Les filtres focaux

Afin de sélectionner la raie spectrale du fer (Fe X) à 17,4 nm ou celle de l’hélium (He II) à 30,4 nm réfléchies par le miroir bi-bande Al/Mo/SiC de l’instrument, FSI est équipé d’une roue dotée de deux paires de filtres (Figure 74): une paire de filtres en Zr encapsulés entre deux couches Al pour sélectionner la raie spectrale à 17,4 nm, et une paire de filtres en Mg aussi encapsulés entre deux couches Al pour sélectionner la seconde bande passante à 30,4 nm (Tableau 19).

Ces filtres doivent présenter une bonne stabilité temporelle vis-à-vis des effets d’oxydation et une tenue robuste aux vibrations mécaniques lors de la mise sous vide durant des tests ou du lancement. L’encapsulation en aluminium permet de garantir une oxydation passivante en Al2O3, ce qui protège Zr et Mg de l’air ambiant. Les témoins des filtres Al/Zr/Al ont été mesurés sur synchrotron entre 12,35 nm et 26,11 nm de longueur d’onde, alors que les filtres Al/Mg/Al ont été mesurés entre 12,4 nm et 41,25 nm de longueur d’onde. Comme pour le filtre d’entrée, il a donc été nécessaire de compléter ces mesures par des simulations pour obtenir une réponse spectrale en transmission étendue de 1 nm à 100 nm de longueur d’onde.

Chapitre 4. Etalonnage du télescope EUV Full Sun Imager de Solar Orbiter

Figure 74. Roue à filtre de FSI d’après [4]

Tableau 19. Structure des filtres Al/Zr/Al et Al/Mg/Al de FSI.

Type Matériau 1908 (#13) Témoin (nm) Témoin 1829 (#25) (nm) Eng. Model RN13396 (nm) Fil tr e Al/Zr /Al Al2O3 5 5 5 Al 52.6 50.7 53.1 Zr 97.2 93.6 92.5 Al 52.6 50.7 49 Al2O3 5 5 5 Type Matériau Témoin 1891 (#4) (nm) Témoin 1906 (#26) (nm) Eng. Model RN13386 (nm) Fil tr e Al/Mg /Al Al2O3 5 5 5 Al 80.2 80.1 44.5 Mg 322.6 322.2 325.7 Al 80.2 80.1 44.5 Al2O3 5 5 5

• Filtre focal sélectif Al/Zr/Al pour la raie Fe X à 17,4 nm

Les modèles des filtres Al/Zr/Al sont aussi obtenus en combinant mesures expérimentales et simulations. Lamesure du témoin du filtre de vol #13 et celle du #25 ont été réalisées de 12,4 nm à 24,9 nm de longueur d’onde. Pour compléter ces mesures, on a utilisé des simulations avec les indices optiques adaptés de 1 à 12,3 nm puis de 25 à 100 nm pour couvrir l’ensemble de la gamme spectrale EUV (Tableau 17). Cependant, on a déterminé dans le chapitre 3 (Figure 48 & Figure 50) que les indices optiques de l’aluminium et du zirconium sont assez peu fiables au-delà de 40 nm. Pour prendre cet élément en considération, on va utiliser les mesures des valeurs de transmission du modèle d’essai (Engineering Model RN13396 dans le Tableau 19), dont la structure est relativement proche de celles des filtres Al/Zr/Al de vol, pour corriger les simulations de 45 à 65,7 nm (Figure 75 (a) & (b)).

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Figure 75. Mesure en transmission du filtre d'essai RN13396 et du filtre témoin Al/Zr/Al 1829 avec leurs simulations respectives dans l'EUV en échelle linéaire (a) et logarithmique (b).

En suivant la même démarche que pour le filtre d’entrée, on établit que le rapport des simulations de deux filtres de structures proches donne les mêmes valeurs que le rapport de leurs mesures pour les mêmes longueurs d’ondes :

𝑇𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛(𝐴𝑙/𝑍𝑟 1829) 𝑇_{𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛} (𝐸𝑛𝑔. 𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑙/𝑍𝑟)=

𝑻𝒆𝒔𝒕𝒊𝒎é (𝑨𝒍/𝒁𝒓 𝟏𝟖𝟐𝟗) 𝑇_{𝑚𝑒𝑠𝑢𝑟é}(𝐸𝑛𝑔. 𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑙/𝑍𝑟)

A partir de ces hypothèses, on fait le rapport des simulations (Figure 76) des valeurs de transmission du filtre Al/Zr 1829 (#25) et du modèle d’essai Al/Zr/Al entre 45 à 65,7 nm de longueur d’onde, puis on multiplie les données mesurées du modèle d’essai par les valeurs obtenues du rapport des simulations pour obtenir une valeur plus réaliste de la réponse en transmission de Al/Zr 1829 sur cette même gamme spectrale.

