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Développement d’un instrument compact pour la mesure des ions et électrons thermiques dans les environnements magnétosphériques

Doctorant : CARA    Antoine

Directeur : LAVRAUD Benoit

Début de thèse : Octobre 2014

Groupe thématique : PEPS

L’instrument AMBRE 1 (Active Monitor Box of Electrostatic Risks) est un spectromètre de mesure du plasma (ions positifs et électrons) composé de deux têtes de mesure qui a été lancé à bord du satellite Jason 3 en Janvier 2016. A travers la mesure du plasma thermique (énergies comprises entre ~0 et 35 keV) cet instrument permet, d’une part, de déterminer la charge électrostatique des satellites et les populations en étant à l’origine pour répondre à des enjeux opérationnels, et d’autre part, de caractériser les environnements plasma magnétosphériques avec des enjeux scientifiques.
La réduction des caractéristiques physiques (poids, consommation électrique et encombrement) des instruments AMBRE est un enjeu clé dans le but de rendre son embarquement systématique sur les plateformes satellites (scientifiques comme commerciales) et ainsi étendre le réseau de ce type de mesures dans l’environnement terrestre.
L’objectif de cette thèse porte sur la conception, le développement et la réalisation d’un prototype d’instrument AMBRE 2 répondant à ces enjeux, tout en améliorant les performances scientifiques. Cette nouvelle génération d’instrument repose sur l’utilisation d’une seule tête qui mesure les deux types de population de manière alternée dans le temps.
L’étude de chaque sous-système d’AMBRE 2 a permis de trouver les meilleurs compromis pour mesurer les deux types de population tout en minimisant les ressources allouées à l’instrument. Un prototype a été réalisé et testé sous vide avec un canon à ions et un canon à électrons courant Décembre 2017 afin de valider son principe de fonctionnement.

Le sujet de thèse consiste en l’étude et la réalisation d’un design d’instrument compact et novateur, nécessitant de faibles ressources, pour la mesure des ions et 

électrons thermiques et de la charge électrostatique des satellites dans l’environnement terrestre proche, incluant la réalisation d’un premier prototype fonctionnel (TRL 6).

Les objectifs majeurs de l’emport de ce type d’instrument sont les suivants :

•        Opérationnel: mesure de la charge électrostatique, des populations de particules à l’origine de celle-ci, et des risques associés ;

•       Scientifique: mesure des flux de particules thermiques (0-35 keV) qui constituent le cœur de la population dans la plupart des régions magnétosphériques ;

•      Technique: continuité et pérennisation de compétence (par rapport à l’instrument AMBRE du satellite Jason-3) dans le développement de ce type de détecteur ;

•      Stratégique: les jeux de données qui seraient obtenus sont critiques, rares, et pour certaines orbites ne sont plus accessibles.

           

 Nombre des sous-systèmes nécessaires (mécanique, alimentions, DPU, carte d’interface, etc.) pour ce nouveau design d’instrument sont déjà réalisés dans le cadre du 

projet AMBRE (collaboration  CNES/EREMS/IRAP).  Le  TRL des sous-systèmes impliqués  dans les activités proposées  est actuellement entre  2 et 5. Plusieurs  nouveaux 
sous-systèmes seront spécifiquement étudiés et améliorés dans le cadre des activités de la thèse. Les  travaux porteront en particulier sur les  aspects innovants en électronique. 
Le travail de thèse inclura la réalisation d’un prototype fonctionnel comportant : 

•         de nouvelles hautes tensions pour la mesure alternée des ions et électrons (pour l’analyseur électrostatique, les détecteurs et le facteur de géométrie variable),

•      un nouveau design mécanique pour obtenir un facteur de géométrie variable, et

•    l’utilisation d’un nouvel ASIC de détection, aujourd’hui disponible, pour simplifier et réduire les ressources du design.

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