Download this file

PDS_VERSION_ID            = PDS3                                              
LABEL_REVISION_NOTE       = "                                                 
  2006-12-27 SOC:Carcich  Initial version;                                    
  2016-10-31 SOC: All     Updated text about PEPSSI values outside stated     
                            sensitivity limits, and about low-TOF difference  
                            between N2 and N3 PHA data; resolved liens from   
                            2016-05 peer review.                              
  2017-03-29 SOC: All     Added details to the 'Data validity' section about  
                            what channels and mission phases should not be    
                            used for calibrated science.                      
  2017-07-26 PEPSSI: PK:  Updated data validity, calibration, and instrument  
                            description.                                      
  2018-06-22 SOC: TF      Added to data validity section regarding dataset    
                          applicability.                                      
  "                                                                           
RECORD_TYPE               = STREAM                                            
                                                                              
OBJECT                    = INSTRUMENT                                        
  INSTRUMENT_HOST_ID      = "NH"                                              
  INSTRUMENT_ID           = "PEPSSI"                                          
                                                                              
  OBJECT                  = INSTRUMENT_INFORMATION                            
INSTRUMENT_NAME="PLUTO ENERGETIC PARTICLE SPECTROMETER SCIENCE INVESTIGATION" 
    INSTRUMENT_TYPE       = "CHARGED PARTICLE ANALYZER"                       
    INSTRUMENT_DESC       = "                                                 
                                                                              
########################################################################      
Recommended Reading - these documents describe how PEPSSI operates, needed    
for analyzing the data properly:                                              
- McNutt et al.  (2008) [MCNUTTETAL2008A]                                     
- SOC Instrument Interface Control Document ICD, originally delivered with    
  this archive                                                                
########################################################################      
                                                                              
      This PEPSSI description was adapted from the New Horizons               
      website, the SOC to Instrument ICD, and McNutt et al. (2008)            
      [MCNUTTETAL2008A].                                                      
                                                                              
                                                                              
  INSTRUMENT OVERVIEW                                                         
  ===================                                                         
                                                                              
                                                                              
    PEPSSI is a medium-energy particle spectrometer.                          
                                                                              
                                                                              
    SPECIFICATIONS                                                            
    --------------                                                            
                                                                              
      NAME:                    PEPSSI                                         
      DESCRIPTION:             Medium energy particle spectrometer            
      PRINCIPAL INVESTIGATOR:  Ralph McNutt, APL                              
      ENERGY RANGE:            25-1000 keV (protons)                          
                               60-1000 keV (atomic ions)                      
                               100-1000 keV (molecular ions)                  
                               25-500 keV (electrons)                         
      FIELD OF VIEW:           160 x 12 deg                                   
      ANGULAR RESOLUTION:      25 x 12 deg                                    
      ENERGY/TOF RESOLUTION:   250 eV / 167 ps Granularity                    
                                                                              
      PEPSSI (Pluto Energetic Particles Spectrometer Science Investigation)   
      is a hockey-puck-size (7.6cm diameter by 2.5cm thick), time-of-flight   
      (TOF) spectrometer that measures ions and electrons over a broad range  
      of energies and pitch angles.  Particle composition and energy spectra  
      are measured for H to Fe from ~25 keV/nucleon to 1 MeV/nucleon and for  
      electrons from 25 keV to 500 keV.  The PEPSSI instrument traces its     
      heritage back to the MESSENGER Energetic Particle Sensor (EPS)          
      instrument. EPS/PEPSSI was developed with the support of a NASA         
      Planetary Instrument Definition and Development (PIDDP) grant aimed at  
      designing a low-mass, low-power sensor that can measure energetic       
      pickup ions produced near planets and comets (Andrews et al., 1998      
      [ANDREWSETAL1998]; McNutt et al., 1996 [MCNUTTETAL1996]).  The overall  
      PEPSSI instrument weighs 1.5 kg and uses a maximum of 1.4 W of power.   
                                                                              
                                                                              
  Scientific Objectives                                                       
  =====================                                                       
                                                                              
    Summary                                                                   
    -------                                                                   
                                                                              
