to 
the extent that the phase space density varies slowly (linearly) across 
the pass band. If this is not the case, there is no direct or assumption- 
independent to calculate phase space density.

Before applying the above equation, counts should be corrected for cross-
talk, dead time, and background subtracted. For data obtained after August 
24 at 00:00:00, 2003 background subtraction for IMS data may use energy 
step 63 of each energy sweep, where 0 V are applied to the ESA to make a 
measurement of penetrating radiation. Some details of these procedures are 
described below. In some cases, the process is much more complex, 
situation-dependent and not described in this document.

 
Electron Spectrometer (ELS) Data:
=================================

Calibration Parameter
---------------------
f[ijk] = Phase space density [s^3 * m^(-6)]
E[i] = See els_energy_array.txt for the energy corresponding to each of 
the 63 energy steps in a sweep [eV]
m[e] = Mass of an electron (kg).  m[e] = 9.11000x10-31 kg
q[e] = Electron charge = -1
e = Charge of an electron (coulombs).  e = 1.602x10-19
[tau] = Accumulation time [s].  [tau] = 0.0234375 [epsilon][eij]*G[ij] = 
Geometric factor [m^2 str eV/eV].  Geometric factors for ELS are given in 
a matrix whose entries correspond to each elevation & energy combination.  
The matrix is in a comma-separated format with each of the 63 rows 
representing an energy step and containing 8 columns/elevations.  The 
comma-separated file is in ELS_GEOM_FACTOR.TAB. Additionally, the 
geometric factor includes efficiency and resolution.


ELS Data Corrections
--------------------
Data are corrected for summing vs. averaging done during the in-flight 
collapse, deadtime correction, and MCP level below calibrated level.

  1) Before August 26, 2003, in cases where the full ELS dataset could not be 
     telemeterd, the ELS dataset was collapsed by averaging.  Starting in 
     December 2003, commanding was added to make it possible to either 
     average or sum the data when collapsing.  A flag is located in the 
     ELS data file ("Collapse flag") to indicate whether collapses are 
     done by summing or averaging.  For telemetry modes involving 
     collapsing in either energy or azimuth, if the "Collapse flag" 
     indicates summing was being done, the data is averaged to re-instate 
     the best possible time resolution, which is 2-seconds.  When the data 
     is averaged in-flight, the values are repeated to fill out the full, 
     standard array size (8 EL x 63 E/Q x 16 Azimuths).

  2) All data are corrected for deadtime (1.05 [mirco]s for ELS).  For data 
     starting in December 2003, in-flight deadtime correction was 
     performed.  Prior to this date, the deadtime correction must be 
     performed retrospectively on the telemetered data.  This will not be 
     100% accurate for data products that have been averaged in energy or 
     elevation.  If dead-time correction was done in flight, it can be 
     calculated as follows:  

       Corrected_value= raw_value/ (1.0 - (raw_value * 4.48x10^(-5)))

     In the ELS data product table, the "Collapse flag" gives information 
     regarding whether in-flight deadtime correction was enabled.  

  3) The correction for MCP level below the calibrated level is determined by 
     choosing the appropriate gain_scale factor.  The procedure for doing 
     this is to determine which MCP level the instrument was set to by 
     using the "ELS_MCP_ADJ" parameter in the ANC data product.  
     Conversion is as follows:

       MCPvalue = ELS_MCP_ADJ / 58.73

     Take the MCPvalue and use that value to look up the gain_scale factor 
     in the following array:
                
       MCP value     Gain scale factor
       40 and below   0.00
       41             0.00115235
       42             0.00115235
       43             0.0224406
       44             0.181708
       45             0.529355
       46             0.837943
       47             1.00000

     This array will be updated as the MCP gain level is adjusted and in-
     flight calibrations indicate a change is needed.  If a subsequent 
     change occurs, it will be indicated in the "ELS_MCP_ADJ" parameter.

With all these 3 pieces of information, C[ijk] is calculated using the 
following equation:

     C[ijk] = Corrected_value / gain_scale


Calibration Parameter Limitations
---------------------------------
  1) The data has not been corrected for spacecraft potential.  The process 
     used to develop the correction algorithm is complex, depends on 
     several factors, and is not yet fully understood.

