Principes de base de l’optique électrostatique

Principes de base de l’optique électrostatique

Dans un spectromètre plasma, une différence de potentiel électrique est appliquée entre deux électrodes. La géométrie des électrodes diffère selon les applications et elle est généralement sphérique, cylindrique, ou torique.

Le spectromètre plasma de type « top-hat »

Le modèle d’analyseur plasma qui est aujourd’hui le plus souvent implémenté sur les missions scientifiques spatiales (Cluster (Johnstone et al. 1997), FAST (Carlson et al. 2001), THEMIS (McFadden et al. 2008), Wind (Ogilvie et al. 1993) et bientôt sur la mission Bepi-Colombo (Delcourt et al. 2009)), est basé sur un concept développé dans les années 1980 par C. W. Carlson (Carlson et al. 1983) et appelé « top-hat » de par la forme en chapeau haut de forme de l’analyseur.

L’analyseur est constitué de deux électrodes sphériques, empilées concentriquement, auxquelles est appliquée une différence de potentiel qui permet de créer un champ radial. Les particules entrant dans l’analyseur sont alors défléchies par le champ, et lorsqu’elles possèdent une énergie et des valeurs d’angles azimutal (Δθ) et polaire (Δψ) correspondant aux acceptances de l’instrument, elles atteignent le détecteur placé en sortie de l’instrument. lorsque les particules ont un rapport énergie/charge électrique trop ou pas assez élevé, elles ne sont pas assez ou trop défléchies et sont alors perdues après collision sur les parois des électrodes. L’analyseur possède un axe de symétrie de révolution et couvre un champ de vue de 360°xΔψ où l’acceptance polaire Δψ vaut généralement environ 5°. Très souvent, pour des questions d’implantation sur la plateforme satellitaire, le champ de vue du « top-hat » est limité à 180°xΔψ (Johnstone et al. 1997), (Carlson et al. 2001). On parle alors de demi « top-hat ». Les particules sont localisées dans la dimension azimutale grâce au détecteur, dont chaque pixel correspond à un angle d’arrivée particulier. Un tel instrument permet l’analyse de fonctions de distribution de particules dont l’énergie/charge est comprise entre quelques eV et quelques dizaines de keV. Pour de nombreuses missions, l’analyseur plasma de type « top-hat » est également utilisé comme optique d’entrée des spectromètres de masse ionique à temps de vol (Rème et al. 1997), (Klumpar et al. 2001). Le développement d’une nouvelle optique électrostatique peut être la première étape dans la conception d’un nouveau spectromètre de masse ionique dont l’analyseur en énergie constitue l’une des sous parties.

Limitations du « top-hat »

Malgré les grandes qualités de focalisation de cette optique, celle-ci présente de fortes limitations de par son champ de vue 2D puisque,  le champ de vue dans la dimension polaire est limité à quelques degrés. La mesure d’une fonction de distribution à trois dimensions par un instrument du type « top-hat » n’est pas possible instantanément. En plus du balayage en énergie, une mesure sur les 4π str de l’espace des vitesses n’est réalisable que grâce à la rotation éventuelle du satellite autour d’un axe référence, ce qui permet alors une analyse complète des angles polaires. Cette limitation est une contrainte forte puisque, de ce fait, la résolution temporelle de l’analyse de la fonction de distribution à trois dimensions est intimement liée à la période de rotation de la plateforme du satellite (Young et al. 2004).

On pourrait penser réduire la période de rotation afin d’obtenir une meilleure résolution, mais ce serait ne pas prendre en compte les contraintes de stabilité du satellite et la présence des autres instruments sur celui-ci. En effet, la stabilité de la plateforme mise en rotation dépend en partie de la longueur des antennes qui sont déployées pour réaliser les mesures de champ magnétique et de champ électrique. Notamment, l’antenne mesurant le champ électrique le long de l’axe de rotation doit être courte si l’on souhaite maintenir une période de rotation de quelques secondes seulement. Or, plus sa longueur est faible, plus les mesures de champ électrique seront perturbées par le satellite. En effet, dans l’espace, un satellite se charge par rapport au plasma ambiant avec des variations importantes dues au flux de photo électrons, qui dépendent notamment du flux UV et du flux de particules énergétiques. Comme pour tout objet immergé dans un plasma, un effet de gaine autour du satellite se forme à l’échelle de la longueur de Debye, qui à titre d’exemple, est de l’ordre de 10 mètres dans le vent solaire à une unité astronomique. Une longueur d’antenne trop faible fournit une mesure du champ électrique moins précise, comme c’est le cas pour les mesures réalisées par les instruments ondes de la mission THEMIS (Bonnell et al. 2008), (Angelopoulos 2008). On est donc amené à rechercher un compromis entre la qualité des mesures de champ et la résolution temporelle des mesures de particules, ce qui s’est traduit dans le passé par des périodes de rotation des satellites de quatre secondes typiquement (Johnstone et al. 1997), (Carlson et al. 2001), (Scudder et al. 1995). Etant donné la vitesse des satellites de 5-10 km/s, et sans prendre en compte le mouvement de convection du plasma, cela rend difficile l’analyse des phénomènes à l’échelle électronique (<10 km).

Variations autour du concept de « top-hat »

On peut optimiser la disposition des instruments à champ de vue 2D sur les plateformes en plaçant deux demi « top-hat », de telles sortes qu’ils pointent dans des directions opposées, comme par exemple pour l’instrument électron de la mission Cluster (Escoubet et al. 1997). Il est ainsi possible de réduire la résolution temporelle de T à T/2 (où T est la période de rotation du satellite).  des déflecteurs électrostatiques peuvent aussi être ajoutés à l’entrée de l’instrument afin d’augmenter son champ de vue dans la dimension polaire de Δψ=5° à Δψ= ±60°, comme pour l’instrument SWEA de la mission Stereo (Sauvaud et al. 2008).

