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EPT – Spectromètre de Particules Energétiques

L’EPT (Energetic Particle Telescope – en anglais), spectromètre de particules énergétiques, est un appareil conçu pour mesurer les particules chargées légères (les électrons, les protons et l’hélium) de hautes énergies présentes dans l’espace cosmique, notamment dans les ceintures de radiation , et dans les zones polaires en cas d’éruptions solaires. Mais cet appareil peut aussi être utilisé pour mesurer les mêmes radiations ionisantes dans les autres endroits.

Le spectromètre a été développé sous contrat avec l’ESA par un consortium composé du Centre des Radiations Spatiales (CSR – Center for Space Radiations) de l’Université Catholique de Louvain – UCL (Belgique), de l'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique – IASB, de Qinetiq Space (Belgique), et dans les premières phases de développement de l’Aboa Space Research Oy (Finlande).

L’appareil, construit pour la mission à bord de PROBA-V, est capable de mesurer les électrons (0.5 – 20 MeV, 7 canaux en énergie), les protons (9.5 – 300 MeV, 11 canaux), et les ions d’hélium (38 – 1600 MeV, 11 canaux). Il est composé d’un empilement de senseurs au silicium et d’absorbeurs. Les particules sont identifiées selon leur profondeur de pénétration et leur dépôt d’énergie dans les deux premiers senseurs, et donc les spectres enregistrés sont libres de contamination inter-espèce. L’angle de champ de vue est défini par les détecteurs et le système d’anti-coïncidence, et est au maximum 52°. L’EPT est aussi compact et non-énergivore par rapport à sa performance (127.5 x 162 x 211.5 mm³, 4.6 kg, 5.6 W).

L’appareil a été lancé à bord du satellite belge PROBA-V le 7 mai 2013 en orbite terrestre basse (Low Earth Orbit (LEO) en anglais) d’élévation de 820 km et d’inclinaison de 98.7°, et il continue de fournir des données aujourd'hui. Les données sont téléchargées à Redu (Belgique) et ensuite transférées à l’UCL, via B.USOC, pour l’élaboration, l’analyse scientifique et la distribution. Elles sont utilisées par exemple dans le Space Situational Awareness Programme de l’ESA.

Introduction

Les satellites à proximité de la Terre ou dans l’espace lointain, sont exposés aux radiations très différentes, qui peuvent être très intenses à certains endroits ou pendant certains périodes de temps et, en conséquence, dangereuses pour les appareils eux-mêmes et les éventuelles personnes à bord. Cette radiation inclut des particules chargées de vaste gamme en énergies.

Pour améliorer la compréhension des conditions d’opération en fonction de l’orbite, des études de l’environnement avec différents détecteurs sont faits. Dans le cas des particules chargées de hautes énergies, on utilise les moniteurs et les spectromètres de radiation. Les moniteurs de radiation sont normalement plus légers, compacts et ont une faible consommation, mais l’analyse des données de ce type de détecteurs est souvent difficile, notamment en raison de champ de vue pas bien défini et de contamination inter-espèce. Les spectromètres de radiation (les instruments de class science) n’ont pas des graves problèmes de contamination ou de champ de vue, mais normalement ont une structure plus complexe, un poids plus élevé et une consommation d’énergie plus haute.

Le spectromètre de particules énergétiques EPT a été développé pour offrir les performances d’un spectromètre, mais avec la demande des ressources des monitors de radiation de l’époque 2000 – 2010. Il utilise le concept innovait décrit dans . 

La description détaillée

Le spectromètre de particules énergétiques EPT est un appareil modulaire et facilement reconfigurable. Pour expliquer son fonctionnement, on va prendre comme exemple le modèle produit pour la mission sur le satellite PROBA-V. Il est composé de 23 détecteurs à semi-conducteur et 9 absorbeurs d’aluminium ou de tungstène, on peut voir l'illustration ici. Le premier senseur (composé des détecteurs S1 et S3) et le deuxième (S2) fournissent l’amplitude de signal laissé par la particule (mode analogique), qui permet au circuit de gestion de l’appareil (FPGA) de classifier la particule arrêtée à une certaine profondeur connue. Les senseurs suivants installés dans les DAMs (Digital and Absorber Module, D1 – D10) sont composés chacun d’un détecteur central nécessaire pour déterminer la profondeur de pénétration de la particule (point d’arrêt), et un autre  détecteur circulaire externe d’anticoïncidence (pour écarter les particules qui sortent du champ de vue de l’appareil). Ces senseurs ne peuvent donner le signal de déclenchement que si le dépôt de l’énergie est plus haute que le seuil de détection imposé, et donc il n’y a pas informations sur l’amplitude du signal (mode digital). 

