Description de l’instrument

L’instrument ChemCam se compose en r´ealit´e de deux instruments aux fonctions propres (un imageur et un instrument LIBS), et peut ˆetre dissoci´e en deux parties : le Mast Unit et le Body Unit.

2.2.1.1 Le Mast Unit

Le Mast Unit est situ´e sur le mˆat de navigation du rover `a 2 m de hauteur (Maurice et al., 2012), pour un poids de 5.8 kg (Figure 2.4.b). C’est dans le Mast Unit qu’est situ´e l’imageur haute r´esolution (RMI - Remote Micro-Imager ) qui permet d’obtenir des images contextuelles des cibles (1024×1024 pixels) sur lesquelles les analyses chimiques sont r´ealis´ees. Ces images sont particuli`erement utiles pour localiser les impacts des tirs lasers (et les zones analys´ees) et identifier la texture des roches ou des variations de couleurs, n´ecessaires `a l’interpr´etation des donn´ees. Avec son champ de vue de 20 mrad, cet imageur permet de r´esoudre des d´etails de 1 mm situ´es `a 10 m de distance (Le Mou´elic et al., 2015). Il correspond `a l’imageur poss´edant la plus haute r´esolution parmi les 16 autres cam´eras pr´esentes sur Curiosity. Bien que principalement d´edi´e `a l’analyse des roches dans l’environnement proche du rover, les images RMI prises `a travers le t´elescope peuvent ˆetre focalis´ees `a l’infini, et prendre des images `a grande distance (illustration Figure 2.3), et fournir des informations contextuelles `a plus grande ´echelle.

Figure 2.3 – `A gauche) Cible ChemCam aegis post 2614c (cible non supervis´ee) d’une veine de sulfate de cal- cium. `A noter sur l’image, la poussi`ere expuls´ee par les tirs lasers successifs qui permettent de nettoyer la zone d’analyse. En bas) Mosa¨ıque combinant 20 images RMI (LD RMI sol1882), montrant une butte s´edimentaire situ´ee `a une distance de 550 m du rover.

Une partie de l’instrument LIBS qui va r´ealiser l’analyse g´eochimique est ´egalement situ´ee dans le Mast Unit. Il s’agit principalement du laser et du t´elescope. La source lumineuse est un laser puls´e Nd :KGW `a 1067 nm qui fournit des impulsions de 5 ns `a une fr´equence comprise entre 1 et 10 Hz, pour une ´energie de 24 `a 30 mJ. `A 3 m de distance, l’irradiance sur la cible est de 2 GW.cm2_{, suffisante}

th´eoriquement comprise entre 1.5 et 7 m, bien qu’une m´et´eorite ait ´et´e analys´ee `a plus de 9 m. La dimension de la tache laser sur l’objet varie entre 350 et 550 µm suivant cette distance ainsi que de la qualit´e de sa focalisation (Maurice et al., 2012; Chide et al., 2019). Le laser est qualifi´e pour 3 millions de tirs, et jusqu’`a pr´esent, 800 000 tirs ont ´et´e r´ealis´es `a la surface de Mars sur 3400 cibles diff´erentes. Le t´elescope de 110 mm de diam`etre (de type Schmidt-Cassegrain) permet de focaliser le laser sur la cible, ainsi que de collecter la lumi`ere retour ´emise par le plasma, et de l’acheminer (textitviala fibre optique) jusqu’aux spectrom`etres. Le t´elescope est ´egalement utilis´e pour l’acquisition des images RMI. Une bonne focalisation du t´elescope est importante pour la qualit´e des donn´ees. Celle-ci doit poss´eder une erreur de l’ordre de 0.5 % de la distance vraie (Maurice et al., 2012). Dans sa conception d’origine, la mise au point du t´elescope se fait de mani`ere automatique (autofocus) grˆace `a une diode verte CWL (Continuous Wavelength Laser ). Le d´eplacement du miroir secondaire du t´elescope pendant que la diode est allum´ee de mani`ere continue permet de d´eterminer sa position pour laquelle le maximum d’intensit´e lumineuse est obtenu, correspondant `a la meilleure focalisation. Sur Mars et en laboratoire, la focalisation est un param`etre cl´e `a contrˆoler pour une bonne qualit´e des donn´ees. Pour ChemCam, la diode a cess´e de fonctionner au bout de ∼2 ans, et la nouvelle m´ethode de focalisation consiste `a prendre une s´erie de 9 images avant l’analyse, et de d´eterminer via le calcul de scores Laplacien sur un nombre r´eduit de pixels la mieux focalis´ee (Peret et al., 2016). Finalement, des cartes ´electroniques n´ecessaires au fonctionnement de l’instrument sont ´egalement localis´ees dans le Mast Unit.

2.2.1.2 Le Body Unit

La deuxi`eme partie de l’instrument LIBS se trouve dans le corps du rover et correspond au Body Unit (4.8 kg). Celle-ci se compose principalement des trois spectrom`etres (Figure 2.4.a) analysant la lumi`ere collect´ee et ´emise par le plasma (Wiens et al., 2012). Ils sont issus de spectrom`etres commerciaux Ocean Optics HR2000. Les trois spectrom`etres, de 2048 canaux chacun, couvrent sans recouvrement les gammes spectrales depuis l’ultraviolet (UV : 240.1-342.2 nm), le violet (VIO : 382.1-469.3 nm) et le visible et proche infrarouge (VNIR : 474-906.5 nm). Les r´esolutions spectrales caract´erisant les distances entre deux raies qu’il est possible de distinguer sont respectivement de 0.15 nm, 0.20 nm et 0.65 nm.

