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JUICE/RPWI-SCM

 Introduction

JUICE est une mission ESAconsistant en un satellite qui aura pour objectif d’étudier l’habitabilité des lunes de Jupiter. Le lancement du satellite est prévu pour 2022 et le trajet jusqu’à l’environnement de Jupiter doit durer plus de 7 ans. Le LPP fournit un magnétomètre à induction (ou fluxmètre) qui est une composante de l’instrument RPWI (Radio and Plasma Waves Investigation). Le magnétomètre à induction est construit en collaboration entre le LPP, le L2E, la DT-INSU et l’Université de Kanazawa au Japon.

 Equipe LPP

Scientifiques  : A. Retino, T. Chust
Ingénieurs  : M. Mansour, D. Alison
Informaticien  : R. Piberne

 Objectifs scientifiques

L’objectif fondamental de la mission JUICE sera de comprendre les conditions de la formation des planètes et de l’émergence de la vie.

 Description

Le magnétomètre à induction (ou SCM pour Search Coil Magnetometer) permet de couvrir les mesures de champ magnétique du Hz jusqu’à 20kHz. Le magnétomètre comprend 3 capteurs magnétiques orthogonaux qui seront placés sur un bras à 2m50 du corps du satellite de façon à minimiser les nuisances électromagnétiques provenant des autres instruments. Les capteurs devront fonctionner jusqu’à des températures de -200°C. Cette température de fonctionnement représente un défi technique.
Le principe et la modélisation des magnétomètres à induction est décrit ici

Le capteur magnétique inductif est réalisé à partir d’un noyau magnétique en matériau nanocristallin qui doit à la fois posséder une perméabilité relative initiale élevée (près de 40000), un comportement stable sur une large gamme de température (-200°C à +100°C) et un faible coefficient de champ démagnétisant (qui est le corrolaire d’une forte amplification magnétique). Un bobinage d’environ 8000 spires de diamètre 120µm est réalisé autour du noyau pour mesurer les variations du champ magnétique dans la bande de fréquence de 100mHz à 20kHz et atteindre un seuil de détection inférieur à 4fT/sqrt(Hz) à 4kHz. Les paramètres du bobinage et du noyau sont déterminés pour minimiser la masse du capteur.

Le capteur est associé à un amplificateur très faible bruit (4nV/sqrt(Hz) à 10Hz), faible consommation (15mW) et durci en radiation en technologie ASIC CMOS 0.35µm développé en collaboration avec le L2E. Il inclut une contre-réaction de flux qui permet d’éliminer l’effet de la résonance propre du capteur inductif. Il possèdera une régulation de tension sophistiquée (asservissement de tension de référence de type bandgap) qui garantit son immunité vis à vis des perturbations conduites et des variations de température. Une étude est menée pour utiliser ce circuit ASIC à des températures extrêmes (jusqu’à -200°C).

La numérisation de chacun des 3 axes est réalisé par le calculateur de bord réalisé par une équipe de scientifiques Tchèque (N.B. ce calculateur repose sur le même principe que l’instrument LFR proposé par le LPP pour la mission Solar Orbiter).

 Courbe de bruit en champ magnétique (NEMI) du magnétomètre à induction :

La courbe de bruit en champ magnétique (ou NEMI pour Noise Equivalent Magnetic Induction) présentée ci-dessous correspond à l’objectif de performance à atteindre par l’instrument pour remplir les objectifs scientifiques de la mission JUICE. La courbe de NEMI du SCM de JUICE a été superposée à celles d’autres instruments. Les performances de l’instrument en terme de NEMI permettent d’envisager la mesure de champ magnétique plus faible que 4fT (dans une bande de 1Hz) autour de 4kHz. La courbe de NEMI donne une idée du plus petit champ magnétique mesurable (dans une bande de fréquence normalisée de 1Hz).

 Caractéristiques de l’instrument :

Caractéristiques du magnétomètre à induction de la mission JUICE
Sensibilité à 10Hz 700fT\sqrt{Hz}
Sensibilité à 100Hz 70fT\sqrt{Hz}
Sensibilité à 1kHz 7fT\sqrt{Hz}
Sensibilité à 4kHz 4fT\sqrt{Hz}
Masse d’un capteur 120gr (/capteur)
Masse du dispositif électronique (ASIC) tbd gr
Consommation de l’instrument 400mW (sous GND/+8V)

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Tutelles : CNRS Ecole Polytechnique Sorbonne Université Université Paris Sud Observatoire de Paris Convention : CEA
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