Un spectromètre de ce type doit effectuer, en plus du balayage en énergie, un balayage des angles polaires. Le taux de comptage limité de l’instrument implique un temps de mesure dédié, à un angle solide donné, ce qui impose une résolution temporelle minimum. Ces dispositifs électrostatiques sont aussi plus gourmands en puissance dissipée de par le balayage rapide imposé au système de hautes tensions. Enfin, la déflection de particules de plusieurs dizaines de keV est difficilement possible avec ces déflecteurs car la tension qui doit leur être appliquée est une fraction significative du rapport énergie/charge de la particule à analyser: à titre d’exemple, le dispositif présent sur SWEA permet d’augmenter considérablement le champ de vue dans la dimension polaire (±60°), mais l’analyse en énergie est limitée à des électrons de 3 keV (Sauvaud et al. 2008). Si cette limite peut suffire pour l’étude des électrons du vent solaire, il n’en n’est pas de même pour les missions magnétosphériques où l’on cherche à analyser des particules ayant des énergies de l’ordre de 30 keV. Ajoutons également que l’implémentation de déflecteurs en entrée d’une optique électrostatique de type « top-hat » dégrade la focalisation des particules dans la dimension azimutale.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : CONTEXTE SCIENTIFIQUE
I – La magnétosphère terrestre
1.1 La turbulence plasma
1.2 La reconnexion magnétique
1.3 Le choc d’étrave
1.4 Synthèse
II – Les régions aurorales de l’environnement terrestre
III – Les environnements planétaires
CHAPITRE II : LES SPECTROMETRES PLASMA
I – Principes de base de l’optique électrostatique
II– Caractéristiques d’un spectromètre plasma
III– Etat de l’art
3.1 Le spectromètre plasma de type « top-hat »
3.2 Limitations du « top-hat »
3.3 Variations autour du concept de « top-hat »
3.4 Concepts d’analyseurs 3D existants et leurs limitations
3.5 Conclusion
CHAPITRE III : DEVELOPPEMENT D’UNE OPTIQUE A CHAMP DE VUE HEMISPHERIQUE
I – Concept optique
II – Présentation du modèle numérique
III – Etude du concept en géométrie cylindrique à 2D
3.1 Elimination des UV
3.2 Contrôle du champ de vue dans la dimension polaire
3.3 Conclusion sur l’étude du concept en géométrie cylindrique
IV – Modèle toroïdal simple
4.1 Présentation du modèle
4.2 Performances optiques du modèle
4.3 Synthèse
V – Optimisation du modèle et étude paramétrique
5.1 Etude de l’influence du grand rayon du tore Ra sur les performances optiques
5.2 Perte de particules vers les secteurs adjacents
VI – Modèle toroïdal avancé
6.1 Implémentation des cloisons
6.2 Implémentation de diaphragmes à l’entrée des canaux
6.3 Synthèse des résultats pour le modèle final
VII – Modèle mécanique
CHAPITRE IV : PROCEDES DE METALLISATION DES PLASTIQUES
I – Métallisation des plastiques
1.1 Préparation de la surface et activation du polymère
1.2 La métallisation
1.3 Choix du type de procédé de métallisation
II – Présentation du procédé de métallisation mis en place
2.1 Généralités sur la chimie de la métallisation « electroless » 87
2.2 Choix du plastique utilisé et du métal déposé
2.3 Description détaillée du procédé utilisé
III – Validation expérimentale du procédé de métallisation
3.1 Nettoyage aux ultrasons
3.2 Traitement plasma
3.3 Greffage des ions palladium
3.4 Réduction du palladium ionique à l’état de palladium métallique
3.5 Métallisation « electroless »
CHAPITRE V : METALLISATION SELECTIVE DES PLASTIQUES
I – Objectifs de la métallisation sélective
II –Recherche d’un procédé de métallisation sélective adapté
2.1 Spécificités de notre problème
2.2 Métallisation sélective par modification du potentiel de surface
2.3 Métallisation sélective par greffage direct de palladium en solution
2.4 Métallisation sélective après ablation de palladium déposé par spin-coating
III – Présentation du procédé de métallisation sélective mis au point
3.1 Adaptation du procédé de métallisation « electroless »
3.2 Choix du type de rayonnement UV utilisé
3.3 Effet de seuil dans l’ablation du palladium par laser
IV – Dispositif expérimental
4.1. La source laser
4.2. Mesure de l’énergie et du profil du faisceau laser
4.3 Eléments opto-mécaniques et système de visualisation
V – Schéma du banc optique
5.1 Présentation générale du banc optique
5.2 Choix des éléments optiques
5.3 Simulation optique
5.4 Validation du banc expérimental
VI – Résultats
6.1 Métallisation sélective
6.2 Réalisation de pistes de largeurs variables
6.3 Tests de claquage à haute tension
CHAPITRE VI : POLARISATION DE L’OPTIQUE ELECTROSTATIQUE
I – Polarisation des parties métallisées de l’optique
1.1 Présentation du problème
1.2 Solutions envisagées
II – Ablation en profondeur d’un polymère par laser excimère
2.1 Interprétations physico-chimiques
2.2 Lois empiriques
2.3 Application au cas de l’ablation d’Ultem par un laser XeCl
III – Conception du banc optique d’ablation laser
3.1 Principe de l’homogénéisation du faisceau laser
3.2 Intégration du système d’homogénéisation du faisceau au banc
3.3 Modélisation des performances du banc optique
CONCLUSIONS

Télécharger le rapport complet