      1.  Determine the escape rate of Pluto's atmosphere.                    
                                                                              
      2.  Measure the interaction of the solar wind with Pluto's              
          ionosphere.                                                         
                                                                              
      3.  Determine the source and nature of energetic particles              
          found near Pluto.                                                   
                                                                              
                                                                              
    Details                                                                   
    -------                                                                   
                                                                              
      PEPSSI's primary objective is to determine the mass, energy spectra,    
      and directional distributions of energetic particles, with a resolution 
      able to discriminate between the various types of species expected at   
      Pluto.                                                                  
                                                                              
      PEPSSI will also search for neutral atoms that escape Pluto's           
      atmosphere and subsequently become charged by their interaction with    
      the solar wind.                                                         
                                                                              
      Finally, PEPSSI will determine the composition and density of pick-up   
      ions from Pluto, which indirectly addresses the atmospheric escape      
      rate.                                                                   
                                                                              
                                                                              
  Detector                                                                    
  ========                                                                    
                                                                              
    Summary                                                                   
    -------                                                                   
                                                                              
                                                                              
      A time-of-flight (TOF) section feeds a solid-state silicon detector     
      (SSD; a.k.a. 'pixel') array.  PEPSSI's field of view (FOV) is fan-like  
      and measures 160 degrees x 12 degrees, divided into six angular sectors 
      of 25 degrees x 12 degrees each.  Each sector has two SSDs: 3 of the    
      sectors have one electron SSD and one ion SSD each; three sectors have  
      two ion SSDs each.  Ions entering the PEPSSI FOV generate secondary     
      electrons as they pass through entrance and exit foils in the TOF       
      section, providing 'start' and 'stop' signals detected by a             
      microchannel plate (MCP).                                               
                                                                              
                                                                              
   Details                                                                    
   -------                                                                    
                                                                              
                                                                              
      PEPSSI is a compact particle telescope with a time-of-flight (TOF)      
      section and a solid-state detector (SSD; a.k.a. 'pixel') array.  A      
      mechanical collimator defines the acceptance angles for the incoming    
      ions and electrons.  The TOF section is axially symmetric; entrance and 
      exit apertures are 6 mm wide with an azimuthal opening angle of 160     
      degrees.  The entry apertures are covered by a thin                     
      polyimide/aluminum/polyimide foil. The stop foil is a                   
      polyimide/palladium/ polyimide foil. The foils are mounted on           
      high-transmittance stainless-steel grids.   The foil thickness and      
      composition is a compromise to minimize the energy threshold,           
      secondary electron production, and scattering of particles              
      in the foil while blocking UV from the direct Sun and Lyman-alpha       
      background.  PEPSSI measures the ion TOF using secondary electrons      
      generated as the ion passes through the entrance and exit foils in the  
      spectrometer.  Total energy is measured by the SSD array comprising six 
      sectors.  Each six sectors comprises two SSDs; sectors 2, 4, and 5 are  
      dedicated for ion measurement with two ion SSDs each; sectors 1, 3, and 
      6 each have one ion SSD and one SSD covered with ~1E-6 m Al absorber,   
      to block low energy ions and permit measurements of electrons.  The     
      fan-like collimator together with the internal geometry defines the     
      acceptance angles.  The FOV is 160 degrees by 12 degrees with six       
      angular sectors of 25 degrees each; the total geometric factor is ~0.15 
      cm**2-sr.  As an ion passes through the sensor, it is first accelerated 
      by the potential of ~3 kV on the front foil prior to contact.  The ion  
      generates secondary electrons at the foils, which are then              
      electrostatically steered to well-defined separate regions on a single  
      micro channel plate (MCP), providing 'start' and 'stop' signals for the 
      TOF measurements (from 1 ns to 320 ns).  The segmented MCP anode, with  
      one start segment for each of the six angular entrance segments, allows 
      determination of the direction of travel even for lower-energy ions     
      that do not give an SSD signal above threshold.                         
                                                                              
