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MMS/SCM

MMS (Magnetospheric Multi-Scale) est une mission de la NASA constituée d’un ensemble de quatre satellites scientifiques dont le tir est prévu en 2015. Le LPP contribue à cette mission en fournissant un ensemble de 5 magnétomètres alternatifs triaxiaux (un magnétomètre par satellite plus un instrument de rechange). Cette contribution instrumentale, appelée SCM (pour search-coil magnetometer) a été labellisée par l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) comme service d’instrumentation des grands observatoires au sol et spatiaux (SO2).

Vous pouvez parcourir les aperçus des données SCM de la mission MMS sur notre site dédié

 Equipe LPP

Scientifiques : O. Le Contel
Ingénieurs en instrumentation : M. Mansour, D. Alison
Ingénieur en informatique : L. Mirioni

 Objectifs scientifiques

MMS s’inspire de la stratégie de mesures multipoints initiée par la mission Cluster, mais met en jeu une orbite différente : une orbite équatoriale, et vise à résoudre des échelles spatiales plus faibles, avec une résolution temporelle nettement améliorée pour les instruments particules, et des mesures 3D du champ électrique ; la mission Cluster n’ayant mesuré que deux composantes du champ électrique dans le plan perpendiculaire à l’axe de rotation du satellite. Les résolutions temporelles de tous les instruments (quelques dizaines de ms) et les distances inter-satellites (quelques dizaines de kilomètres) sont adaptées à l’étude de la dynamique des électrons. Le but est de comprendre comment s’effectue la reconnexion magnétique dans un plasma où les collisions sont si rares qu’elles ne peuvent assurer la dissipation et notamment de déterminer le rôle joué par les processus à l’échelle des électrons.

 Description d’ensemble

Le LPP fournit les capteurs magnétiques ou fluxmètres (Fig. 1) des 4 satellites (plus le modèle de rechange) ainsi que les pré-amplificateurs faible-bruit associés. C’est l’ensemble capteur magnétique+pré-amplificateur qui est désigné par magnétomètre alternatif (ou Search-Coil Magnetometer (SCM)).

Le principe et la modélisation du fluxmètre associé à son électronique faible bruit sont décrits ici

Le tri-axe SCM est constitué de trois capteurs maintenus par un support mécanique non métallique (Fig. 1). Ce support est conçu pour assurer un alignement précis des capteurs par rapport au repère du satellite. L’orthogonalité des trois axes mécaniques est vérifiée avec une précision meilleure ou égale à 0.05° de façon à satisfaire la spécification finale de +/- 1° entre les axes de SCM et ceux du satellites. Le tri-axe SCM est monté sur un mât de 5m, sur lequel est aussi monté un magnétomètre analogique basse fréquence (AFG pour analog fluxgate).

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Figure 1. MMS tri-axial search coil magnetometer

Ce mât se déploie après le lancement du satellite et permet d’éloigner les capteurs du corps du satellite où les signaux rayonnés par les autres instruments le perturberaient notablement. SCM est alors situé à 4m du corps du satellite et AFG occupe l’extrémité du mât. Le préamplificateur est fixé au pied du mât et il est relié à l’analyseur (DSP pour digital signal processor) qui numérise et analyse les trois signaux analogiques fournis par SCM. Une fois par orbite, l’analyseur envoie un signal de calibration aux trois antennes de SCM qui permet de vérifier la stabilité de leur réponse en fréquence. Enfin, une thermistance fixée sur le support des antennes fournit la mesure de la température du capteur.

Capteur

Le fluxmètre est réalisé à partir d’un noyau en matériau ferromagnétique qui doit à la fois posséder une perméabilité relative initiale élevée et un faible coefficient de champ démagnétisant. On peut comprendre ce coefficient de champ démagnétisant en considérant qu’il résulte de l’interaction de charges magnétiques fictives aux extrémités du noyau. On comprend alors que plus ces charges magnétiques seront distantes et plus leur influence sera faible et donc le champ démagnétisant petit (ce qui reviendrait à augmenter la longueur du noyau !). C’est pour réduire le coefficient de champ démagnétisant que des géométries évasées aux extrémités du noyau magnétique sont utilisées (Fig. 2).

