Réalisation du prototype AMBRE 2.0

Tête de mesure

Le premier travail réalisé sur la partie mécanique porte sur le design de la tête de mesure, qui contient le couvercle de l’instrument, les sphères de l’analyseur électrostatique, la carte front-end avec les détecteurs, les supports des détecteurs et la virole d’interface qui relie la partie cylindrique de l’instrument à la partie parallélépipédique, comme visible sur la Figure 115.
Les sphères et le couvercle ont été réalisés en suivant l’étude d’optique électrostatique présentée dans le second chapitre, en contrôlant que les tenues en tension entre les différentes pièces étaient respectées.
Les supports des détecteurs MCP ont aussi dû être réalisés pour permettre une tenue en tension suffisante, notamment à cause du changement ion/électron qui entraine une polarisation de l’anode et des grilles des détecteurs, qui est flottante. Le support des détecteurs (ou stack de MCP) présenté sur la Figure 116 est composé (de gauche à droite) : des bagues en époxy inférieures qui polarisent la sortie des MCP à la tension positive, des supports en ULTEM dans lesquelles reposent les MCP, de la première MCP, de « spacer » pour espacer les MCPs tout en assurant la continuité électrique, de la seconde MCP, d’appuis ressors, de ressors, des bagues en époxy supérieures qui polarisent l’entrée des MCP ainsi que la grille à des potentiels différents, de la grille et enfin de la fermeture sur laquelle s’appuient les vis de fixation.
La dernière pièce composant la tête de mesure est la virole d’interface qui fait la liaison avec le boitier électronique (EBOX). Les contraintes sur cette pièce sont la réduction de masse, la tenue mécanique et l’environnement spatial qui requiert un blindage minimum face aux particules énergétique qui peuvent traverser l’aluminium et entrainer du bruit sur les mesures. L’instrument AMBRE 2 n’ayant pas une orbite attribuée (elle sera fixée par le satellite sur lequel il est embarqué), deux versions d’AMBRE 2 ont été conçues sur CAO : une première version avec une épaisseur minimale avec des évidements d’un millimètre pour les missions nécessitant un faible blindage, et une autre version avec une épaisseur minimale de deux millimètres. La masse de chacune des versions est donnée dans le paragraphe V-2-3 : Caractéristiques mécaniques de l’instrument AMBRE 2.
La prochaine sous-partie traite du design de l’EBOX du prototype.

EBOX

L’EBOX a pour principal rôle de loger les cartes électroniques de l’instrument : la carte blindage, la carte de polarisation des MCP et ESA, la carte numérique et la carte d’alimentation. L’EBOX, comme présentée sur la vue éclatée de la Figure 117, se compose d’une pièce centrale en ‘U’ possédant des pieds de fixation. Elle a été conçue ainsi afin de réduire la masse de l’instrument, en supprimant des vis, et de deux panneaux latéraux qui se fixent sur le ‘U’ pour fermer l’instrument.
Les contraintes liées à la conception de l’EBOX sont, en premier lieu, les dimensions des cartes électroniques, qui mesurent 110 x 110 mm², et la tenue en tension nécessaire entre les cartes, qui conditionne la hauteur de l’EBOX. Une autre contrainte est la masse, qui doit être la plus faible possible, pour cela des évidements ont été réalisés sur les pièces qui ont un rôle limité sur la tenue mécanique de l’instrument. La dernière contrainte, qui fixe l’épaisseur d’aluminium à utiliser, est l’environnement spatial avec le blindage nécessaire qui dépend de l’orbite potentielle. Comme pour la tête de mesure, deux versions d’EBOX ont été conçues. Une première avec une épaisseur minimale avec des évidements d’un millimètre et une seconde avec une épaisseur minimale d’aluminium de deux millimètres.

Caractéristique mécanique d’AMBRE 2.0

L’instrument final est présenté sur les Figure 118 (vue de dessus) et Figure 119 avec une vue de dessus et en coupe. Les dimensions de l’instrument sont 131mm x131 mm en longueur et largeur avec une hauteur de 140mm. La masse estimée pour l’instrument complet avec une majoration de 20% est de 1395g pour la version avec une épaisseur minimale de 1mm et de 1475g pour la version avec une épaisseur minimale de 2mm.

Electronique et EGSE d’AMBRE 2

Architecture générale

L’électronique du prototype est composée de quatre cartes : (1) la carte front end avec l’ASIC qui a été présentée dans le chapitre III, (2) la carte de polarisation de l’analyseur et des détecteurs qui a été présentée dans le chapitre IV, (3) une carte numérique qui sert d’EGSE (Electrical Ground Support Equipment) pour la calibration et (4) une carte alimentation qui fournit les basses tensions intermédiaires nécessaires pour faire fonctionner le FPGA et l’ASIC. La Figure 120 illustre les interactions entre chacune des cartes. La carte numérique permet de configurer les hautes tensions (avec les tensions de références) et de mesurer les tensions de sorties (avec les HK) et permet aussi de configurer l’électronique front end avec la liaison SPI et de mesurer les taux de comptages sur chacune des voies. Les données reçues par le FPGA sont ensuite transmises au PC via une liaison série RS232 qui permet aussi le contrôle de l’instrument.

Développement de l’EGSE

L’EGSE (Electrical Ground Support Equipment) d’AMBRE a pour but de contrôler l’instrument lorsqu’il sera dans le banc à vide lors des calibrations, d’une part, mais aussi de récupérer les acquisitions pour pouvoir le calibrer. L’EGSE se compose de la carte numérique, avec un FPGA qui est logé dans l’instrument pour le piloter, et d’un programme qui est exécuté sur le PC du banc de calibration et qui sert d’interface entre l’instrument et l’utilisateur.