  2) Geometric factors were measured at 6 selected electron energies during 
     ground calibration at Mullard Space Science Laboratories.  These 
     values were interpolated over the whole ELS sweep range to give the 
     array of geometric factor values for each of the 63 ELS energy steps 
     and each of the 8 anodes.  ELS calibrations are being preformed in-
     flight and we expect to update the geometric factor as new 
     information becomes available.


Ion Mass Spectrometer (IMS) Data:
=================================

IMS Singles data (SNG):

Calibration Parameter
---------------------
C[sijk] = counts from species s
f[sijk] = phase space density of species s [s^3 * m^(-6)]
[tau] = IMS accumulation interval = 0.0546875 s
E[i] = energy of level i (eV).  See IMS_SWEEP_TABLE_0_V3.TBL for the 63 
energy steps used. 
m[s] = Mass of ion species s (kg).  m[p] = 1.6726x10-27 kg
q[s] = Ion charge (in units of electron charge)
e = Charge of an electron (coulombs).  e = 1.602x10-19 C
G[ij] = geometric factor of detector (elevation) i and energy step j = 
1.5008 x 10-7 m2sr eV/eV NOTE: This is currently assumed to be energy and 
elevation independent.
[epsilon][si] = detection efficiency for species s at energy E[i]
    = (foil transmission)(dome grid trans)(MCP grid trans)(start 
    efficiency)(probability that at least one start electron is created at 
    the foil)
    = (0.66)(0.65)(0.9)(0.69)(0.6)
    = 0.160
the detector efficiency is currently the same for every species.  
NOTE:  the detector efficiency and geometric factor are subject to 
revision pending ongoing data validation.

Singles data does not inherently differentiate between ion species. In a 
multi-species plasma, the inverted and modified form of equation 1 is

           2*[tau]*[epsilon][sij]*G[ij]*q[s]^2*e^2*E[i]^2
  C[ijk] = ---------------------------------------------- * f[sijk]   
                               m[s]^2
                                                            (Equation 2)

Determining phase space density for each species, or using the measured 
counts to calculate moments (density, flow velocity, etc.) requires the 
use of additional data (e.g. simultaneous IMS TOF spectra) and/or 
assumptions. For example, if phase space density is calculated assuming 
all ions are protons, and the results used to calculate density, the 
result will actually be ❮(q/m)1/2❯ n[i] and may be corrected for an 
assumed mean charge-to- mass ratio. Another approach we currently use is 
to assume the plasma is composed of hydrogen (H+) and a generic water 
group species (W+).  In this case, we attribute all counts below four 
times the H+ corotation energy to hydrogen, and all counts above this 
energy to W+.


IMS ion data (ION):
-------------------

IMS ION data are energy-elevation-azimuth spectra similar to the SNG data 
and are converted to phase space density in the same manner. Rather than 
being all start events (and therefore measuring the flux of all ions, 
regardless of species), the ION data are calculated from TOF spectra and 
an on-spacecraft deconvolution. This, ideally, produces energy-elevation-
azimuth spectra of selected species. 

Calibration parameter
---------------------
With one exception, all calibration parameters for ION data are the same 
as those for SNG data. The efficiency for ION includes the neutral and 
positive foil yields (nominally 0.9 and 0.1) and the probability of a stop 
detection (0.65) As a result

[epsilon][ST] = [epsilon][SNG] * 0.9 * 0.65 = 0.0936
[epsilon][LEF] = [epsilon][SNG] * 0.1 * 0.65 = 0.0104

These efficiencies are very approximate since the true yields and 
probabilities of stop detection are energy and species dependent. These 
values will be replaced when more comprehensive values are available.
 
Note that the parameter "SAM ion number" in the ION data identifies the 
species, whether it was derived from ST or LEF spectra, and what group 
table (deconvolution parameters) were used in the on-spacecraft 
calculations. The ion number is mass * 1000 + charge * 100 + ❮2 digit ID 
number for group table❯ Where mass is in AMU and charge is in units of the 
electron charge. Group table ID numbers are even for ST-derived species 
and odd for LEF-derived ones.  For example, an ion number of 4202 is He++ 
(mass=4, charge=2) from a ST group table. Additional information about 
naming can be found in ION_and_GroupTable_naming.doc in the CALIB 
directory.  Using the parameter "Sam Ion number", the choice to use the ST 
or LEF flux equation can be determined.  In addition, by using the "Sam 
Ion number", the mass of the ion can be determined (and hence the ion i). 


