Développement d’un analyseur en énergie pour la caractérisation des hautes atmosphères neutres et ionisées terrestre et planétaires

Development of an energy analyzer for the characterization of the neutral and ionized upper atmosphere

• Auteur / Autrice : Valentin Steichen
• Direction : François Leblanc, Jean-Jacques Berthelier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Rezeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Cipriani, Christelle Briois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefano Livi, Peter Wurz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Spectrométrie de masse

Planétologie

Haute atmosphère

Mots clés libres

Spectrométrie en énergie et de masse

Planétologie

Instrumentation spatiale

Mass and Energy spectrometry

Planetology

Space instrumentation

Résumé

L'étude de la dynamique des particules dans la thermosphère - ionosphère et dans l'exosphère des corps du système solaire permet d'approfondir notre compréhension de ces régions critiques qui sont l’interface entre une planète et l'espace. Le but de ma thèse était de développer, construire et tester un analyseur en énergie pour l'étude des hautes atmosphères planétaires : INEA (Ion and Neutral Energy Analyser). L'instrument vise à mesurer la structure énergétique des constituants neutres et ioniques présents dans cette région. Pour réaliser cette tâche difficile, INEA s'appuie sur deux concepts : une source d'ions innovante, basée sur l’utilisation de nanotubes de carbone comme émetteur d'électrons et un analyseur en énergie électrostatique, capable d'imager directement la distribution en énergie des particules. Au cours de ces trois années de thèse, un modèle numérique de INEA a été développé afin de répondre aux objectifs instrumentaux imposés par les mesures nécessaires à la caractérisation des hautes atmosphères. Parallèlement, j'ai travaillé au développement d'une source d'ionisation, également nécessaire au fonctionnement optimal de INEA, basée sur l'utilisation de nanotubes de carbone comme émetteurs d'électrons. Le développement du détecteur, une autre partie importante de l'instrument, a également été réalisé. Suite à la modélisation numérique et aux travaux réalisés sur les différentes parties de l'instrument, un premier prototype d’INEA a été conçu et assemblé, ce prototype étant actuellement testé. Avec le travail réalisé au cours de cette thèse, nous avons pu proposer deux instruments pour de futures missions spatiales : M-INEA sur la mission M-MATISSE proposé pour l'appel à projet M7 de l'ESA, récemment sélectionnée pour une phase A jusqu’en 2026, et PSEE, un émetteur d'électrons dédié au contrôle de PRELUDE SAT ; un CubeSat de 6U développé par deux universités japonaises devant être lancé mi-2025.

Studying the dynamic of particles in the thermosphere – ionosphere and in the exosphere of bodies in the Solar System allows to deepen our understanding of these critical regions that are the bridge between a planet and space. The aim of my thesis was to develop, build and test a neutral particles energy analyser for studying the upper planetary atmospheres: INEA (Ion and Neutral Energy Analyser). The instrument aims to measure the energy structure of the neutral and ion constituents present in the upper atmosphere. To achieve this challenging task, INEA relies on two concepts: an innovative ion source that is based on a carbon nanotube array as an electron emitter and an electrostatic energy analyser which is able to image directly the energy distribution of the particles. During these three years of thesis, a numerical model of INEA was developed in order to meet the instrumental objectives imposed by the measurements needed to characterize the upper atmospheres. At the same time, I have been working on the development of an ion source, also necessary for the optimal operation of INEA, based on the use of carbon nanotubes as electron emitters. The development of the detector, another important part of the instrument has also been conducted. Following the numerical modelling and the work achieved on the different parts of the instrument, a first prototype of INEA has been designed and assembled. This prototype being currently tested. With the work achieved during this thesis, we have been able to propose two instruments for future space missions: M-INEA on the M-MATISSE mission proposed for the ESA M7 call for project, recently selected for a phase A study up to mid-2026, and PSEE, an electron emitter dedicated to the control of PRELUDE SAT, a 6U CubeSat developed by two Japanese universities scheduled to be launched mid-2025.