b Electrostatic analyzers (ESA)

Principe d’un analyseur électrostatique de type top hat

Un analyseur électrostatique (schématisé sur la figure 2.4) est composé de deux hémisphères imbriquées. Celle à l’extérieur possède une ouverture à son sommet qui est surmontée du top hat. Elle est à la masse tandis que l’hémisphère intérieure est à un potentiel V variable. Ce système permet de sélectionner les particules en fonction du rapport énergie sur charge. Les ions sont ensuite dirigés vers les galettes de microcanaux (ensemble de multiplicateurs d’électrons miniatures parallèles les uns aux autres) puis sont détectés par les anodes.

Présentation

L’instrument ESA de la mission THEMIS [McFadden et al., 2008b] mesure les données plasma pour des énergies comprises entre quelques électrons volts (eV) et 30keV, et des ions, de quelques eV à 25keV. Ses déflecteurs électrostatiques de type "top hat" ont un champ de vue de 180˚× 6˚pour couvrir 4π stéradian à chaque rotation (Figure 2.5). Le détecteur d’électrons possède 8 anodes de 22.5° et celui des ions 16 avec une résolution angulaire jusqu’à 5.625° concentrée dans le plan de rotation du satellite pour résoudre les ions du vent solaire. Les modes sont adaptés aux régimes plasma rencontrés.

Figure 2.5 :Photo de l’instrument ESA (a) et schéma (b). Image tirée de [McFadden et al., 2008b].

Cet instrument a lui aussi trois modes d’acquisition des données :

– FULL : haute résolution angulaire (en général 32 niveaux d’énergie et 88 angles so- lides), faible résolution temporelle (enregistrement des données sur une rotation toutes les 32 (SLOW SURVEY MODE) ou 128 rotations (FAST SURVEY MODE), ce qui correspond à quelques minutes).

– REDUCED : faible résolution angulaire (soit 32 niveaux d’énergie et un seul angle en SLOW SURVEY MODE, soit 24 niveaux d’énergie et 50 angles solides pour les ions et 32 niveaux d’énergie et 6 angles solides pour les électrons en FAST SURVEY MODE, , haute résolution temporelle (acquisition des données toutes les rotations, ~3 sec). – BURST : haute résolution angulaire (32 niveaux d’énergie et 88 angles solides), haute

résolution temporelle (acquisition des données toutes les rotations, ~3 sec).

La résolution angulaire influe beaucoup sur le calcul des moments car on les obtient en intégrant sur la résolution spécifique à chaque mode. Avec cet instrument on peut aussi obtenir les moments calculés à bord, avec une résolution de 3s. Ils ont la particularité d’inclure une correction liée au potentiel satellite. Cette correction a pour but d’éliminer les photo-électrons qui contaminent les mesures.

Problèmes de contaminations

Il existe plusieurs sources de bruit de fond additif ou de contaminations qui peuvent mener à une mauvaise interprétation des données. Il n’est pas possible de traiter directement toutes les données avec des routines automatiques, c’est à l’utilisateur de vérifier la qualité des données qui l’intéressent. Des routines IDL sont toutefois disponibles sur le site de THEMIS2 _pour

traiter les données au cas par cas.

Les sources de bruit de fond ou de contaminations sont les suivantes [McFadden et al., 2008a] : • les rayons UV du Soleil qui pénètrent directement dans le détecteur,

2. http ://themis.ssl.berkeley.edu

2.1. Moyens spatiaux

• les photoélectrons produits par les rayons UV pénétrants,

• les électrons énergétiques qui pénètrent l’instrument jusqu’au détecteur.

Ces trois sources sont susceptibles de déclencher des avalanches d’électrons secondaires dans le détecteur. La contamination par ces électrons secondaires peut être limitée dès la conception du déflecteur. Un intérieur rugueux (scalloping) et recouvert d’oxyde de cuivre noir (ebanol C) permet de les absorber (réfléxions < 5% [Alsop et al., 1998]) et piéger pour qu’ils ne puisse pas atteindre les galettes de microcanaux. De plus l’analyseur est dessiné de façon à soumettre les particules et rayons pénétrants à au moins trois réflexions conduisant à une atténuation du flux de l’ordre de 99.99%.

Rayons UV La quantité de photons UV pénétrants a été estimée lors d’une période calme

quand l’un des satellites en mode FAST SURVEY était dans les lobes de la magnétosphère. Les flux d’ions étaient alors négligeables. La contamination a été étudiée à partir des angles solides dirigés vers le Soleil. Les pics de contaminations mesurés étaient inférieurs à 20 coups/seconde sur toutes les anodes (moins que CLUSTER qui était à environ 50 coups/sec).