IMS time-of-flight (TOF) data:
------------------------------

Calibration parameter
---------------------
Conversion of TOF data from counts to relative abundance of various ion 
species is best performed by fitting the energy/time-of-flight spectra to 
a linear sum of model peaks. This is complicated by the fact that 
efficiency and yields are often a strong function of energy and species. A 
full library of model spectra is in development, but is not sufficiently 
advanced for distribution as part of the CAPS archive.

Species identification may be preformed location of peaks and applying the 
following formulas:

Straight-through (ST) neutral peaks (from ions which exit the entrance 
foil with a neutral charge):

   M = (E+q*[Phi]) * [(0.102 +/- 0.002) + (0.001488 +/- 2x10^(-6)) * TOF]^2

Linear electric field (LEF) peaks (from singly-charged ions which exit the 
entrance foil as singly-charged ions):

   M = [(0.123 +/- 0.001) + ( 0.003503 +/- 3x10^(-6) ) * TOF]^2

Where TOF is the time-of-flight bin, out of the instrument's full, 1-2048 
bin range,  M is the ion mass in AMU, E is the ion's energy (external to 
the instrument) in keV, q is the ion's charge (external to the instrument) 
in units of electron charge, and [Phi] is the IMS post-acceleration 
voltage, normally 14.6 kV.

The TOF spectra may also contain the following additional peaks, which do 
not have simple, analytic expressions for the peak locations: Straight-
through (ST) negative peaks (from ions which exit the entrance foil with a 
negative charge), ST higher-charge peaks (from ions which exit the 
entrance foil with a positive charge greater than one), an LEF echo in ST 
spectra (i.e. a ST peak at the same time-of- flight as a stronger LEF 
peak) and several other types of low-amplitude secondary or ghost peaks.


IMS Calibration Parameter Limitations
-------------------------------------
  1) Singles data does not inherently differentiate between ion species. The 
     use of singles data in a multi-species plasma is described above.
  2) Between June 19th 21:52:04, 2004 and July 12th 17:37:42, 2004 the 
     on-spacecraft deconvolution used to calculate ION data was based on 
     calibrations of the IMS prototype. There were systematic differences 
     between prototype and flight IMS spectra (peak locations and shapes) 
     which were not corrected for. As a result, the ION data from this 
     period may not have been correctly deconvolved.
  3) Since September 20th 15:30:25, 2004 the on-spacecraft deconvolution used 
     to calculate ION data has used an identity matrix, and is simply 
     returning counts between specified TOF bins.
  4) Time-of-flight data are a sum over all angles sampled in a 256-s or 
     512-s period (depending on instrument mode.) This is not a uniform 
     sampling of 4[pi] sr and some species may be over- or under-
     represented in this sample.
  5) Several calibration values should rigorously be energy or elevation 
     dependent. We provide single values which assume this is not the 
     case, and further analysis of pre-launch and in-flight calibrations 
     is in progress.
  6) There is some evidence of cross-talk between elevations in SNG and ION 
     data products. Appropriate methods of removing this are under 
     development.
  7) Before August 28th 13:44:51, 2001, in cases where the full IMS datasets 
     could not be telemetered, the IMS datasets were collapsed by 
     averaging.  Starting in August 28th 13:44:51, 2001, data were 
     collapsed by summing.
  8) Data should be corrected for deadtime, however IMS data generally 
     exhibit a non- linear behavior which is not simply described by the 
     standard equation
       Corrected_value= raw_value/ (1.0 -  A*raw_value)
     As a result, counts above ~1000 counts per sample should be treated 
     with caution.


Ion Beam Spectrometer (IBS) Data:
=================================

IBS data can be arranged into arrays of counts N[raw] as a function of fan 
1, 2, or 3, particle energy-per-charge e/q, and measurement time t as 
follows.  Raw counts N[raw](fan,e/q,t) need first to be 
dead-time-corrected.  

