Sonde à relaxation

Le sondeur à relaxation est un instrument actif composé d’un émetteur, d’un récepteur radio sensible, d’un analyseur de spectre et d’un contrôleur. Une antenne électrique, de type boule, est par ailleurs nécessaire pour la transmission et la réception des signaux dans une gamme de fréquence allant de quelques kilohertz (voire centaines de hertz) à plusieurs dizaines (voire centaines) de kilohertz, c’est-à-dire une bande de fréquence couvrant les fréquences caractéristiques de la composante électronique du plasma sondé, et en particulier la fréquence plasma. Comme cette fréquence dépend directement de la densité électronique, c’est-à-dire de la densité totale du plasma, le sondeur à relaxation est fréquemment embarqué pour estimer ce paramètre fondamental du plasma. Il y deux manières d’extraire la densité : à partir des résonances observées en mode actif, c’est-à-dire lorsque l’émetteur est activé, où à partir des signatures des ondes naturelles détectées en mode passif, lorsque l’émetteur est éteint et que le sondeur se comporte comme un récepteur radio classique.

PRINCIPE / REALISATION / PERFORMANCES

Le sondeur à relaxation fonctionne un peu à la manière d’un radar. Un train d’onde centré sur une fréquence est envoyé dans le plasma environnant pendant un temps très court (de l’ordre de la milliseconde, soit un ‘pulse’), pour éviter la saturation du récepteur, ce dernier est activé quelques millisecondes plus tard et capte les signaux émis par le plasma en réponse à cette excitation. Lorsque la fréquence centrale d’émission est proche d’une fréquence caractéristique du milieu, un signal intense pratiquement monochromatique est reçu, c’est une résonance de plasma. Ces résonances se produisent principalement à la fréquence plasma Fpe, la fréquence hybride haute Fuh, la fréquence cyclotronique des électrons Fce, et ses harmoniques nFce, et aux fréquences des modes de Bernstein Fqn. Pour chaque fréquence émise, une transformée de Fourier est appliquée à la forme d’onde du signal reçu dans toute la bande de fréquence de l’instrument (typiquement 0-100 kHz), et seules les raies (typiquement 6 raies) incluses dans la bande de fréquence d’émission (typiquement 1 kHz) sont retenues pour construire un spectre actif. La fréquence d’émission est alors incrémentée (typiquement d’un kHz) et un nouveau sondage est effectué, la transformée de Fourier est de nouveau appliquée à la forme d’onde du signal reçu, et de nouvelles raies vont compléter le spectre actif. Lorsque la bande de fréquence totale du sondeur est couverte (typiquement après une centaines de sondages), un spectre actif complet est obtenu. Les ressources de télémesure étant en général très limitées, seule une partie de l’information calculée à bord est transmise au sol, en particulier, on conserve les modules de l’analyse de Fourier.

En passif, lorsque l’émetteur est désactivé, il est inutile d’effectuer un balayage en fréquence, la résolution temporelle des mesures d’ondes naturelles est alors bien supérieure à celle des mesures actives, même si une moyenne de plusieurs spectres est calculée à bord, à nouveau pour des raisons d’économie de télémesure mais surtout pour réduire le niveau de bruit des mesures, dû en particulier à l’électronique. Il faut environ une seconde pour obtenir un spectre actif et quelques dizaines de millisecondes pour un spectre passif non moyenné. Les fréquences caractéristiques du plasma dépendant de la densité électronique Ne, mais aussi du module du champ magnétique B, ces deux paramètres peuvent être mesurés par le sondeur à relaxation. A ceci s’ajoute l’intensité de la composante électrique des ondes naturelles dans la gamme de fréquence de l’instrument.

Formules utiles :
Ne (cm^-3) = Fpe² (kHz) / 81
Fce (Hz) = 28 B (nT)
Fuh = (Fpe + Fce)^1/2
Fqn sont des fonctions de Fpe et Fce

Le sondeur à relaxation utilise le blindage extérieur des fils qui relient les sphères de l’antenne électrique au satellite comme émetteur et les sphères pour la réception des signaux excités par le plasma, en retour. Une analyse de Fourier des signaux reçus est effectuée à bord. Les raies dont la fréquence est comprise dans la bande de fréquence émise, délimitée par les traits rouges verticaux sont retenues pour construire le spectre actif

De bas en haut : spectrogramme du mode actif, spectrogramme du mode passif et champ magnétique. La courbe blanche est la fréquence plasma, Fpe déduite des résonances extraites en mode actif, et de la coupure basse des ondes mesurées en mode passif. Les traits verticaux montrent les frontières entre la magnétogaine (MSH), le cornet polaire (Cusp) et la magnétosphère (MSP)

HISTORIQUE / UTILISATION

Le sondeur à relaxation a volé à bord de GEOS 1 et 2, VIKING, ISEE 1 (satellite principal de la mission ‘International Sun-Earth Explorer’), ULYSSES et des quatre satellites de la mission CLUSTER (instrument WHISPER, Waves of HIgh frequency and Sounder for Probing of Electron density by Relaxation). Il a montré son efficacité dans des milieux très divers de la magnétosphère terrestre et du milieu interplanétaire (vent solaire).

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