Objectifs scientifiques
L’accélération des particules chargées, la reconnexion magnétique, ou la turbulence plasma sont autant de processus physiques universels d’intérêt astrophysique qui couplent la dynamique rapide des électrons à celle plus lente des espèces ioniques. Dans le contexte héliosphérique, que ce soit dans le vent solaire ou dans les environnements planétaires, l’étude de ces phénomènes multi-échelles impose de déployer des constellations de satellites capables de monitorer les électrons et les ions du plasma simultanément et à différentes échelles. Dans la perspective d’une telle mission, identifiée comme une priorité stratégique aussi bien par le PNST au niveau national qu’en Europe lors de la prospective Horizon 2050, il semble indispensable de disposer d’une instrumentation plasma miniaturisée qui rende possible l’utilisation de plateformes nano-satellites.
Dans ce contexte et depuis début 2021, le LPP travaille sur une version de sa caméra plasma qui couplerait pour la première fois en un capteur unique la mesure des électrons et des ions. 3DCAM utilise des technologies d’impression 3D mises au point ces dernières années dans le cadre d’une R&T CNES qui s’est achevée en 2021 avec la démonstration expérimentale de ses performances. Le champ de vue 3D de la caméra supprime le besoin de déployer de nombreux capteurs à champ de vue limité pour la mesure à haute résolution temporelle de la fonction de distribution des particules chargées. Avec cette nouvelle version de 3DCAM, le LPP cherche à faire fonctionner sa caméra dans deux modes de fonctionnement d’ordinaire incompatibles, un mode électrons et un mode ions, et de manière simultanée, certains pixels de son détecteur imageur étant dédiés à la mesure des électrons et d’autres à la mesure des ions. La mesure par un capteur unique des électrons et des ions est rendue possible par l’utilisation de couches minces permettant la conversion des ions en électrons en amont du détecteur. Le LPP met aussi à profit le haut niveau d’intégration des systèmes de détection mis au point par l’équipe pour Solar Orbiter et Parker Solar Probe.
Ce spectromètre pourrait être embarqué pour un vol de démonstration sur le nano-satellite SPEED (Space Plasma Environment Explorer Demonstrator) proposé par F. Leblanc (LATMOS) lors de la prospective CNES en 2019 et dont la Phase 0 s’achève en 2021. SPEED emporterait une charge utile plasma complète avec un magnétomètre, des antennes de mesure du champ électrique et des paramètres plasmas, un détecteur de particules énergétiques et 3DCAM pour le plasma thermique et supra-thermique entre quelques eV et 15 keV. Le champ de vue 3D de 3DCAM supprime le besoin de spin du satellite, ce qui permet de viser une plateforme stabilisée 3 axes plus proche des standards de nano-satellites maintenant en développement dans l’industrie française. Une thèse co-financée par le CNES et l’ED de l’IP Paris commence en octobre 2021 sur cet instrument.
Description technique
La miniaturisation de 3DCAM implique d’optimiser l’intégration de ses sous-systèmes.
Une innovation importante consisterait à intégrer le système de contrôle de l’instrument à la carte de détection du spectromètre. L’électronique de détection de la caméra utilise un ASIC de nouvelle génération qui intègre de nombreuses fonctions numériques et simplifie son interface avec le système de contrôle. La surface libérée sur la carte de détection devrait permettre d’y implanter un FPGA et de réduire ainsi le volume et la masse du boitier électronique.
Le LPP sollicite la DT pour réaliser le prototypage d’une carte intégrée de détection et de contrôle de l’instrument 3DCAM. Pour cela la DT va :
- concevoir des schématiques électriques d’une carte électronique numérique à base de FPGA standard (i.e. non spatial),
- concevoir le code VHDL implémentant les fonctions numériques souhaitées, concevoir et réaliser des simulations pour valider ces fonctions,
- valider les fonctions numériques sur une carte développée par le LPP, qui inclura les schématiques de la carte numérique conçue par la DT.
Voir aussi : l’étude mécanique préliminaire basée sur le premier design de 3DCAM.
Contact DT : Gabriel Degret
Contact LPP : Matthieu Berthomier