                 /     N[raw]         \
                |      ------          |
                |      [tau]           |
    N[DTCorr] = | -------------------- | * [tau]
                |      N[raw]          |
                | 1 -  ------ [tau][D] |
                 \     [tau]          /

In the above expression [tau][D] is the IBS dead time (see IBS Key 
Calibrations Parameter table below) and N[DTCorr] are dead-time corrected 
counts.  Each IBS detector records counts from particles that directly 
impact that detector.  In addition, each IBS detector responds 
occasionally to particles that impact one of the other IBS detectors.  We 
refer to this effect as cross-talk, and a correction can be applied to 
minimize the effect of cross-talk.  To apply the correction, take the 
counts in each of the 3 fans accumulated at the same time t[i] and 
energy/charge step e[i]/q, and treat it as a simple 3-component vector.  
Multiply that vector by the cross-talk-correction matrix [beta] (see IBS 
Key Calibrations Parameter table below) as shown below.

   /N(fan1,e[i]/q,t[i])\   /[beta][11] [beta][12] [beta][13]\  /N[DTCorr](fan1,e[i]/q,t[i])\
  |                     | |                                  ||                             |
  | N(fan2,e[i]/q,t[i]) |=| [beta][21] [beta][22] [beta][23] || N[DTCorr](fan2,e[i]/q,t[i]) |
  |                     | |                                  ||                             |
   \N(fan3,e[i]/q,t[i])/   \[beta][31] [beta][32] [beta][33]/  \N[DTCorr](fan3,e[i]/q,t[i])/


IBS Particle Flux
-----------------

The IBS detectors were designed to measure directed beams of charged 
particles rather than particles with distributions that are 
quasi-isotropic.  In the following discussion, we assume that the particle 
distribution producing counts in the IBS detectors is a beam distribution 
in energy-angle space, and that the thermal width of the particle beam is 
very much smaller than 150 [deg], roughly the field of view in the "plane 
of a fan".  We assume the thermal width of the beam extends beyond the 
field of view in the direction perpendicular to the plane of a fan. 

With counts corrected for dead-time and cross-talk, particle flux J (cm^(-
2) sec^(-1)) can be determined.  Were an IBS fan response flat across the 
field of view, calculating flux would be straightforward.  However, as is 
typical for this type of analyzer, the effective response area A varies 
with the angle of beam entry into the fan.  In general, determining the 
particle flux requires knowledge of the particle beam direction.  Without 
determining the beam direction, we can only get a particle flux lower 
limit.  The effective response area is maximum A[O] (table) near the 
center of the fan field of view (i.e. beam entry normal to an analyzer 
aperture).  The lower-limit particle flux J[O] in a given fan at time t[i] 
and energy-per-charge step e[i]/q is given simply by:

           N(fan[i],e[i],q,t[i])
    J[O] = ---------------------   (cm^(-2) sec^(-1))
                A[O] * [tau]

This lower-limit flux J[O] is the same as the actual flux J in the case 
where a beam enters near the center of a fan.  When a beam enters a fan at 
an angle [Theta] away from fan center, the flux is found as follows:

          N(fan[i],e[i],q,t[i])
    J = -------------------------   (cm^(-2) sec^(-1))
        w([Theta]) * A[O] * [tau]

In the above expression w([Theta]) is a weighting function and [Theta] is 
the angle of a beam relative to the center of a given fan.  A lookup table 
of w([Theta]) values is provided  (see IBS Key Calibrations Parameter 
table below).


Beam Flow Direction:
--------------------

In order to find the flow direction, IBS requires that the CAPS actuator 
is sweeping the fans' fields of view across a charged particle beam.  The 
flow direction can be determined if at least 2 of the 3 fans detect a peak 
flux as a function of actuator sweep angle.  The procedure is as follows.  
First, one must determine [alpha][1], [alpha][2], and [alpha][3] the 
actuator angles for which a peak flux was detected in fans 1, 2, and 3 
respectively as the actuator sweeps across the incoming beam.  We define 
the following vectors, which are normal to the IBS fan-planes at the time 
the beam was detected by each fan.