      The combination of measured energy and TOF provides unique particle     
      identification by mass and particle energy in the range: for protons    
      from 15 keV to 1 MeV; for heavy (CNO) ions from 80 keV to 1 MeV.        
      Lower-energy (❯3 keV) ion fluxes are measured by TOF and pulse-height   
      analysis (PHA) of the signal they produce in the MCP, providing         
      particle identification and velocity spectra at these energies as well. 
      Molecular ions, expected from Pluto's atmosphere, will break up in the  
      foil prior to their full detection, but will be detected as high-mass   
      events.  Internal event classification electronics determine the mass   
      and produce an eight-point energy spectrum for each of four species for 
      six arrival directions.  Energetic electrons are measured               
      simultaneously in the dedicated electron pixels in the range from 20 to 
      700 keV.  Only protons with energies ❯ 300 keV (expected to be very     
      rare at Pluto) can penetrate the absorbers on these pixels, and even    
      those would be eliminated by on-board MCP coincidence requirements and  
      ground comparisons with the simultaneously measured ion flux.           
                                                                              
                                                                              
  Electronics                                                                 
  ===========                                                                 
                                                                              
                                                                              
    Extensive uses of miniaturization and custom electronics in the design    
    allows PEPSSI to weigh less than 1.5 kg and consume less than 1.4 W.      
    PEPSSI is made up of six modular 10cm x 10cm slices.  They consist of:    
                                                                              
      1) Energy board;                                                        
      2) High Voltage Power Supply (HVPS);                                    
      3) TOF board;                                                           
      4) Digital processing board;                                            
      5) Common event processor board; and                                    
      5) Low Voltage Power Supply (LVPS) board.                               
                                                                              
    See the SOC to Instrument ICD, originally archived with this volume, and  
    McNutt et al. (2008) [MCNUTTETAL2008A] for further details.               
                                                                              
                                                                              
  Operational Modes                                                           
  =================                                                           
                                                                              
                                                                              
    The PEPSSI instrument can operate in two modes: Normal and Diagnostic. On 
    the spacecraft, each event generates a PHA record.  This record is        
    classified by event type: Electron, High-Energy Ion (or 'Hi-Ion' or       
    'Triple'), or low-energy ion (or 'Low-Ion,' 'Double,' or 'TOF-only').  In 
    diagnostic mode, events are not classified; alternatively, all events are 
    'diagnostic events'. Events of a given type are further classified into   
    'Rate Boxes' by their energy and/or time of flight (TOF).  Thus each      
    event has a type, a rate box, and a detector in which it occurred.        
                                                                              
                                                                              
    Data sampling and priority for TOF-only data                              
    --------------------------------------------                              
                                                                              
                                                                              
      Data set users may notice a different TOF distribution for the 'high    
      resolution' data (also called 'N2 data' or ApID 0x692 data) and 'low    
      resolution' data (also called 'N3 data' or ApID 0x693, 0x694 data).     
      For completeness there is also 'N1 data' (ApID 0x691), but it only      
      produces 10 PHA events per hour during the Pluto encounter, it will be  
      ignored here.  Note that during the Pluto Encounter period the          
      instrument recorded N1, N2, and N3 data at intervals of 1 hour, 1       
      second, and 2 hours, respectively.                                      
                                                                              
      PEPSSI has two kinds of ion data, TOF vs. E (time-of-flight vs. energy) 
      and TOF-Only (also known as 'high ion' and 'low ion' data, triple       
      coincidence and double coincidence data, and are associated with        
      B-rates and L-rates, respectively).  The data are dominated by TOF-Only 
      data because the triple coincidence TOF vs. E data requires a higher    
      energy (thus a lower flux in nearly all situations) to trigger the      
      measurement, has a lower background level (due to the additional        
      coincidence logic), and a smaller geometric factor.  For the TOF-Only   
      data, the events with TOF ❮ 20 ns are in a different priority group     
      than the TOF ❯ 20 ns.  In the TOF-Only data the shorter TOFs are        
      particles with enough energy to penetrate the SSDs, but they can also   
      miss the SSDs, so some of them would be events that could be detected   
      in the TOF vs. E mode and some not.  Due to this ambiguity, and the     
      fact that for higher energies there is the valuable addition of the     
      solid state detector (SSD) measurement, the TOF ❮ 20 ns data were       
      judged not to be the main TOF-Only product.  They were put in a         
      different priority group so their relatively high count rate wouldn't   
      suppress the more desirable TOF ❯ 20 ns events.  Additionally, the N3   
      PHA data uses a different priority scheme than the N2 PHA data (this    
      may be changed in a future software update, but that hasn't happened as 
      of June, 2016).  In the N3 PHA the TOF ❮ 20 ns priority group is only   
      rarely (if ever) the top priority group, but there could be TOF ❮ 20 ns 
      from the rare triple coincidence data or in the TOF-Only data from the  
      rare period when a very low probability event happens to be detected    
      and not overwritten by the priority scheme.  In the N2 PHA data the     
      priority groups have rotating priority so that all data groups get      
      representation; not so with the N3 data.  Thus there are PHA events     
      both above and below 20 ns in the N2 data, but almost no PHA events     
      below 20 ns in the N3 data.                                             
                                                                              
