mesures de sondes en plasmas naturels
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Mesures de sonde en plasmas naturels, Lebreton/Arnal
Atelier: Analyse de plasmas par sondes électrostatiques, Grenoble, 13-15 Juin 2006
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Mesures de sondes en Plasmas Naturels
Jean-Pierre LebretonResearch and Scientific Support Department (RSSD), ESA/ESTEC, Noordwijk,
Yves ArnalCentre de Recherche Plasmas-Matériaux-Nanostructures, Laboratoire de
Physique Subatomique et de Cosmologie (CRPMN-LPSC), Grenoble, [email protected]
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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 (Ne/ Ne):108-1012 m-3
• Température des électrons (Te): 500-10000K• Longueur de Debye: 0.5 cm< λD < 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)
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La Sonde de Langmuir: Principe• Conducteur immergé dans
un plasma auquel on applique une polarisationvariable (V).
• Mesure du courant (I) en fonction de V acquisition de la courbe I-V.
• Analyse de la courbe I-V donne les paramètresprincipaux du plasma: Ne, Te, Vf ~ Vsat, (Ni)
I
V
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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
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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 > λD• Photo-émission et émission secondaire des surfaces, etc• Perturbation du potentiel du satellite par courants de retour
si Ssonde > Ssat/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)
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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)
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Formules pour une S de LCourant total:
Courant d’ions:
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ion saturation
region
electron saturation
region
ion saturation
region
electron saturation
region
retardationregion
retardationregion
S de L cylindrique de Demeter: Courbe de vol
Lin-lin Lin-Log
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Illustration graphique de la méthode de traitement automatique des courbes I-V utilisée au centre de traitement des données Demeter au LPCE/ORLEANS
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Plasma labo: sonde sphérique(avec chauffage)
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Etudes en plasma de laboratoire (1)
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Etudes en plasma de laboratoire (2)
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Essais SIMLES: Arcad-3
Diagnostic du plasma:Sonde de Langmuir et Sonde à Impedance Mutuelle
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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 parametressuivants:
– Ne, Te, Vitesse de derive, Valeur du chmap B (danscertaines conditions)
I(f) U(f)
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Essais SIMLES: Arcad-3 (2a)Courbes I-V de sonde de Langmuir
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Essais SIMLES: Arcad-3 (2b)Courbes d’impedance de Tranfert
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Sonde de Langmuir DEMETER/ISL
Mouvement dusatellite
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Diamètre: 6 mm
Longueur: 5 cm
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ISL: Conception des senseurs
Masse totale250 g
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ISL: Capot de protection et stimuli pour tests au sol
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DEMETER SLP: Functional DiagramDEMETER ISL: Functional Block Diagram
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1 Hz sweep frequency128 sweep points 8 ms time steps.
Mode de balayage en tension des sondes de DEMETER
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ISL1_1
ISL1_2/3
ISL2
ISL3
Modes opérationnels des sondes DEMETER
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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 KaufmanChaque ligne verticale: variation de I en fonction de V; Haut: éch LIN; bas éch LOG
Temps en secondes
Pol
aris
atio
n+7
.5 V
-7
.5 V
Pol
aris
atio
n+7
.5 V
-7
.5 V
Vf
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Vérification de l’hystérésis en vol de ISL: Mode ISL3
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Mesures en labo ONERA, (Test Sonde MIP/Rosetta et ISL/Demeter):perturbation plasma
Courbes I-V (LP1)
Mesuredu Potentielflottant de LP2
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Mesures en vol: perturbation du potentiel du satellite: source d’interférences avec IAP (mesure
plasma) et ICE (mesure champ électrique)P
oten
tiel F
lotta
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LP2
LP1
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Mode ISL2: Analyse préliminaire montre une variation importante des paramètres du plasma en fonction du secteur
(sec) (sec)
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Sonde de Langmuir Cassini
Ø= 5 cm± 50 V
Lancé en 1997 5.7 T, > 7 m de hautMise en orbite autour de Saturne:2004Mission Nominale: 4 ansExtension à l’étude: > 2 ans
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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
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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
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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