La Cellule Radiations Spatiales regroupe 25 personnes du SAP, SEDI et SIS. Elle a pour mission d'étudier les effets des radiations sur les expériences spatiales du DAPNIA, de la phase d'étude à la phase opérationnelle en vol.
- La phase d'étude: un dossier est créé avec les éléments liés à l'environnement spatial et à la fiabilité des composants électroniques.
- Les phases de développement et de qualification: les études sont complétées par des simulations numériques et des tests d'irradiations en laboratoire.
- La phase de vol: les effets des radiations sont mesurés et archivés dans ce dossier, afin d'être confrontés aux prédictions avant lancement.
Les dossiers établis pour les expériences ayant déjà volé sont utilisés pour les nouvelles expériences du DAPNIA, en particulier pour toutes les questions liées à l'environnement spatial.
Comprendre :
La caméra
La caméra infra-rouge ISOCAM
ISOCAM est la première caméra infrarouge spatiale. Embarquée à bord du satellite ISO (Infrared Space Observatory), elle a permis de cartographier des régions sélectionnées du ciel dans la gamme 2.5 - 17 micromètres, avec plusieurs résolutions spatiales et spectrales. Cet instrument a été réalisé sous la direction scientifique et la maîtrise d'oeuvre technique du Service d'Astrophysique du CEA/Saclay, en collaboration avec le CNES, le CNRS, les observatoires de Stockholm et d'Edimbourg, ainsi que deux laboratoires italiens. Ce programme, débuté en 1985, s'est concrétisé par l'obtention des premières images infrarouges spatiales, après le lancement du satellite ISO le 17 novembre 1995. ISOCAM a été exploitée jusqu'au printemps 1998 et aujourd'hui, son bilan de fonctionnement apparaît tout à fait satisfaisant. Comme tout instrument spatial, ISOCAM a dû subir les contraintes liées à l'environnement spatial, en particulier celles liées aux particules ionisantes qui peuplent le « vide » spatial.
L'environnement
Les radiations présentes dans l'espace
Les régions de l'espace qui nous interessent correspondent à celles où évoluent nos satellites et sondes. On peut globalement considérer trois types d'orbites distinctes :
- Orbites basses à proximité de la Terre sous les ceintures de Van Hallen
- Orbites traversant les ceintures de Van Hallen
- Orbites lointaines situées en dehors des ceintures de Van Hallen
Les ceintures de Van Hallen forment un bouclier naturel qui épargne la Terre des radiations composées de particules chargées. Les satellites évoluant en dehors des ceintures sont alors soumis à un flux radiatif composé de protons, d'électrons, de particules alpha, de ions lourds et de protons énergétiques solaires. Néanmoins même les satellites des orbites basses sont affectés par les radiations, en particulier lorsqu'ils traversent l'anomalie sud atlantique.
Entre 1995 et 1998, la caméra ISOCAM embarquée à bord d'ISO a été exploité sur une orbite très elliptique dont le périgée était situé à 1000 Km et l'apogée à 70500 Km. Cette orbite amenait le satellite à traverser les ceintures de van Allen dans lesquelles sont piégés des protons et électrons. Pendant la traversée de ces ceintures (8h sur les 24h que durait l'orbite), les détecteurs d'ISO n'étaient pas utilisables à cause des effets produits par les impacts de protons et électrons. A l'extérieur des ceintures, le satellite était exposé au rayonnement cosmique galactique. Ce rayonnement est semblable à une pluie de particules composée de 87% de protons, 12% de noyaux alpha, et 1% de noyaux plus lourds. D'autres particules émises par le Soleil lors de ses éruptions bombardaient occasionnellement le satellite.
Les 'glitches'
Impact des radiations sur la caméra d'ISOCAM
Les particules cosmiques traversant les détecteurs y déposent une partie de leur énergie qui se manifeste par des traces dans les images appelées " glitches ".
Il y a environ 1 glitch/sec et chaque glitch représente une trace longue de 8 pixels en moyenne. Comme chacune de ces traces ne doit pas être prise en compte dans le processus de sommation des images, cela représente une perte de sensibilité de l'ordre de 2% pour des images élémentaires de 2 secondes d'intégration, 5% pour des images élémentaires de 5 secondes, 10% pour des images de 10 secondes. La perte de sensibilité peut être encore plus importante, lorsque les glitches sont causés par des ions lourds qui ont un effet beaucoup plus durable et laissent une rémanence sur le détecteur. ( vidéo de 500 ko)
Pendant les éruptions solaires, le taux de glitches augmente tellement que les données sont inexploitables et les instruments coupés jusqu'à l'accalmie solaire. (vidéo de 1.5 Mo)
Deux images brutes enregistrées par la caméra ISOCAM
Sur l'image de droite, on peut voir la trace laissée par une particule qui a été stoppée dans le détecteur. La particule incidente a rencontré un noyau du détecteur et la trace curviligne est probablement liée au recul de ce noyau. Sur l'image de gauche, la trace intense a été laissée par un ion lourd traversant le détecteur. Des rayons delta sont clairement visibles le long de la trace.
Les tests
La simulation s'interesse essentiellement à l'environnement très proche du détecteur.
Avant d'envoyer un instrument dans l'espace, il est impératif de contrôler sa résistance aux radiations. Pour cela, on prédit la dose de radiations que subira l'instrument pendant toute la durée de son exploitation en orbite, puis on irradie l'instrument au sein d'un accélérateur et on vérifie son bon fonctionnement. La démarche de qualité spatiale impose que la dose de radiations infligées à l'instrument doit être très largement supérieure à la dose prédite.
Les tests en accélérateur sont aussi l'occasion de mesurer le comportement des instruments pendant le passage de particules individuelles telles que des protons, ou des ions lourds plus fortement ionisants. Ces tests s'effectuent avec l'instrument en mode de fonctionnement et on mesure alors en direct les perturbations induites dans les données. Cela permet de vérifier en particulier que l'instrument se remet suffisamment vite du passage d'une particule ionisante, en tout cas bien avant l'arrivée de la suivante.
La simulation
La simulation s'interesse essentiellement à l'environnement très proche du détecteur.
La simulation numérique consiste à simuler les effets des radiations cosmiques au moyen de codes numériques de transport de particules et processus physiques afin d'évaluer la pollution des données de l'instrument ainsi que l'impact sur la science prévue.
L'image ci-contre représente une simulation de 'glitches' causés par des protons du rayonnement cosmique sur la caméra ISOCAM. Ces images de 'glitches' simulés sont utilisées pour mettre au point les méthodes de soustraction des 'glitches' des données.
maj : 26-02-2010 (1169)