                                                                              
    Data validity                                                             
    -------------                                                             
                                                                              
                                                                              
      Some subset of the PHA event data is noise or other instrumental        
      artifacts.  PHA events with parameters outside the stated instrument    
      sensitivity limits (see the SPECIFICATIONS section above) should be     
      ignored, or, at the very least, used with extreme caution.              
                                                                              
      Also, only TOF vs. E event data following the TOF(E) curves/tracks      
      (going from long TOF and small energy to short TOF and high energy) of  
      the PEPSSI instrument are valid.  These tracks roughly follow the       
      channel boxes shown in Fig. 11-6 in the SOC to Instrument Pipeline ICD. 
      Events with TOF ❮ 5 ns and deposited  energy ❯ 1 MeV or ❮ 40 keV are    
      artifacts.                                                              
                                                                              
      Event data (both TOF vs. E and TOF-only) is not weighted by the         
      instrumental efficiency and therefore cannot be used as-is to           
      determine energy spectra in physical units.  Most notably, the          
      event-counts peak around 100ns in the TOF-only data is not an           
      intensity peak.                                                         
                                                                              
      Some channels nominally respond to real particles, if they are present, 
      but predominantly or completely respond to background during most or    
      all of the flight. Therefore, they should not be used for scientific    
      analysis:                                                               
                                                                              
        - After the Jupiter phase, the 'electron' channels should not be      
          used because penetrating radiation dominates the response.          
          These are channels R00, R01, and R02, all sectors (S0-S5).          
                                                                              
        - Background or electronic noise dominates the following triple       
          coincidence channels after 2007 DOY 144: B00, B07, B08, B17, and    
          B18. The B00 channel is a dump channel. B07 and B08 were designed   
          to be He-3 channels, but there is no sign of this isotope so they   
          contain only the wings of the He-4 distribution. The B17 and B18    
          channels are 'ultra heavies' but have shown no evidence of          
          responding to such particles. Also B06, nominally measuring         
          high-energy protons, is unreliable. Beyond these channels, the      
          channels B14, B15, B16 are nominally measuring sulfur but are       
          dominated by noise in the interplanetary medium far from Jupiter.   
          Before 2007 DOY 144, the similar issues with background and noise   
          as described above exist but the channel definitions are different. 
          Background or electronic noise dominates the dump channels B00 and  
          B18. The B05 channel measuring high energy protons is at            
          background, except in near-Jupiter environment.                     
                                                                              
        - Other channels also have background (energetic particle measurements
          always have background). The ones listed above should be ignored    
          because they show no signs of a foreground signal.                  
                                                                              
          B rates in sectors 4 and 5 (B*S04, B*S05) are contaminated or       
          dominated by counts from the internal alpha source of the instrument
          and are therefore only useful for diagnostic purposes of the        
          instrument. B rates in the affected sectors (like B01S04, B01S05,   
          etc) should therefore not be used for science. Make sure to not     
          average over all sectors. Also any L*S04 and L*S05 channels should  
          be ignored due to contamination by the internal alpha source.       
                                                                              
