Sonde à impédance

La sonde à impédance mutuelle utilise le couplage entre deux dipôles de Hertz, un dipôle d’émission et un dipôle de réception. Contrairement au sondeur à relaxation l’acquisition de la forme d’onde du signal reçu se fait pendant l’émission. De même le niveau du signal appliqué au dipôle d’émission est de l’ordre du volt comparé aux 30-100 volts émis par un sondeur. Le but est ici de forcer le couplage entre l’antenne électrique et le plasma et pas d’exciter des ondes dans le plasma. Connaissant la valeur du courant, I, injecté dans le plasma, il suffit de mesurer la différence de potentiel, V, entre les deux électrodes du dipôle de réception à l’aide d’un voltmètre à très haute impédance d’entrée. Le rapport Z = V / I n’est autre que l’impédance mutuelle du système composé par la sonde à impédance et le plasma. A partir des parties réelles et imaginaires de Z on calcule le module et la phase qui sont des fonctions de la densité et de la température du plasma. En mode passif, lorsqu’aucun signal n’est appliqué au dipôle d’émission, la sonde se comporte comme un récepteur radio, ce qui permet d’analyser la composante électrique des ondes naturelles dans la gamme de fréquence de l’instrument.

PRINCIPE / REALISATION / PERFORMANCES

En guise d’exemple, la sonde à impédance mutuelle, MIP qui est à bord de ROSETTA consiste en : une carte d’électronique (470 g, 247 mm x 147 mm, 1.9 W pic) pour la gestion de l’instrument, la mise en forme et le traitement des signaux (émis et reçus), et le calcul de la transformée de Fourier des signaux reçus de 7 kHz à 3.5 MHz ; et un capteur électrique léger (370 g). Les électrodes sont alignées et constituent un dipôle de réception (à l’extérieur) et un dipôle d’émission (à l’intérieur) supportés par un barreau cylindrique en fibre de carbone de 103.5 cm de long et de 2 cm de diamètre.
Si les électrodes d’émission sont placées suffisamment loin de celles de réception, la différence de potentiel V mesurée entre les électrodes de réception est indépendante des perturbations dues aux gaines d’ions qui se forment autour des électrons. C’est un des avantages majeurs des sondes quadripolaires. La distance entre les électrodes d’émission et de réception doit par contre être supérieure à deux fois la longueur de Debye du plasma, la longueur minimale pour qu’un ensemble de particules chargées se comporte de façon collective et constitue ainsi un plasma et pas un simple gaz ionisé. Pour mesurer des plasmas de longueurs de Debye plus grandes que la moitié de la distance émission/réception de la sonde il suffit d’utiliser un émetteur supplémentaire, par exemple une électrode dédiée ou une sonde de Langmuir située le plus loin possible de la sonde quadripolaire. A bord de ROSETTA, la sonde de Langmuir située à environ 4 m de MIP est ainsi utilisée pour mesurer des plasmas de longueur de Debye allant jusqu’à 2 m environ.

A droite : Principe général de la sonde à impédance mutuelle. A gauche : Carte électronique et capteur électrique de l’expérience MIP à bord de la sonde cométaire ROSETTA

HISTORIQUE / UTILISATION

La technique de sonde à impédance mutuelle, et plus particulièrement celle de sonde quadripolaire, est utilisée depuis de nombreuses années dans l’espace. Il y a eu les tirs de fusées puis l’utilisation de satellites, tels que GEOS 1 et 2, ARCAD/AUREOL 3, VIKING et MARS96. Des mesures d’impédance ont ensuite été réalisées à bord de la sonde CASSINI/HUYGENS dans l’environnement de Titan, une des lunes de Saturne. Enfin une sonde à impédance mutuelle, MIP (‘Mutual Impedance Probe’) est à bord de la mission cométaire ROSETTA.

En haut, à droite : Spectre typique (module et phase de Z en fonction de la fréquence) mesuré par ROSETTA/MIP dans la plasmasphère terrestre. A gauche, de haut en bas : phase et module de Z en fonction de la fréquence et du temps. Les fréquences de plasma caractéristiques sont indiquées par les flèches et les courbes

EVOLUTION

Par rapport à MARS96, la sonde à impédance mutuelle MIP de la mission ROSETTA est plus performante, les masses de l’électronique et du capteur ont été réduites d’un facteur deux, voire plus, il en est de même de sa consommation. Avec l’expérience AM2P (‘Active Measurement of Mercury’s Plasma’) de la mission BepiColombo/MMO (‘Mercury Magnetospheric Orbiter’) et la proposition MIME (‘Mutual Impedance MEasurements’) dans le cadre du projet JUICE (‘JUpiter ICy moons Explorer’) du programme ‘Cosmic Vision de l’ESA’, la tendance est à l’intégration poussée au niveau électronique et le partage de différent éléments faisant partie d’un consortium.

Ces éléments peuvent être l’antenne électrique, la chaîne d’acquisition (filtrage, numérisation), voire les moyens d’analyse pour finalement faire des mesures d’impédances propre et mutuelle et contribuer aux calibrations en vol de plusieurs capteurs, électriques et magnétiques. Les deux contributions, AM2P et MIME s’articulent autour d’un module d’électronique comprenant un synthétiseur numérique de nouvelle génération et des éléments de gestion de l’expérience (télécommandes, synchronisation, …), un logiciel d’analyse implanté dans le calculateur de bord. La conséquence est le nombre accru d’interfaces à gérer et des modes de fonctionnement partagés qui limitent les capacités de l’instrument.

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