Figure 76. Illustration du rapport des simulations du témoin Al/Zr/Al et du modèle de test (Engineering Model) entre 45 nm et 65 nm de longueur d'onde. Ce rapport définit un facteur correctif moyen à appliquer sur la mesure du Eng. Model pour estimer une réponse en transmission plus précise du filtre de vol Al/Zr/Al 1829 (#25) dans cette zone spectrale, où l’indice optique du Zr est incertain et où la transmission est non-nulle, ce qui représente une source potentielle de pollution lumineuse dans l’instrument. (La légende associée à la transmission mesurée de 1829 apparait ici mais les données s’étendent seulement jusqu’à 25 nm, d’où l’absence de données sur cette figure).

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Par cette démarche, on détermine une transmission du filtre corrigée qui nous permet de compenser les incertitudes liées aux indices optiques de l’aluminium et surtout du zirconium dans cette zone (voir Chapitre 3, Figure 50). On effectuera la même opération pour le filtre Al/Zr 1908 (#13). Les réponses spectrales finales de ces deux filtres sont illustrées sur la Figure 77, et le détail des données est explicité dans le Tableau 20.

Figure 77. Mesures et modèles d'étalonnage des valeurs en transmission des filtres Al/Zr/Al 1908 pour #13 (a) et 1829 pour #25 (b) Tableau 20. Composition des modèles d'étalonnage des filtres Al/Zr/Al #13 et #25

Gamme spectrale Données/Simulations utilisées

Al/Zr/Al #13

1 – 12,3 nm Simulation 1908

12,4 – 24,9 nm Mesure du témoin 1908

25 - 100 nm Simulation 1908 avec facteur de correction x1,38 appliqué sur [45-65.7 nm]

Al/Zr/Al #25

1 – 12,3 nm Simulation 1829

12,4 – 24,9 nm Mesure du témoin 1829

25 - 100 nm Simulation 1829 avec facteur de correction x1,38 appliqué sur [45-65.7 nm]

• Filtre focal sélectif Al/Mg/Al pour la raie He II à 30,4 nm

Pour les filtres Al/Mg/Al (Figure 79 (a) & (b)), les modélisations ont été rendues plus simples par les indices optiques plus fiables du magnésium (cf. Chapitre 3). Grâce au modèle d’essai (Engineering model RN13386, Tableau 19) qui a été mesuré sur une plus large gamme spectrale dans l’EUV que

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la réponse spectrale des filtres avec les données du filtre d’essai pour estimer leur réponse en transmission au-delà de 40 nm de longueur d’onde.

Figure 78. Réponses en transmission dans l’EUV mesurées sur synchrotron PTB et simulées du modèle de test (Engineering Model) et du témoin 1906 (#26) du filtre Al/Mg/Al. Représentation à l’échelle linéaire (a) et logarithmique (b).

Les modèles d’étalonnage des filtres focaux Al/Mg/Al #26 et #4 (Figure 79) comprennent les mesures de leurs filtres témoins respectifs de 12,4 nm à 40,6 nm, complétées par des simulations avec les indices optiques les plus adaptés de 1 à 12,3 nm et de 40,7 à 100 nm comme indiqué dans le Tableau 21.

(b)

(a)

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Figure 79. Mesures et modèles d'étalonnage des valeurs en transmission des filtres Al/Mg/Al 1906 pour #26 (a) et 1891 pour #4 (b) Tableau 21. Composition des modèles d'étalonnage des filtres Al/Mg/Al #26 et #4

Gamme spectrale Données/Simulations utilisées

Al/ Mg /Al #4 1 – 12,3 nm Simulation 1891 12,4 – 40,6 nm Mesure du témoin 1891 40,7 - 100 nm Simulation 1891 Al/ Mg /Al #26 1 – 12,3 nm Simulation 1906 12,4 – 40,6 nm Mesure du témoin 1906 40,7 - 100 nm Simulation 1906