          Background or electronic noise dominates the following B channels   
          after 2007 DOY 144:                                                 
              B00, B06, B07, B08, B17, and B18.                               
          B06, B14, B15, and B16 should only be used close to Jupiter with    
          significant foreground of energetic protons and sulfur. Before      
          2007 DOY 144, similar issues exist but the channel definitions are  
          different: B00 and B18 show noise. B05 measures energetic protons   
          only during significant foreground. The channels measuring sulfur   
          respond well during this period.                                    
                                                                              
      The PEPSSI measurements are very sensitive to spacecraft attitude.      
      Particles, depending on energy and species, can be very anisotropic.    
                                                                              
      The PEPSSI integration intervals change frequently, and multiple        
      integration intervals are used simultaneously. The user must be         
      aware of the current integration interval (the DT column in the FITS    
      tables) when selecting an averaging interval to avoid effects such as   
      aliasing. Also, be sure to select an averaging interval that results    
      in sufficient statistics.                                               
                                                                              
      Please refer to dataset.cat for additional details on the applicability 
      and use of the Primary HDU and extensions of data products in the raw   
      and calibrated PEPSSI datasets. Upper level derived dataset products    
      (Level 4) do not use these extensions, but it is helpful to read the    
      SOC to Instrument ICD in addition to understand the operation of PEPSSI 
      and the different types of channels.                                    
                                                                              
                                                                              
    Bad Time Intervals (BTIs)                                                 
    -------------------------                                                 
                                                                              
                                                                              
      Various instrument conditions can make the PEPSSI data difficult or     
      impossible to use for scientific purposes.  Powering down, ramping the  
      high voltage power up or down, running in diagnostic mode, etc. will    
      all make the PEPSSI data unusable for standard analysis.  The           
      PEPSSI_BTI.TAB file contains a table of 'Bad Time Intervals' which      
      should not be used for science analysis.  It should be noted that the   
      entire 'Launch' phase of PEPSSI data is classified as a BTI.  While not 
      actually a BTI, the period between 2007 day 144 and day 178 should be   
      treated with caution as well.  The PEPSSI Rate Box tables were changed  
      on day 144 and calibration and analysis of this period is still         
      preliminary.                                                            
                                                                              
    See the SOC to Instrument ICD, originally archived with this volume, and  
    McNutt et al. (2008) [MCNUTTETAL2008A] for details.                       
                                                                              
                                                                              
  Measured Parameters                                                         
  ===================                                                         
                                                                              
    Particle energy information, measured by the SSD, is combined with TOF    
    information to identify the particle's composition. Each particle's       
    direction is determined by the particular 25 degrees sector in which it   
    is detected. Event classification electronics determine incident mass and 
    energy, with 12 channels of energy resolution.                            
                                                                              
    A typical measurement includes 8-point spectra for protons and electrons  
    and reduced resolution energy spectra for heavier ions for all six look   
    directions.                                                               
                                                                              
    In calibration, the rate, in counts/s, of each energy and/or TOF bin is   
    converted to flux i.e. differential intensity (1/cm**2-sr-s-keV).         
                                                                              
  Calibration                                                                 
  ===========                                                                 
                                                                              
                                                                              
     The calibration quantities in the current version are now physically     
     meaningful for the B channels. They might still change in the course of  
     calibration efforts of the team.                                         
                                                                              
     The R channels nominally measure electrons and the calibration quantities
     assume this. This is applicable in the Jupiter environment. At all other 
     times, the R channel count rates were found to be dominated by           
     penetrating particles consistent with cosmic rays. Therefore electron    
     fluxes cannot be provided for this period.                               
                                                                              
     The L channels do not distinguish ion species. Attempts to deconvolve    
     their response are ongoing. We currently do not provide detection        
     efficiencies for the L channels and only correct for their time dependent
     efficiency. The PEPSSI sectors of the L channels that nominally          
     distinguish different look directions show electronic cross talk that    
     makes it difficult to determine the true intensity distribution as a     
     function of direction. Comparisons different sectors are therefore not   
     meaningful, independent if count rates or the provided formal fluxes are 
     used.                                                                    
                                                                              
     Brief summaries of the flux and PHA calibrations are given here.  See    
     McNutt et al. (2008) [MCNUTTETAL2008A] and the SOC Instrument Interface  
     Control Document (distributed with this archive) for details.            
                                                                              