Bien qu’ils n’aient pas ´et´e con¸cus `a cet effet, les spectrom`etres de ChemCam sont assez sensibles pour r´ealiser des observations de spectroscopies passives, c’est-`a-dire sans utilisation du laser (Johnson et al., 2015, 2016). La calibration en radiance est r´ealis´ee grˆace aux cibles de calibration MastCam et ChemCam (Johnson et al., 2015). Ces mesures de r´eflectances peuvent apporter des informations min´eralogiques sur les cibles. Les absorptions susceptibles d’ˆetre observ´ees sont principalement associ´ees au fer, et plus particuli`erement sous sa forme ferrique Fe3+_{(Johnson et al., 2015). La position des bandes}

d’absorption varie suivant la nature du type d’oxyde du fait de diff´erence dans la structure min´erale. Par cons´equent, ces spectres passifs peuvent nous renseigner sur la min´eralogie des oxydes de fer (e.g., h´ematite vs. goethite).

Le champ de vue angulaire du t´elescope correspond `a 0.65 mrad, ce qui repr´esente une surface de 2 mm de diam`etre pour une cible `a 3 m de distance. Le champ de vue des spectres passifs est donc plus important que la zone illumin´ee par le laser. Le d´emultiplexeur, qui permet de s´eparer la lumi`ere du plasma dans les 3 domaines spectraux, se situe ´egalement dans le Body Unit, ainsi qu’un syst`eme de refroidissement pour r´eduire le bruit des d´etecteurs (Thermo-Electric Cooler ) et le processeur de l’instrument permettant de faire la liaison avec le reste du rover. Une fois les donn´ees collect´ees, celles- ci sont envoy´ees via l’antenne ultra-haute fr´equence (UHF) du rover vers les satellites en orbite (Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Odyssey, MAVEN, Mars Express, ou Tras Gas Orbiter ) qui vont faire le relais jusqu’au r´eseau Deep Space Network de la NASA sur Terre.

Figure 2.4 – a) Image du mod`ele de vol du Body Unit de ChemCam, situ´e dans le corps du rover, comprenant les trois spectrom`etres. b) Image du mod`ele de vol du Mast Unit, situ´e sur le mˆat de navi- gation du rover, comprenant le laser, le t´elescope, et l’imageur RMI. c) Repr´esentation sch´ematique de l’architecture du Mast Unit et du Body Unit de ChemCam (modifi´e d’apr`es Wiens et al., 2020).

2.2.1.3 Les cibles de calibration

Dix cibles de calibration sont pr´esentes sur le corps du rover (Figure 2.5), `a 1.56 m du t´elescope. Leurs compositions sont bien contraintes et vont permettre de v´erifier la qualit´e de l’instrument et de corriger d’´eventuels biais instrumentaux, ainsi que d’aider `a la calibration. Ces diff´erentes cibles sont r´eguli`erement analys´ees par ChemCam (tous les 50 sols martiens). Parmi les 10 cibles de calibration, quatre sont des cibles suppos´ees refl´eter les roches magmatiques `a la surface de Mars. Pour ces cibles de calibration ign´ees, les compositions de r´ef´erence sont d´etaill´ees dans Fabre et al. (2011). Trois de ces cibles sont des verres silicat´es synth´etiques : Picrite (riche en olivine), Shergottite (riche en clinopyroxene) et Norite (riche en Ca-plagioclase et hypersth`ene). La cible Macusanite correspond `a la derni`ere cible ign´ee et se compose d’un verre volcanique naturel de composition felsique. Quatre des cibles de calibration sont des c´eramiques granulaires “s´edimentaires”, dont les compositions de r´ef´erence sont donn´ees par Vaniman et al. (2012). Ces derni`eres refl`etent les compositions suppos´ees des sols et des roches s´edimentaires `a Gale avant le lancement, et sont compos´ees de m´elanges entre une composante basaltique thole¨ıtique (i.e., sans olivine), des phyllosilicates plus ou moins riches en fer de nontronite (NAu-2) et de kaolinite (KGa-2), et des sulfates (anhydrite), permettant de refl´eter l’alt´eration noachienne. Finalement, une cible en graphite servant `a la d´etection de carbone, ainsi qu’une plaque en titane utilis´ee pour la calibration des spectres en longueurs d’onde sont ´egalement pr´esentes.

Figure 2.5 – a) Mod`ele de rechange des 10 cibles de calibration pr´esentes sur le rover (cr´edit : NASA/JPL- Caltech/LANL). 1 : Macusanite ; 2 : Norite ; 3 : Picrite ; 4 : Shergottite ; 5 : Graphite ; 6 : KGa-2 Med S ; 7 : NAu-2 Low-S ; 8 : NAu-2 Med-S ; 9 : NAu-2 High-S ; 10 : Titane. b) Localisation du porte cible `a l’arri`ere du rover (Wiens et al., 2012).