Instrumentation magnétique HF sur EJSM :

the Magnetic Loop Antenna (MLA)

A. Marchaudon, C. Cavoit, V. Krasnoselskikh, T. Dudok de Wit, D. Lagoutte

(LPC2E/CNRS, France)

Atelier Jupiter/Ganymède – 15 mars 2011

Intérêt de mesurer une (ou des) composante(s) magnétique(s) HF

Champ électrique 3D et avec une meilleure sensibilité, mais :

- En ajoutant au moins une composante magnétique HF :- discriminer entre ondes électrostatiques et électromagnétiques- permettre de nouvelles découvertes (environnement de Ganymède ?)

- Avec 2 composantes électriques et 2 composantes magnétiques : - polarisation des ondes

- Expérience couvrant une large bande de fréquence et prolongeant la gamme du search coil

- Relativement facile à accommoder

Energetic phenomena recurrently occur in the Jovian magnetosphere, characterized by intensifications of the auroral radio emissions and the creation of new sources of radiations in the outer regions of the Io torus

With multi component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency) it would be possible:- to study the different characteristics of particle acceleration in the Jovian magnetosphere, observed with different spectral characteristics in the Jovian decametric radio bursts - to study the generation of specific types of radio emissions caused by particle precipitations in auroral regions of the Jovian magnetosphere, and consequently, how much the solar wind affect these emissions at Jupiter

Radio emissions of Jupiter

The moon Io enhances Jupiter's emission of decametric (DAM) radio waves (1-40 MHz).

With multi component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency) it would be possible:- to search for the differences between Io spin modulated emissions (Io-DAM) and emissions independent of the orbital phase of Io (non Io-DAM), in terms of intensity, source origin and possible solar wind control of these emissions- Io-DAM emissions display also very fine structures, called S-bursts, presenting very high flux in the 20-30 MHz range. The radio measurements combined with particle instruments will help to verify the recent developments in the study of their mechanism of emissions.

Radio emissions controlled by Io

Galileo Observations:• A small portion of radio emissions correlates with the orbital phase of the other Galilean satellites in the low decametric range (2-6 MHz)• Other sources of emissions could not be detected by previous missions due to limited instrumentation and large distance from the moons

With:- multiple close fly-bys of the JGO spacecraft with Callisto and Ganymede, then orbit insertion around Ganymede- and multi-component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency)it would be possible:- to study the decametric radio emissions controlled by the moons- to check their source location and intensity- to check the possible existence of solar wind control of these emissions - to allow new discoveries, such as weaker sources of emissions or possible emissions modulation of the Jovian-moons interaction at higher frequencies

Radio emissions controlled by the other Galilean satellites

Ganymede as a source of radio emissions

Galileo Observations:• Intense plasma waves detected over a region of space nearly 4 times Ganymede’s diameter caused by its strong magnetic field (Gurnett et al., Nature, 1996)• Different type of waves: whistler-mode emissions, upper hybrid waves, electrostatic electron cyclotron waves and escaping radio-emissions

With:- orbit insertion of the JGO spacecraft around Ganymede, and- and multi-component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency)it would be possible:• to solve the problem of wave identification in the close vicinity of Ganymede, by distinguishing between electrostatic and electromagnetic wave modes • to determine the averaged refractive index of waves• to detect magnetic component of radio emissions (above 20 kHz)

Frequency-time spectrograms of the electric (a) and magnetic (b) field intensities detected by the Galileo

plasma wave instrument during the 27 June 1996 Ganymede fly-by, after Gurnett et al. (1996)

Principe de fonctionnement d’une boucle HF

Le flux magnétique est collecté à travers la surface de la boucle fermée sans concentrateur de flux

• Instrumentation dérivée de la fusée CHARM-2 de la NASA (lancement réussi en février 2010)

• Proposé dans le consortium RPWI de EJSM de J.-E. Wahlund

La boucle HF du LPC2E

Caractéristiques de la boucle HF MLA - EJSM

• Gamme de fréquence : 100 kHz – 45 MHz (« décalable »)

• Sensibilité : 0.3×10-6 nT/Hz1/2 à 1 MHz

• Poids : 250 g (avec électrostatique et préamplificateur)

• Dimensions : 205 x 215 x 55 mm

• Puissance : 300 mW

• Accommodation : en cours de définition -> proposition actuelle : au bout d’un bras d’au moins 50 cm

• TRL ~ 5

• Etudes en cours de tenue aux radiations et en température pour le circuit de contre-réaction et le préamplificateur (financement R&T CNES)

Fonction de transfert et sensibilité de la boucle HF

1-3m2m

110mm

LP-PWI

SCM

RWI RA-PWI

5m SSR

Preamps.Preamps.

FPGA Controlled DC-DC converter

Digital Signal processing SpW

Main power

Main Electronics Box ala100830

E-Field and Langmuir

probe Bias control

LF wave analyzer 12 channel 14 Bit

DC-20kHz

Heterodyne receiver 2 to 4 channels

100kHz-45MHz

MIME

MF wave analyzer 3 channel 14 Bit

1kHz-1MHz

DPU

Preamps.

LPPre-

amps

Board 2

Board 1 Board 3

Board 4

Board 5

Board 6 External Sensors

MLA opt.

Preamp

MLA peut être connectée au receveur radio HF du LESIA

Diagramme bloc de RPWI

Problèmes d’accommodation

Tests effectués par Claude Cavoit (LPC2E) à Chambon La Forêt :

- quelle est la distance minimale requise entre deux senseurs magnétiques pour assurer leur fonctionnement correct ?

=> 2 séries de tests effectuées :

Enregistrement de la fonction de transfert de MLA en présence d’un Search Coil (ON or OFF)

Enregistrement du bruit de MLA en présence d’un fluxgate

Effet d’un Search Coil sur les mesures de MLA (1)

Effet d’un Search Coil sur les mesures de MLA (2)

Pas d’influence du Search Coil sur MLA qqsoit la distance (et vice versa) -> les 2 instruments peuvent donc être positionnés très proches l’un de l’autre

Exemple de capteur composite MLA-SC

Effet d’un Fluxgate sur les mesures de MLA (1)

Effet du Fluxgate sur les mesures de MLA (2)

Effet du Fluxgate sur les mesures de MLA (3)

Le bruit induit par le fluxgate reste important -> MLA devrait être placé à au moins 1 m de celui-ci pour conserver toute sa sensibilité

Sensibilité au champ électrique E de MLA (1)

Sensibilité au champ électrique E de MLA (2)

L’utilisation d’un bras métallique augmentera significativement la sensibilité de MLA au champ électrique -> bras non conducteur ?

Protection thermique et contre les radiations du circuit électrique de la boucle HF d’EJSM

Tolérance aux radiations :

- IF1320 (Interfet) testé au LPC2E en 2008 jusqu’à 250 kRad

- RHF310 (ST Microelectronics) RadHard jusqu’à 300 kRad (+SE)

PEEK : polyétheréthercétone - matière plastique thermostable

Travail restant à faire :

- Tester le seuil de température de fonctionnement du préamplificateur

- Tester l’ensemble électrique de MLA à cette température seuil

- Faire une étude thermique de la boite d’électronique

-> Définition d’un possible chauffage

- Tester l’ensemble mécanique (câbles, connecteurs) jusqu’à -230°C

Etude thermique de la boucle HF d’EJSM

Possible design d’une triple boucle