Le premier senseur est composé de deux détecteurs (S1 et S3) pour pouvoir mesurer les flux des particules très hautes (10⁷ particules/(cm²s)), car le surface de S1 est beaucoup plus petite que celle de S3 (l’EPT installé à bord de PROBA-V a un rapport de surface entre S3 et S1 égal à 100), et donc n’être pas saturée si S3 entrera déjà dans le mode non-linéaire. Les détecteurs installés dans les DAMs sont précédés par un absorbeur pour augmenter d’un ordre de magnitude la plage des énergies qui peuvent-être mesurés par le spectromètre.

L’EPT exige au moins une coïncidence des signaux des deux premiers senseurs. L’amplitude de ces signaux est aussi utilisée pour identifier les particules et les classer dans un des canaux physiques du spectromètre. Les évènements qui ont donné les signaux dans S1/S3 et S2 et rien dans les D1 – D10, AC1 – AC10 sont classés dans la Section des Basses Energies (LES – Low Energy Section) où, grâce à la distinction d’amplitudes dans S2, il est possible d’avoir plusieurs canaux physiques. Les particules qui s’arrêtent dans un des détecteurs D1 – D10 (donc qui laissent une séquence continue de signaux dans ces détecteurs) sans avoir laissé aucun signal dans les détecteurs AC, sont classées dans la Section des Hautes Energies (HES – High Energy Section) et le canal physique est déterminé selon le dernier détecteur Dx touché.  

La version de l’EPT installé à bord du satellite PROBA-V

Pour couvrir avec une bonne résolution la gamme en énergies des protons intéressante du point de vue scientifique (>100 MeV), l’épaisseur des absorbeurs est ajustée. Les canaux virtuels ou énergétiques (VCs – Virtual Channels, en anglais) pour toutes les particules sont présentés dans le Tableau 1. Les flux dans les VCs sont obtenus à partir des comptages dans les PCs, en utilisant une méthode de déconvolution . 

Tableau 1. La definition des canaux de PROBA-V/EPT.

VC	Limites des canaux (in MeV) pour
	Électrons		Protons		Hélium
	inf	sup	inf	sup	inf	sup
1	0.5	0.6	9.5	13	38	51
2	0.6	0.7	13	29	51	116
3	0.7	0.8	29	61	116	245
4	0.8	1	61	92	245	365
5	1	2.4	92	126	365	500
6	2.4	8	126	155	500	615
7	8	~20	155	182	615	720
8			182	205	720	815
9			205	227	815	900
10			227	248	900	980
11			248	~300	980	~1600

 

Le spectromètre EPT a été installé sur le satellite PROBA-V et lancé en orbite LEO (altitude 820 km, inclinaison 98.7° et le temps local sur le nœud descendant 10:30 – 11:30) le 7 mai 2013. Le satellite PROBA-V appartient à la famille des satellites légers (~100 kg) stabilisés sur 3 axes, PROBA, développés par Qinetiq Space. L’appareil principal à bord est l’instrument VEGETATION qui est utilisé pour photographier la surface de la Terre afin d’étudier l’évolution de la végétation, et l’EPT est un des équipements de démonstration technologique. Le satellite est contrôlé depuis le Centre de Contrôle des Missions satellitaires de l’ESA à Redu – ESEC (Belgique). Les données de l’EPT sont aussi transmises à Redu.

Le champ de vue du spectromètre est normalement orienté de telle manière à ce qu’il permette de mesurer les flux des protons dans l’Anomalie de l’Atlantique Sud autour de l’angle d’attaque (pitch-angle en anglais]) de 90°. Il regarde vers l’Ouest durant le jour et vers l’Est durant la nuit, et cette alternation naturelle d’azimut permet d’observer l’asymétrie Est-Ouest. 

Normalement, les données de l’EPT sont téléchargées 3 fois par jour à Redu, d’où elles sont copiées chez B.USOC, pour faire la première validation et la préparation pour l’extraction des flux. Si le fichier est accepté par l’opérateur, il est transféré à l’UCL/CSR pour le traitement futur. De là, les données sont distribuées pour l’analyse scientifique et l’élaboration des produits de plus haut niveau, comme par exemple les modèles statiques de radiation dans l’espace cosmique et la caractérisation de dynamique des ceintures de radiation. En particulier, les données de l’EPT sont utilisées dans le projet SSA-SWE de l’ESA Space Situational Awareness Programme.

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