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BepiColombo/DB-SC
Introduction
Le LPP fournit un capteur magnétique alternatif (ou fluxmètre) double bande mono-axe. Ce capteur magnétique associé à son électronique faible bruit et faible consommation sera intégré au magnétomètre alternatif tri-axe du satellite MMO de la mission Bepicolombo. L’instrument complet (SCM pour Search-Coil Magnetometer) est sous la responsabilité de l’Université de Kanazawa au Japon.
Equipe LPP
Science : F. Sahraoui, G. Chanteur, O. Le Contel
Capteur : M. Mansour, D. Alison
Segment sol : L. Mirioni
Publications significatives:
- C. Coillot, J. Moutoussamy and G. Chanteur, Principle of a dual-band search coil magnetometer: a new instrument to investigate magnetic fields fluctuation in space, IEEE SENSORS 2007 Conference, 10.1109/ICSENS.2007.4388553. Version courte
Objectifs scientifiques
Les principaux objectifs scientifiques sont :
la mesure du vecteur B des ondes électromagnétiques dans la bande BF (basses fréquences de 100mHz à 20kHz): c’est un diagnostic important de la dynamique du plasma
la mesure d’une composante des ondes électromagnétiques dans la bande HF (hautes fréquences de 10kHz à 640kHz): partie plus prospective pour détecter un possible rayonnement planétaire auroral et des ondes électromagnétiques de hautes fréquences dans le vent solaire en amont de la planète.
SCM est un fluxmètre tri-axe. Les deux composantes dans le plan de rotation de la sonde sont construites par l’Université de Kanazawa au Japon. Ils couvrent la bande BF. Le fluxmètre construit par le LPP, est parallèle à l’axe de rotation du satellite MMO, et couvre les bandes BF et HF.. Ce capteur magnétique associé à son électronique faible bruit et faible consommation sera intégré au magnétomètre alternatif tri-axe SCM. La numérisation de la sortie "BF" est réalisée par le module EWO de PWI (N.B. ce calculateur repose sur le même principe que l’instrument LFR proposé par le LPP pour la mission Solar Orbiter). La numérisation de la sortie "HF" est assurée par le récepteur de bruit thermique SORBET construit par le LESIA (Observatoire de Paris). Ce fluxmètre double bande est réalisé pour la première fois.
Description du magnétomètre
Le fluxmètre double bande permet de couvrir les mesures de champ magnétique dans une très large gamme de fréquence [100mHz à 640kHz]. Le principe et la modélisation du fluxmètre associé à son électronique faible bruit sont décrits ici
Le fluxmètre est réalisé à partir d’un noyau en matériau ferrimagnétique (Ferrite Mn-Zn) qui doit à la fois posséder une perméabilité relative initiale élevée (près de 3500) et un faible coefficient de champ démagnétisant. Pour ce faire, la forme du noyau ferromagnétique est optimisée de façon à maximiser l’amplification magnétique et minimiser la masse du capteur final. Un bobinage dit "BF" de près de 14000 spires de diamètre 70µm est réalisé autour du noyau ferrite (cf. Figure 1) pour mesurer les variations du champ magnétique dans la bande de fréquence de 100mHz à 20kHz.
- Figure 1. Search coil sensor with optimized magnetic core shape
La bande de fréquence du bobinage "BF" est limitée à 20kHz à cause de la résonance de celui-ci. En effet, au delà de la résonance du bobinage BF (qui apparait autour de 5kHz), le champ magnétique dans le noyau est annulé par le phénomène d’auto-induction. Toute se passe comme si la capacité du bobinage BF "court-circuitait" celui-ci, le courant circulant dans cette capacité s’oppose et compense alors exactement le champ magnétique à mesurer. Pour y remédier, un cylindre de ferrite, qualifié de "découpleur magnétique" est placé autour du bobinage BF offrant ainsi un chemin privilégié au champ magnétique de l’auto-induction (cf. Figure 2).
- Figure 2. Dual-band search coil magnetometer consists in two winding on a magnetic core separated by a cylindrical magnetic core (mutual reducer)
Ceci a pour effet de compenser le champ magnétique d’auto-induction en lui offrant la possibilité de se refermer à travers le découpleur magnétique (cf. Figure 3) et de rendre possible la mesure par un second bobinage dit "HF" placé autour de ce découpleur magnétique.
- Figure 3. Auto-induction magnetic field lines
La sortie "BF" mesure les champs magnétiques dans la gamme de fréquence 100mHz à 20kHz, tandis que la sortie "HF" mesure les fluctuations du champ magnétique de 10kHz à 640kHz. La numérisation de la sortie "BF" est réalisée par le calculateur de bord EWO réalisé par une équipe de scientifiques Japonais (N.B. ce calculateur repose sur le même principe que l’instrument LFR proposé par le LPP pour la mission Solar Orbiter). La numérisation de la sortie "HF" est assurée par le récepteur de bruit thermique SORBET mis au point par le LESIA.
Les matériaux magnétiques utilisés devant couvrir les gammes de température spécifique aux conditions de température extrêmes (-100°C à +200°C) des ferrites de perméabilité relative initiale élevée adaptées ont été conçu et réalisé au sein de l’équipe de R. Lebourgeois (Thalès Research & Technology).
Courbe de bruit en champ magnétique (NEMI) du fluxmètre double bande de la mission Bepicolombo
La courbe de bruit en champ magnétique (ou NEMI pour Noise Equivalent Magnetic Induction) est obtenue en mesurant le bruit en sortie de l’instrument (dans un environnement calme: site de l’Observatoire magnétique de Chambon la Forêt) puis en le divisant par la fonction de transfert de l’instrument.
Les performances de l’instrument en terme de NEMI (cf. Figure 4) permettent d’envisager la mesure de champ magnétique plus faible que 50 fT (dans une bande de 1Hz) dans la gamme de fréquence de 500Hz à 500kHz. La courbe de NEMI donne une idée du plus petit champ magnétique mesurable (dans une bande de fréquence normalisée de 1Hz).
- Figure 4. Noise Equivalent Magnetic Induction
Caractéristiques de l’instrument :
| Sensibilité à 10Hz | 2pT\sqrt{Hz} |
| Sensibilité à 100Hz | 0.2pT\sqrt{Hz} |
| Sensibilité à 1kHz | 0.02pT\sqrt{Hz} |
| Sensibilité à 100kHz | 0.008pT\sqrt{Hz} |
| Masse d’un capteur (avant enrobage) | 55gr (/capteur) |
| Masse du dispositif électronique (composants 3D+) | 70gr |
| Consommation de l’instrument | 200mW (sous +/-10V) |
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