    [n-hat][1] = ( -cos(30[deg])*cos([alpha][1]),
                   cos(30[deg])*sin([alpha][1]), -sin(30[deg]) )    
                      
    [n-hat][2] = ( cos([alpha][2]), sin([alpha][2]), 0 )
    
    [n-hat][3] = ( -cos(-30[deg])*cos([alpha][3]),
                   cos(-30[deg])*sin([alpha][3]), -sin(-30[deg]) )       

If only 2 fans detect the beam, then only 2 of the above vectors can be 
evaluated.  The flow direction is found in turn by taking cross products 
between pairs of these vectors.

    [d-hat][12] = [n-hat][1] X [n-hat][2] / | [n-hat][1] X [n-hat][2] |
    [d-hat][23] = [n-hat][2] X [n-hat][3] / | [n-hat][2] X [n-hat][3] |
    [d-hat][13] = [n-hat][1] X [n-hat][3] / | [n-hat][1] X [n-hat][3] |

If all three of the IBS fans detected a beam, then the flow direction can 
be evaluated using each of the 3 expressions shown above.  The results for 
all 3 should be similar.  If only two of the IBS fans detect the beam, 
then the flow direction can only be found by 1 of the 3 expressions above.  
Once the flow direction is found, then the angle [Theta]i of beam into a 
detector can be found as follows.  

    [Theta][1] = arccos((sin([alpha][1]),cos([alpha][1]),0) [dot] [d-hat]) * 
                 (-d[z]/|d[z])
    [Theta][2] = arccos((sin([alpha][2]),cos([alpha][2]),0) [dot] [d-hat]) *
                 (-d[z]/|d[z])
    [Theta][3] = arccos((sin([alpha][3]),cos([alpha][3]),0) [dot] [d-hat]) *
                 (-d[z]/|d[z])
       

The values of [Theta][I] so determined can be used to find the effective 
area weighting function w([Theta]) from the table.  


TABLE: IBS Key Calibration Parameters
-------------------------------------
April 29,2005

Integration time     [tau]      0.0068359375 seconds
Effective area       A[O]       0.34 cm^2
Dead time            [tau][D]   0.86 microseconds

Cross talk correction matrix (unit-less)
[beta][11] =   1.02575
[beta][12] =  -0.143420
[beta][13] =  -0.0385874
[beta][21] =  -0.135635,
[beta][22] =   1.02600
[beta][23] =  -0.0406647
[beta][31] =  -0.136521
[beta][32] =  -0.135645
[beta][33] =   1.01217

NOTE: the cross talk correction matrix provided here is valid for counts 
below 300.  Above 300 counts, its reliability is uncertain because of 
cross-talk.  We believe that a more sophisticated cross-talk correction 
will be appropriate for IBS counts greater than 300, but it remains to be 
developed.

Effective area weighting factor (unit-less)
    ===================
    [Theta]  w([Theta])
    ===================
    -75.0     0.00000
    -72.0     0.00425
    -69.0     0.01558
    -66.0     0.02974
    -63.0     0.05595
    -60.0     0.08428
    -57.0     0.10694
    -54.0     0.12465
    -51.0     0.11331
    -48.0     0.11261
    -45.0     0.10340
    -42.0     0.10836
    -39.0     0.14731
    -36.0     0.13314
    -33.0     0.16360
    -30.0     0.17847
    -27.0     0.23371
    -24.0     0.29462
    -21.0     0.36969
    -18.0     0.47380
    -15.0     0.60340
    -12.0     0.74717
     -9.0     0.86331
     -6.0     0.92564
     -3.0     1.00000
      0.0     0.97026
      3.0     0.97167
      6.0     0.95821
      9.0     0.81161
     12.0     0.62606
     15.0     0.49221
     18.0     0.36827
     21.0     0.23938
     24.0     0.17422
     27.0     0.12677
     30.0     0.07649
     33.0     0.04249
     36.0     0.02762
     39.0     0.02266
     42.0     0.02974
     45.0     0.02479
     48.0     0.04249
     51.0     0.04887
     54.0     0.04603
     57.0     0.06020
     60.0     0.06657
     63.0     0.06586
     66.0     0.06374
     69.0     0.04249
     72.0     0.03895
     75.0     0.02550