17 Mars 2015

Expérience CAPS

L'expérience CAPS (Cassini Plasma Spectrometer, http://caps.space.swri.edu/), à bord de l'orbiteur de Saturne du projet Cassini, comprend trois détecteurs plasma :

  • Le spectromètre de masse IMS (Ion Mass Spectrometer) qui permet de déterminer la masse des ions détectés et, par conséquent, de remonter à la composition du plasma magnétosphérique. IMS est constitué de deux parties principales. La première est un analyseur électrostatique multidirectionnel qui permet de sélectionner l'énergie des ions analysés par l'instrument entre ~1 et ~40 keV avec une résolution de ~8% et permet aussi de connaître leur distribution angulaire sur un champ de vue instantané de 160°x10° divisé en 8 secteurs identiques de 20°x10°. A la sortie de l'analyseur électrostatique, les ions sont accélérés par un potentiel de -14.6 kV imposé sur des feuilles de carbone de très faible épaisseur et correspondant à chacun des secteurs du champ de vue. Ils ressortent de la feuille de carbone à l'état de neutres ou d'ions positifs ou négatifs, les proportions relatives dépendant de l'énergie et de la nature de l'ion incident. Ils entrent alors dans un analyseur de temps de vol où un champ électrique linéaire (LEF) permet de défléchir les fragments positifs vers le détecteur LEF, tandis que les fragments de neutres et d'ions négatifs suivent une trajectoire différente et sont collectés par le détecteur ST (Straight-Through). De la mesure de la duré de leur trajet, ou "temps de vol", dans cet espace de dérive on déduit leur vitesse et, connaissant leur énergie, leur masse. A la traversé de la feuille de carbone, les ions moléculaires sont dissociés en fragments atomiques qui sont mesurés indépendamment et permettent donc l'identification du constituant initial. La résolution en masse M/M est de l'ordre de 8 pour le détecteur ST et qu'elle atteint ~30 pour les ions détectés par le détecteur LEF, lorsque les ions entrant dans IMS sont des ions atomiques, mais avec une efficacité de détection inférieure à celle du ST.

  • Le spectromètre de masse ELS (Electron Spectrometer) est un analyseur électrostatique hémisphérique chargé de mesurer les distributions en énergie et en direction d'arrivée des électrons dans la magnétosphère de Saturne et dans le vent solaire. Il permet de mesurer des flux d'électrons en fonction de l'énergie de 0.56 eV à 26 keV en 63 niveaux d'énergie espacés de manière logarithmique. Les électrons pénètrent dans le capteur via un collimateur dont la géométrie définit le champ de vue d'ELS (5 x 160°) et passent ensuite entre les plaques concentriques de l'analyseur électrostatique hémisphérique (ESA) avant de percuter les galettes à micro-canaux (MCP). Les électrons sont enregistrés successivement depuis les hautes vers les basses énergies par variation du potentiel appliqué entre les plaques. La résolution en énergie de chaque niveau (dépendant de l'espacement des plaques concentriques) est de 17 %. Le temps d'accumulation par niveau est de 31.25 millisecondes dont un quart de temps mort pour fixer le potentiel. En fonctionnement nominal, le spectre entier s'acquiert en 2 secondes. Huit anodes de 5x20° disposés en éventail enregistrent simultanément les spectres d'électrons dans huit directions différentes, situés dans le même plan.

  • Le spectromètre de masse IBS (Ion Beam Spectrometer) est un analyseur électrostatique chargé de mesurer les distributions en énergie et en direction d'arrivée des faisceaux d'ions dans la magnétosphère de Saturne et dans le vent solaire.

Les instruments de CAPS sont montés sur une plateforme dont l'orientation peut varier de ±100° autour d'un axe situé dans le plan moyen du champ de vue du détecteur IMS et perpendiculaire à la direction centrale de ce champ de vue. Le mouvement d'essuie-glaces de l'actuateur sur lequel les instruments sont fixés balaie autour de l'axe Z de la sonde une couverture angulaire de plus ou moins 104° (vitesse de l'actuateur 1° par seconde). En combinant ce mouvement avec les manœuvres de rotation de Cassini autour de ses 3 axes, il est possible de couvrir un champ de vue large afin de mesurer des fonctions de distribution tridimensionnelles, et de déterminer les anisotropies de direction dans les flux de particules.

L'expérience a été préparé sous la responsabilité principale du Southwest Research Institute de San Antonio, USA, avec une contribution technique et scientifique du CETP* (Saint Maur) et scientifique de l'Observatoire Midi-Pyrénés (Toulouse, LATT puis CESR).

N.B. : Maintenant *LPP (Polytechnique).

CAPS sur CASSINIInstrument CAPS
Les trois détecteurs de plasma de l'expérience CAPS : ELS, IBS et IMS, à bord de Cassini.

La magnétosphère de Saturne diffère de la plupart des autres environnements planétaires par le nombre et la complexité des sources internes de plasma qui y sont présentes. Outre le vent solaire et l'ionosphère de la planète elle-même, les satellites de glace, Mimas, Encelade, Téthys, Dionne et Rhéa, les anneaux et Titan constituent en effet des sources abondantes voire majeures du plasma magnétosphérique et déterminent pour l'essentiel sa composition. Les différentes populations de plasma magnétosphériques peuvent être utilisés comme traceurs et fournir des informations originales sur les mécanismes de production, de perte et de transport du plasma dans la magnétosphère de Saturne.