                                                                              
    Flux Calibration                                                          
    ----------------                                                          
                                                                              
      The calibration quantities are energy pass-band (dE = Ehi - Elo, lower  
      and upper limit of the energies of the particles measured), measurement 
      efficiency (N, the fraction of valid incident particles that are        
      actually measured), the geometry factor (G, the measurement of the      
      physical detector size and solid angle subtended by the field of view). 
      These values are all given and applied with uncertainties in the CODMAC 
      Level 3 files.                                                          
                                                                              
      The differential intensity, j (1/cm**2-sr-s-keV), is calculated         
      in terms of the counts C, time coverage T (s), geometric factor         
      G (cm**2-sr), upper and lower energy bounds Ehi and Elo (keV),          
      and detection efficiency N:                                             
                                                                              
        j = (C/T)/(G * dE * N),                                               
                                                                              
      where dE = Ehi - Elo.                                                   
                                                                              
      The uncertainty values assume Poisson statistics for C, no error in T,  
      absolute errors in G, Ehi, Elo and relative error in N. I.e., formally  
      the counts are C = C +/- deltaC, the energies are E = E +/- deltaE, the 
      geometry factor is G = G +/- deltaG.  The efficiency is N = [N *        
      epsilon or N / epsilon], where epsilon = deltaN/N, to one sigma         
      confidence.                                                             
                                                                              
      The PEPSSI measurements throughout the mission are supplied both as     
      instrument specific data (e.g., count rates) as well as physical        
      instrument-independent units (e.g., differential intensity).  It must   
      be stressed that these are preliminary values that should not be used   
      without effort from the user to understand their limitations (see the   
      SOC to Instrument ICD, provided with this archive).                     
                                                                              
                                                                              
    PHA Event Calibration                                                     
    ---------------                                                           
                                                                              
                                                                              
      The following quantities are provided in the calibrated data            
      products. The linear calibration constants are in the data labels; see  
      the SOC to Instrument ICD and McNutt et al. (2008) [MCNUTTETAL2008A]    
      for details.                                                            
                                                                              
      * Calibrated Deposited Energy and/or TOF values                         
                                                                              
      * Speed column from the TOF assuming a 6.0cm flight path.               
                                                                              
      * The PHA_HIGH_ION calibrated data contain additional quantities,       
        where each value indicates the Incident energy assuming that          
        the event is of that (H, He, O, or S) species:                        
        - H_Incident_Energy                                                   
        - He_Incident_Energy                                                  
        - O_Incident_Energy                                                   
        - S_Incident_Energy                                                   
                                                                              
      Events with the multi-hit (cross talk) flag set have been excluded.     
      Quantities of limited usefulness (such as Heavy Ion Discriminator       
      triggers) have been excluded.   Because of the difficulty of removing   
      priority scheme biases from non-N2 PHA data, only N2 (APID == 0x692)    
      PHA data is present in the calibrated PHA data.                         
                                                                              
      Priority group artifacts have been removed from quantities in the       
      Rate_Normalized_Weight column of the PHA_HIGH_ION extension using       
      the procedure described in the SOC Instrument ICD.  This column is      
      usually used in making histograms of the High Energy Ion PHA data.      
                                                                              
                                                                              
  Filters, Optics, Locations, Subsystems                                      
  ======================================                                      
                                                                              
                                                                              
    N/A                                                                       
"                                                                             
  END_OBJECT              = INSTRUMENT_INFORMATION                            
                                                                              
  OBJECT                  = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                         
    REFERENCE_KEY_ID      = "MCNUTTETAL2008A"                                 
  END_OBJECT              = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                         
                                                                              
  OBJECT                  = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                         
    REFERENCE_KEY_ID      = "MCNUTTETAL1996"                                  
  END_OBJECT              = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                         
                                                                              
  OBJECT                  = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                         
    REFERENCE_KEY_ID      = "ANDREWSETAL1998"                                 
  END_OBJECT              = INSTRUMENT_REFERENCE_INFO                         
                                                                              
END_OBJECT                = INSTRUMENT                                        
                                                                              
END