Détecteur d`électrons pour l`exploration de Mercure sur la mission

Détecteur d’électrons pour l’exploration de Mercure sur la mission Bepi Colombo
H‐C Séran, C Aoustin, M Petiot, J Rouzaud, E Lecomte, A Fedorov, J‐A Sauvaud et D Moirin – CESR
Bepi Colombo est une mission conjointe ESA/JAXA (Europe – Japon) dédiée à l'étude de la planète Mercure et de son environnement. Deux sondes seront lancées en 2014 par Ariane 5. La première sonde
MPO (Mercury Planetary Orbiter) étudiera la planète, la seconde sonde MMO Mercury Magnetospheric Orbiter) étudiera la magnétosphère de Mercure.
La mission nominale de 1 an débutera en 2020 après 6 ans de voyage. L’instrument présenté ici, MEA (Mercury Electron Analyser), fait partie d’une suite instrumentale sur MMO pour mesurer les
particules.MEA est un spectromètre d’électrons du type top hat. Il permet de mesurer les électrons de 3eV à 25 keV, avec une couverture de 4π stéradians. Il utilise une paire de galettes à micro-canaux pour
multiplier les électrons incidents. Il comporte 16 amplificateurs
f
de charge associés à chacun des 16 secteurs angulaires qui couvrent 360°. L’électronique
’
f
fournit
3 hautes tensions allant de 0 à 3kV.
La première haute tension polarise les galettes, les 2 autres sont appliquées aux 2 parties de l’hémisphère interne de l’analyseur pour faire la sélection en énergie des électrons incidents. Les comptages sont
lus et traités par un premier FPGA qui contrôle la tête de mesure. Les données sont mises en forme et transmises au MDP (Mission Data Processor) par un second FPGA.
Masse: 1325g (fourniture CESR) + 280g bouclier +
couverture thermique (fourniture JAXA).
Puissance électrique: 1.3Wmax (30mA +/-12V, 60mA
+5V nominal, 1.02W nominal).
Température opérationnelle: -40°C, +85°C
Champ de vue: 15°x360°
Couverture: 4π steradians avec le spin du satellite (4sec)
Energie: 3eV à 25keV
Résolution en énergie ∆E/E:10% pour le facteur de
géométrie non atténué.
Facteur de géométrie variable: 4
4.10
10-33 à 6
6.7.10
7 10-55 cm2 sr
eV/ eV.
L’énergie est donnée par Ec/q = k∆V où ∆V est la tension
appliquée entre les sphères et k la constante de
l’analyseur (k ≈ r / 2∆r). K = 8.67 à 8.51 selon le facteur
de géométrie.
Instrument placé dans le caisson pour le
test avec le faisceau d’électrons (moyen
d’essai CESR).
Vue de l’instrument lors des tests de vibrations chez
MecanoID.
Les particules qui ont des trajectoires parallèles
sont focalisées en un seul point sur le détecteur.
La réponse en énergie est indépendante de
l’angle polaire. La résolution polaire est définie
par le nombre de secteurs et d’amplificateurs
associés.
Une MLI (multi layer insulator) et un bouclier thermique peint
en blanc assurent la protection thermique de l’instrument.
Les températures pic atteignent 140°C sur le bouclier, 85°C
sur les sphères, 60°C sur les galettes et sur les cartes.
Photos prises à la JAXA lors du test vide thermique avec le
simulateur solaire.
Vue des galettes à micro-canaux
Les galettes ont un gain de 106 environ. Elles sont polarisées
entre 2200V et 2600V. La polarisation est augmentée au cours
d la
de
l mission
i i
pour compenser la
l perte
t de
d gain
i due
d
au
vieillissement.
+12
+12V
+12
L’entrée de l’analyseur électrostatique est
équipée de 4 baffles pour réduire la
pénétration des UV dans les demi
sphères. Les parties polies dorées limitent
la génération de photoélectrons.
-340V
+
U5
3
-12
-12V
3
U6
5
3
5
4
MVM422P10
GND
V2
AC
+3400V
2
Caisson d’essai de vide thermique et maquette
thermique
h
i
d la
de
l plateforme
l f
avec MEA.
MEA (moyen
(
d’essai JAXA).
Demi sphère interne en deux parties.
parties Le noir
est un traitement de surface au Sulfure de
cuivre (Cu2S) qui permet d’absorber l’UV. La
surface des sphères traitées au Cu2S est
striée (scalloping) pour limiter la génération
d’électrons secondaires et la réflexion des UV.
+
2
2
5
1
8
7
1
4
8
9
7
10
6
11
4
6
9
1
2
2
1
AC
V1
1
GND
+6V
-6V
10
+
+
OPTOCOUPLER
6
11
1
2
2
1
OPTOCOUPLER
+6V
HV STEP CAL
ON/OFF STEPPING
100MEG
16
-12
4
IN
OUT
A
GND
V-
V+
6
V+
OUT
+
-
18
110k
19
1MEG
3
20
15
+12
5
13
-12
RANGE
-6V
1
2
14
12
V-
V6
+
OUT
16
14
REF STEP CAL
-
V+
13
RANGE_LOW_SW
+12
16
-12
-12
+12
La demi sphère externe (R 35.88mm) est reliée à la
masse. La partie basse de la demi sphère interne (R
34.12mm) est reliée au potentiel Uan (balayage de
0.3V à 3000V). La partie haute de la demi sphère
interne est reliée au potentiel Utop (balayage de 0.3V
à 3000V). La tension Uan sélectionne l’énergie des
électrons qui arrivent jusqu’aux galettes à
microcanaux. Le ratio Utop/Uan fixe l’atténuation du
facteur de géométrie. Ce dispositif permet de réduire
le nombre de particules qui entrent dans l’analyseur.
HK STEP CAL
Schéma de la haute tension Analyseur. Le balayage haute tension de
0 à 3000V est obtenu à l’aide d’opto-coupleurs haute tension polarisés
à +3400V et -340V. Un pont résistif sélectionnable en diviseur 1:100
ou 1:1000 permet de travailler avec une grande précision entre 0-300V
ou 300V-3000V. Un atténuateur variable à l’entrée permet de
conserver une bonne précision pour les faibles tensions de commande
(gamme 0-30V en sortie).
Balayage haute tension (trace verte) de 3000V à 0V par pas de 1ms
(période 125ms). La dérive en température des hautes tensions est
inférieure à 0.5% de 10V à 3000V pour la plage [-20°C, +80°C], elle atteint
3% pour 0.3V. La dérive du ratio Utop/Uan atteint 0.7% sur la plage [25°C,
+80°C] dans le cas le plus défavorable (Utop/Uan = 0.28).
Carte haute tension: une haute tension
continue pour les galettes (0 à 3400V),
deux hautes tensions à balayage pour
l’analyseur (0 à 3000V).
Vue
en
l’instrument.
coupe
de
Carte amplificateurs de charge
avec 16 Amptek A111F, seuil de
détection: 105 électrons.
Carte FPGAs (2 x Actel RT54SX72SU). Un FPGA gère
la tête de mesure et accumule les comptages. Un
FGPA gère les communications avec le MDP (Mission
Data Processor) selon le protocole spacewire.