Etudes théoriques et Développement d'une version optimisée du mini compteur d'aérosols LOAC pour des applications atmosphériques et spatiales

Theoretical study and development of an optimized version of the optical particle counter LOAC for atmospheric and space applications

• Auteur / Autrice : Nicolas Verdier
• Direction : Jean-Baptiste Renard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Dudok De Wit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Renard, Thierry Dudok De Wit, François Forget, Patrick Rairoux, François Dulac
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Forget, Patrick Rairoux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Particules (matière)

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Aerosols

Compteur

Espace

Atmosphère

Particle

Counter

Atmosphere

Space

Résumé

Le LOAC est un compteur d’aérosols optique qui permet de compter les particules atmosphériques de 0.2 à 100µ m et de les classer par gamme de taille. Pour cela, cet instrument est constitué d’un laser qui illumine une chambre dans laquelle sont injectés les particules par pompage. La lumière diffusée par chacune d’elle est alors mesurée selon deux angles ce qui permet d’évaluer la nature (gouttelettes, sels, suies, ,..). Fabriqué à plus de 150 exemplaires, ce capteur permet de documenter les couches de l’atmosphère à l’aide de ballons dans toutes les régions du globe depuis 2011. L’objectif de cette thèse consiste à détailler le fonctionnement de tous les sous-systèmes de l’instrument et d’en proposer une version aux performances améliorées pour l’exploration des atmosphères planétaires. En guise d’introduction, ce mémoire présente l’intérêt scientifique du LOAC pour l’exploration spatiale et rappel la logique de développement et les atouts de cet appareil en regard des nombreux autres dispositifs destinés à caractériser les aérosols. Dans une seconde partie le dimensionnement détaillé d’une version d’ingénierie est proposé dans le but d’introduire de nouvelles fonctionnalités indispensables à tout instrument spatial. Enfin, la dernière partie de ce document s’attache au design d’une version plus performante intégrant de nouveaux concepts tant sur le plan matériel que logiciel.

LOAC is an optical aerosol counter which allows atmospheric particles from 0.2 to 100µ m to be counted and classified by size range. This instrument consists of a laser which illuminates a chamber where the particles are injected by pumping. The light scattered by each of them is then measured from two angles, which makes it possible to assess the nature of the aerosols (liquid, salts, soot, etc.). Manufactured in more than 150 copies, this sensor has been used to document the layers of the atmosphere using balloons in all regions of the world since 2011. The objective of this thesis is to detail how works the different subsystems of the instrument and to propose a performance improved version for the planetary atmospheres’ exploration. In the introduction, this thesis presents the scientific interest of LOAC for space exploration and recalls the logic of development and the advantages of this device compared to the many other devices intended to characterize aerosols. In a second part, the detailed sizing of an engineering version is proposed in order to introduce new functionalities essential to any space instrument. Finally, the last part of this document focuses on the design of a more efficient version incorporating new concepts on both the hardware and software levels.