Photoélectrons Les photoélectrons (< 20eV en général) contaminent le détecteur d’élec-

trons. Ils proviennent de l’instrument EFI, de la surface du satellite ou des surfaces internes du détecteur. Généralement, ceux qui ont une énergie plus grande que le potentiel satellite s’échappent vers le plasma, donc lorsqu’on connait le potentiel du satellite on peut différencier les photoélectrons réfléchis et ceux du plasma ambiant. Une source de contamination vient de l’interaction avec la surface du satellite. Lorsqu’on ne connait pas le potentiel satellite il est toujours possible d’estimer la contamination en comparant des spectrogrammes basse énergie et le spectrogramme caractéristique des photoélectrons. La dernière source vient de la surface interne du détecteur. Elle ne contamine la plupart du temps que les plus bas niveaux d’énergie et se concentre sur quelques angles solides dirigés vers le Soleil. Cette source n’a pas un impact important sur le calcul des moments mais peut quand même être facilement retirée si besoin.

Electrons énergétiques Les électrons énergétiques contaminent à la fois le détecteur

d’ions et celui des électrons. Voyons d’abord le détecteur d’électrons.

Les électrons primaires heurtent la surface proche de l’entrée du détecteur produisant ainsi des électrons secondaires qui viennent se mêler aux électrons primaires dans les bas niveaux d’énergie. En plus des électrons secondaires produits, les électrons primaires diffusés dans le détecteur produisent un rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung X-rays) qui augmente le nombre de coups/secondes.

La contamination due aux électrons secondaires est supprimée dans le détecteur d’ions grâce à un potentiel de -2kV appliqué entre l’analyseur électrostatique et les galettes à mi- crocanaux. Aucun électron d’énergie inférieur à 2keV ne peut passer. Les observations dans la couche de plasma ont montré que la contamination existe lorsque les flux d’électrons ont une énergie supérieure à 100keV. Figure 2.6(b) et (c) représentent respectivement les spec- trogrammes en flux d’énergie des électrons et des ions regroupant les données ESA et SST donc basses et hautes énergies. Lorsque des électrons énergétiques (≥ 100keV ) sont détectés (panneau b), on note qu’en réponse une augmentation du nombre d’ions basse énergie (pan- neau c) et de la densité des ions (panneau d) est détectée. Cette contamination est due au

rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung X-rays).

Les électrons énergétiques peuvent aussi induire des erreurs dans la vitesse et la tempé- rature des ions. Il faut donc être vigilant pour le calcul des moments.

Décontamination des données

L’équipe THEMIS a développé des routines de décontamination des données qui sont dis- ponibles en ligne sur le site de THEMIS. Ces routines en IDL sont à utiliser avec le logiciel TDAS (THEMIS Data Analysis Software).

Dans ce logiciel, une fonction permet de calculer les moments et sortir les spectrogrammes. Le simple ajout d’un mot clé après l’appel de cette fonction permet de décontaminer les données. Ce mot clé doivt être appliqués en fonction de l’événement avec des paramètres bien souvent différents d’un évènement à l’autre. Plusieurs façons de faire sont possibles, automatique, semi-automatique et manuelle. Voici, par exemple, une procédure manuelle que j’ai fréquemment utilisée.

Le processus de décontamination est réalisé par anode. On choisit le nombre de points de plus petites valeurs en flux d’énergie que l’on va moyenner pour estimer le bruit de fond, généralement 3 points. Pour finir on choisit le facteur par lequel on va multiplier l’estimation du bruit de fond avant de le soustraire à tout le spectrogramme. Toutes ces valeurs sont choisies arbitrairement et modifiées en fonction des résultats en sortie. Il faut faire attention à ne pas "trop décontaminer" pour ne pas enlever des valeurs réellement mesurées.

Un exemple est donné Figure 2.6. Les panneaux b,c et d sont respectivement les spec- trogrammes des électrons et des ions (ESA et SST combinés) et la densité des ions (ESA) avant traitement. La contamination des ions basse énergie par les électrons haute énergie est clairement visible juste avant 6h00. Le résultat de la décontamination est représenté sur les panneaux e, f et g, qui sont identiques aux panneaux b,c et d mais cette fois les données ont été traitées. Les paramètres utilisés étant 3 points pour estimer le bruit de fond et 2.5 comme facteur multiplicateur. C’est le meilleur résultat obtenu, pourtant panneau (g) on voit une discontinuité dans la densité des ions (léger trou) à l’endroit où il y avait le pic de contamination.

2.1.1.3.c Solid state telescopes (SST)