Integral Field Spectrograph (IFS) de NIRSpec

L’ESA est le maître d’ouvrage de l’instrument NIRSpec du JWST (§ 1). Le concept de base de cet instrument est un spectrographe multi-objets (MOS) utilisant des matrices de micro obturateurs. Toutefois, à travers le concept alternatif Integral Field Multi Object Spectrograph (IFMOS) [9] proposé par le LAM, l’ESA conserve une solution de rechange au MOS. Le champ de vue de IFMOS est de 40×40 secondes d’arc échantillonné à 0.2 seconde d’arc par pixel, couvrant le domaine de longueur d’onde proche IR (1.0 – 5.0 µm) avec une résolution spectrale de 150.

2.2.1 Présentation du système découpeur d’images de l’IFS

Le cœur de IFMOS est constitué d’un système découpeur d’images qu’on appellera ici IFS de NIRSpec. Il se compose de :

• Deux miroirs découpeur de 30 slices chacun, placés côte à côte,

• Deux barrettes de miroirs pupille de 30 miroirs chacune, placées l’une en dessus de l’autre,

• Deux barrettes de miroirs fente de 30 miroirs chacune, placées l’une en dessus de l’autre.

Cet IFS produit deux pseudo fentes à l’entrée de deux spectrographes (Figure 3- 5). La distance entre le miroir découpeur et les barrettes de miroirs pupille est d’environ 150 mm. Celle entre les miroirs pupille et fente est approximativement de 13 mm [10]. Le Tableau 3- 1

et le Tableau 3- 2 résument les caractéristiques géométriques des éléments optiques et les paramètres d’entrée/sortie de l’IFS de NIRSpec.

Le rapport longueur sur largeur d’une slice passe de 21 à 30 ce qui impose des contraintes supplémentaires sur la fabrication. De plus, le champ de vue étant plus important, ceci entraîne des performances optiques dégradées sur le bord du champ, resserrant ainsi les tolérances sur le découpeur d’images et sur les barrettes de miroirs pupille et fente.

Figure 3- 5 : Design optique de l’instrument IFMOS

Tableau 3- 1 : Caractéristiques géométriques et optiques des éléments composant l’IFU et l’IFS de NIRSpec

Tableau 3- 2 : Spécifications d’entrée/sortie de l’IFU et de l’IFS de NIRSpec

2.2.2 Caractéristiques du prototype nommé « Prototype ESA»

En septembre 2002, l’ESA décide de lancer une étude menant à développer un prototype découpeur d’images et à démontrer sa qualification dans un environnement spatial. Cette étude, basée sur le design optique de l’instrument de rechange IFMOS (§ 2.2.1), est attribuée à un consortium mené par le LAM, incluant le CRAL et l’Université de Durham. Ce prototype est composé de [11]:

• Un miroir découpeur à 30 slices (20 slices dont les surfaces actives sont planes et 10 slices représentatives de l’IFS – n°19 à 28),

• Une barrette de 5 miroirs pupille (n°19 à 23), • Une barrette de 5 miroirs fente (n°19 à 23), • Une structure opto-mécanique fabriqué en Invar.

Chaque miroir pupille a le même rayon de courbure (24.85 mm) ce qui est rendu possible par la proximité des 5 miroirs pupille adjacents. De plus, pour des raisons financières, les miroirs fente sont des miroirs sphériques non tiltés. Les autres caractéristiques géométriques sont identiques à celles citées dans le Tableau 3- 1. Ce prototype nommé « prototype ESA » doit répondre aux exigences du niveau Technology Readiness Levels 6 (TRL61) défini par l’ESA. Il a pour but de démontrer :

• La fabrication et l’assemblage de 30 slices aux tolérances demandées, • La tenue de la structure opto-mécanique,

• Le pré-alignement mécanique,

• La validation du prototype à travers ses performances optiques, à température ambiante et cryogénique, dans le visible, et soumis à des vibrations.

Le planning (Figure 3- 6) donne une vue de la durée du projet qui s’est étalé sur deux ans.

Figure 3- 6 : Planning du prototype ESA

Les prototypes CRAL et ESA sont deux prototypes pour une application au JWST qui ont été dessinés, fabriqués et testés en partie à l’Observatoire de Lyon. On constate que le dimensionnement, les tolérances, les difficultés de fabrication et de tests croissent du prototype CRAL au prototype ESA, ainsi que cela est présenté dans les paragraphes suivants.

3 Fabrication

Cybernétix SA (Marseille, France) est une entreprise développant des activités d’ingénierie d’innovation et de fabrication d’équipements; ceci dans les domaines de la robotique manufacturière et de service. Pour cela, la société dispose de ressources humaines pluridisciplinaires maîtrisant l’automatisme et la robotique et des services techniques plus spécialisés (optique, mécanique, électrotechnique, électronique, vision, contrôle-commande et traitement d’images). Différents moyens matériels sont mis à la disposition des projets pour les phases de conception dans les bureaux d’études et de réalisation dans les ateliers de fabrication et d’intégration.

L’étude de systèmes optiques novateurs est menée à bien grâce à des moyens de conception et de simulation (Zemax, IDL) qui permettent de modéliser toutes les grandeurs physiques à des fins d’analyse, mesure, localisation et d’identification. Une unité – Cybernétix Industrie, Manosque – fabrique des systèmes de haute précision et une autre unité d’intégration – Stigma Optique – assemble ces éléments. Dans le cadre de la bourse CIFRE, l’étude de R&D entre Cybernétix et le CRAL porte sur la fabrication, l’assemblage et la qualification des miroirs découpeurs et des barrettes de miroirs pupille et fente. Le travail de collaboration présenté dans ce paragraphe a pour but de définir :

• Les tolérances sur les rayons de courbure, tilts, planéité, parallélisme, perpendicularité,

• Le processus de fabrication en faisant un compromis technologique – coût.

Dans un premier temps, il a fallu choisir le matériau dans lequel les composants individuels seront réalisés. Ce matériau doit présenter les qualités suivantes classées par importance décroissante :

• Faible cœfficient de dilatation thermique (CTE) afin de satisfaire un environnement spatial (variation de 300K),

• Assemblage optique par adhérence moléculaire,

• Grande qualité optique après polissage (rugosité < 1 nm RMS), • Faible coût,

• Revêtement (coating en anglais) réalisable,

• Compatibilité entre la structure mécanique et les composants optiques.

On distingue trois catégories de matériaux possibles [12] : les verres thermiquement stables (Zérodur, Pyrex, Silice fondue, Ultra-Low Expansion Corning – ULE), les métaux (Aluminium, Béryllium, Invar) et les céramiques (SiC, C-SiC). Afin de satisfaire les qualités du matériau citées précédemment, seuls les verres permettent de faire un assemblage par adhérence moléculaire. Parmi, ces verres, le Zérodur fabriqué par Schott et l’ULE de Corning offrent les CTE les plus faibles (0.01 10^-6.K^-1 pour le Zérodur, 0.05 pour ULE, contre 0.56 pour la silice fondue et 3.4 pour le pyrex –Figure 3- 7). Pour des raisons de coût, le Zérodur a été préféré à l’ULE pour la fabrication de tous les miroirs équipant les prototypes testés à l’Observatoire de Lyon.

Figure 3- 7 : CTE pour différents verres [13]