mesures de sondes en plasmas naturels

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,

The [email protected]

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

nt

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

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