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Figure 2. Ferrite core of the MMS sensor

Le capteur magnétique comporte ensuite un bobinage qui permet de mesurer la tension induite par la variation du flux du champ magnétique. Plus le nombre de spires est élevé plus la tension induite sera importante (Fig. 3)

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Figure 3. MMS sensor prototype: Length 100 mm, diameter 10mm, mass 15gr, 16000 loops

Ensuite, un bobinage secondaire avec un nombre plus faible de spires est ajouté pour produire un flux de contre-réaction qui stabilise la réponse en fréquence de l’antenne. En effet, ce circuit de contre-réaction permet de supprimer le comportement résonant du bobinage primaire, de lisser la réponse en phase et de réduire les variations dues aux variations de température.

Finalement, un blindage électrique est réalisé autour du capteur pour le rendre insensible au champ électrique. Ce blindage électrique est relié au blindage du câble qui est ensuite relié à la masse analogique de l’électronique de façon à ce que le blindage électrique soit connecté à un potentiel de référence. Ce blindage électrique est primordial puisqu’il importe que le capteur mesure bien du champ magnétique et pas autre chose (Fig. 4) !

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Figure 4. Electrostatic shielding around the sensor

Les matériaux magnétiques utilisés devant couvrir les gammes de température spécifique aux conditions de température extrêmes (-100°C à +80°C) des ferrites de perméabilité relative initiale élevée adaptées ont été élaborées par l’équipe de R. Lebourgeois (Thalès Research & Technology).

Ces différentes améliorations ont permis de réaliser un magnétomètre alternatif de sensibilité au champ magnétique légèrement moindre que celle des expériences précédentes (THEMIS, Cluster, etc...) mais bien plus court (10cm pour les capteurs search-coil de la mission MMS contre 27cm pour ceux de la mission CLUSTER) et beaucoup plus léger (3 à 4 fois plus léger que les capteurs réalisés précédemment).

Préamplificateur

Le préamplificateur SCM a été conçu au LPP et a été réalisé en utilisant une technologie tri-dimensionnelle d’empilements de circuits imprimés développée par la société française 3D+ (Fig. 5). Il possède deux étages d’amplification. Le premier étage est doté d’un faible bruit d’entrée et d’un gain de 46 dB. Le second étage possède un gain de 31.5 dB et permet de réaliser des filtrages analogiques en fréquence (passe-bas et passe-haut). Enfin, le préamplificateur intègre aussi un circuit de régulation des tensions d’alimentation et un circuit d’adaptation destiné à recevoir le signal de calibration en vol produit par le DSP.

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Figure 5. SCM Preamplifier

Signal de calibration en vol

Le signal de calibration est généré numériquement par un FPGA intégré au DSP. Il est filtré par un filtre passe-bas afin de le lisser. Il est injecté dans le bobinage secondaire du capteur. Ce signal est formé d’une courbe sinusoidale dont la fréquence double après quatre cycles de 0.125 à 4096 Hz. Ce signal peut ensuite être analysé pour corriger d’éventuels changements de la réponse en fréquence de l’instrument au cours de la mission.

 Courbe de bruit en champ magnétique (NEMI) du fluxmètre triaxial de la mission MMS

La courbe de bruit en champ magnétique est obtenue en mesurant le bruit en sortie de l’instrument dans un environnement calme (site de l’Observatoire magnétique de Chambon-la-Forêt). En divisant ce bruit en sortie par la fonction de transfert de l’instrument, on obtient la courbe de bruit en champ magnétique qui donne une idée des champs magnétiques mesurables (dans une bande de fréquence normalisée de 1Hz).

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Figure 6. Output noise (sensitivity) in magnetic field unit for each axis

 Caractéristiques de l’instrument

Caractéristiques du search coil magnétomètre de la mission MMS
Sensibilité à 10Hz 2pT/\sqrt{Hz}
Sensibilité à 100Hz 0.3pT/\sqrt{Hz}
Sensibilité à 1kHz 0.05pT/\sqrt{Hz}
Longueur capteur 10cm
Masse par capteur (avant enrobage) 15g (/capteur)
Masse du tri-axe (3 capteurs enrobés+support mécanique) 214g
Masse du dispositif électronique (composants+connecteurs+boitier) 206g (cube 3Dplus 37g)
Consommation de l’instrument 130mW

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