Mesures de sondes en Plasmas Naturels Jean-Pierre Lebreton Research and Scientific Support Department (RSSD), ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands Jean-Pierre.Lebreton@esa.int Yves Arnal Centre de Recherche Plasmas-Matériaux-Nanostructures, Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (CRPMN-LPSC), Grenoble, France ygarnal@numericable.fr 1
Paramètres des Plasmas Etudiés Environnement ionisé de la Terre, des planètes et des comètes Mesure des paramètres du plasma (Ne, Te, Vp, dérive, Ni, Flux UV) Exemple: Ionosphère de la Terre (Mission DEMETER) Densité des électrons/ions (N e / N e ):10 8-10 12 m -3 Température des électrons (T e ): 500-10000K Longueur de Debye: 0.5 cm< λ D < 15 cm Rayon de Larmor: ρ ~ 2 cm (700 km d altitude) Potentiel du Satellite: ± 0-3 V Autres missions: Rosetta (comète), Cassini (ionosphère de Titan, environnement des anneaux: plasma poussièreux) Plasma de laboratoire (simulation du plasma ionosphérique) Métrologie des plasma (Te) Dévelopement de capteurs Caractérisation et calibration des instruments de vol Simulation environnementale plasmique d un satellite Etude et caractérisation de la compatibilité satellite/environnement plasma (essais SIMLES ARCAD-3 et Spacelab-1/PICPAB) 2
La Sonde de Langmuir: Principe Conducteur immergé dans un plasma auquel on applique une polarisation variable (V). Mesure du courant (I) en fonction de V acquisition de la courbe I-V. Analyse de la courbe I-V donne les paramètres principaux du plasma: Ne, Te, Vf ~ Vsat, (Ni) V I 3
Types de Sondes de Langmuir Cas idéal Sonde plane: Dimension >> Longueur de Debye Sonde cylindrique: Longueur >> diamètre Sonde sphérique Autres cas (Nos travaux ont porté sur le dévelopement des capteurs suivant en vue de l amélioration de la détermination de Te en particulier) Sonde sphérique à calotte Sonde sphérique ségmentée Double sonde 4
Contraintes pour les applications spatiales pour une S de L Effets de vitesse du satellite + corotation du plasma (< 100 m/s pour Rosetta à > 10 km/s pour Cassini; Demeter: ~8 km/s: Vion < Vsat< Ve); aire de collection des ions # aire de collection des électrons Mesure de Te suréstimée (déformation des équipotentielles) Effet du champ B ( < 0.5 G) ; ρ > λ D Photo-émission et émission secondaire des surfaces, etc Perturbation du potentiel du satellite par courants de retour si S sonde > S sat /100 Nombreux effets à prendre en compte pas de formule universelle pour I-V Sonde cylindrique ou sphérique utilisée selon application ou école Sonde à calotte ou segmentée directivité (par rapport à Vsat ou flux UV) 5
Problèmes à résoudre pour une bonne acquisition de la courbe I-V Bonne interface capteur/surface Uniformité du potentiel de surface Pas de contamination de la surface Stabilité à long terme (> 15 ans pour Cassini, Rosetta) Matériaux utilisés Carbone vitreux (Labo, Fusée) Nitrure detitane (Cassini, Rosetta, Demeter, Proba-2) Excellentes performances électriques et mécaniques Pas de pollution chimique de la surface Stabilité à long terme des propriétés élèctriques de la surface Nouveau traitement de surface en développement (Suède) 6
Formules pour une S de L Courant total: Courant d ions: 7
S de L cylindrique de Demeter: Courbe de vol electron saturation region electron saturation region ion saturation region retardation region ion saturation region retardation region Lin-lin Lin-Log 8
Illustration graphique de la méthode de traitement automatique des courbes I-V utilisée au centre de traitement des données Demeter au LPCE/ORLEANS 9
Plasma labo: sonde sphérique (avec chauffage) 10
Etudes en plasma de laboratoire (1) 11
Etudes en plasma de laboratoire (2) 12
Essais SIMLES: Arcad-3 Diagnostic du plasma: Sonde de Langmuir et Sonde à Impedance Mutuelle 13
Sonde à Impédance Mutuelle Double dipôle immergé dans le plasma: Dipôle émetteur injecte un courant I(f) dans la plasma Dipôle récepteur recueille la tension induite U(f) Analyse de l impédance de transfert Z(f) = U(f)/I(f) donne les parametres suivants: Ne, Te, Vitesse de derive, Valeur du chmap B (dans certaines conditions) I(f) U(f) 14
Essais SIMLES: Arcad-3 (2a) Courbes I-V de sonde de Langmuir 15
Essais SIMLES: Arcad-3 (2b) Courbes d impedance de Tranfert 16
Sonde de Langmuir DEMETER/ISL Mouvement du satellite 17
Diamètre: 6 mm Longueur: 5 cm 18
ISL: Conception des senseurs Masse totale 250 g 19
ISL: Capot de protection et stimuli pour tests au sol 20
DEMETER ISL: Functional Block Diagram DEMETER SLP: Functional Diagram 21
Mode de balayage en tension des sondes de DEMETER 1 Hz sweep frequency 128 sweep points 8 ms time steps. 22
Modes opérationnels des sondes DEMETER ISL1_1 ISL1_2/3 ISL2 ISL3 23
illustration de la méthode du spectrogramme pour la présentation des courbes I-V de sonde de Langmuir (Test en labo/estec de la sonde ISL/Demeter). Variation des conditions de plasma en variant manuellement les paramètres de la source Kaufman Chaque ligne verticale: variation de I en fonction de V; Haut: éch LIN; bas éch LOG Polarisation +7.5 V -7.5 V Polarisation +7.5 V -7.5 V Vf Temps en secondes 24
Vérification de l hystérésis en vol de ISL: Mode ISL3 25
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Mesures en labo ONERA, (Test Sonde MIP/Rosetta et ISL/Demeter):perturbation plasma Courbes I-V (LP1) Mesure du Potentiel flottant de LP2 27
Mesures en vol: perturbation du potentiel du satellite: source d interférences avec IAP (mesure plasma) et ICE (mesure champ électrique) Potentiel Flottant LP2 LP1 28
Mode ISL2: Analyse préliminaire montre une variation importante des paramètres du plasma en fonction du secteur 29
Sonde de Langmuir Cassini Lancé en 1997 5.7 T, > 7 m de haut Mise en orbite autour de Saturne:2004 Mission Nominale: 4 ans Extension à l étude: > 2 ans Ø= 5 cm ± 50 V 30
Exemple de courbes I-V de la Sonde de Langmuir à bord de Cassini. Variations dues à la traversée de différentes régions Data Courtesy: J.E. Wahlund 31
Nouveaux Capteurs S de L Sonde de Langmuir Segmentée DSLP sur mission Proba-2 Double sonde Analyse à bord des courbes I-V À l étude: augmentation du nombre de segments (meilleure directivité) Modèlisation Capteur Flux UV solaire intégré: sonde sphérique à grilles (Schmidtke et al. Freiburg) Simplicité, fiabilité 32
Conclusions: Sonde de Langmuir Instrument simple à mettre en œuvre Bonne résolution temporelle et spatiale Mesure fiable de Te avec nouveaux revêtements de surface (longtemps source de discrédit pour vol fusée et labo) Précision: Ne, Te : ±20 % (après gros travail de caractérisation et de calibration) Informations sur Ni, Vsat, fonction de distribution des électrons Nouvelles applications envisagées Instrument de choix pour mission d exploration planètaire 33