Carte numérique

La carte numérique sert d’interface entre l’instrument et le PC. Pour cela elle doit pouvoir contrôler les cartes HT et front end. Le synopsis de la carte numérique et ses liaisons avec les cartes HT et front end est présenté sur la Figure 121. Le contrôle de la carte HT, comme présenté dans le chapitre IV, se fait à travers trois tensions analogiques de référence (une pour la polarisation des détecteurs et deux pour la polarisation de l’analyseur électrostatique) qui est réalisé ici avec des DAC (Digital to Analog Converter) 12 bits et à travers trois signaux logiques TTL (un pour le choix du type de particule ion/électron et deux signaux on/off pour l’activation des oscillateurs) qui est généré à l’aide de trois buffers.

IHM : EGSE

L’interface graphique développée permet d’une part de piloter l’instrument mais aussi de l’étalonner avec des modes préconfigurés. L’IHM se compose de quatre onglets, le premier onglet sert à caractériser la partie front-end de l’instrument (comme visible sur la Figure 122). Elle utilise la méthode qui est présentée dans le prochain chapitre et qui consiste à mesurer le taux de comptage en fonction du seuil. Cet onglet permet de visualiser les données en direct, afin de relancer une acquisition en cas de problème avant d’enregistrer les données dans un fichier texte.

Caractérisation de l’instrument sur paillasse

La caractérisation du prototype sur paillasse a pour but de caractériser les circuits de polarisation et la carte front end.

Caractérisation des circuits hautes tensions

La caractérisation des circuits de polarisation a pour but de déterminer les relations entre les valeurs binaires envoyées au DAC et les niveaux de tension de sorties, d’une part, mais ces mesures permettront aussi de connaitre les performances de l’instrument : dynamique de mesure et plage d’énergie mesurable en particulier.

Comportement statique

La caractérisation statique se fait en mesurant les tensions de sorties de chacune des HT pour différentes consignes des DAC sur toute la plage de fonctionnement. La Figure 126 montre la caractérisation statique obtenue pour la HT flottante qui polarise les MCP, avec une charge résistive de 50MΩ modélisant les détecteurs. Cette figure montre que l’instrument est capable de fournir des tensions supérieures à 3200 V qui répondent aux besoins pour l’alimentation des détecteurs (les tests sur paillasse n’ont pu être effectués avec des niveaux de tension supérieurs à cause du risque de claquage plus important à l’air ambiant que sous vide).
La première remarque qui peut être faite sur les niveaux de tensions minimaux porte sur l’écart entre les configurations « ions » et « électrons », où les performances sont meilleures pour le cas des électrons.
Cela s’explique par l’activation d’un AOP supplémentaire pour la mesure des ions, qui a pour rôle d’inverser le signe de la tension de référence fournit par le DAC, mais qui a aussi pour défaut d’ajouter un léger offset sur la tension de référence envoyée au circuit de polarisation.
Avec un facteur k de 9.2, il est possible d’en déduire les niveaux d’énergie minimaux pour l’instrument qui est de 62 eV pour la mesure des ions positifs et 34 eV pour celle des électrons.
Remarque : Ces énergies minimales sont un peu trop hautes dans un contexte de mesure de la charge du satellite (qui est le plus souvent en deçà de 62 eV). Il est possible de réduire les niveaux d’énergie minimaux en modifiant le circuit de régulation des HT de façon à avoir un rapport plus faible entre la tension de consigne appliquée et la tension de sortie (haute tension) délivrée. Ainsi pour une même consigne minimale délivrée par la partie numérique, la tension appliquée sur les sphères sera plus faible. Mais cela a pour effet d’augmenter l’encombrement de la carte haute tension.

Comportement dynamique

La caractérisation dynamique a pour but de déterminer les temps de transition de l’instrument (temps mort entre la mesure des ions et des électrons, et inversement), qui permettront d’avoir un indicateur sur la résolution temporelle maximale de l’instrument.
La caractérisation du plasma en vol se fait en balayant la tension d’analyseur (Utop et Uan) sur toute la plage d’énergie avec des plateaux de largeur égale à la durée d’acquisition du taux de comptage pour chacune des énergies. L’instrument AMBRE 2 mesurant les ions et les électrons de manière alternée, le balayage des tensions à appliquer en vol est du même type que celui présenté sur la Figure 127. Cette figure montre un exemple de chronogramme qui pourrait être utilisé par AMBRE 2 en vol. Lors de la mesure des électrons, la tension de l’analyseur fait un balayage de tension positive avec les détecteurs configurés en mode « électron » (activation de l’offset), et lors de la mesure des ions, le balayagedel’analyseur se fait avec des tensions négatives et les détecteurs en mode « ion » (offset désactivé).

Caractérisation de la carte front end

L’objectif de cette caractérisation est de compléter celle réalisée dans le chapitre III avec la mesure du gain de conversion de chacune des voies de l’ASIC (relation entre valeur binaire DAC et charge minimale détectable) et la caractérisation de la diaphonie éventuellement présente sur la carte front end. Gain de conversion de l’ASIC La mesure du gain se fait à travers le relevé de deux S-curve pour des niveaux de charge injectée différents pour les 16 voies. Les courbes obtenues pour l’anode 1 sont tracées sur la Figure 130. La relation est la suivante entre la charge minimale détectable et la valeur de seuil :