Mise en place des tests

Afin de répondre aux caractéristiques mécaniques du caisson à vide, les modules d’illumination et de détection ont été modifiés. Seul le prototype ESA se trouve à l’intérieur du caisson à vide. Le module d’illumination est vissé sur la fenêtre d’entrée du caisson tandis que le module de détection est installé sur une table optique à coté du caisson (Figure 3- 37, en haut à droite). Les différentes étapes des tests cryogéniques sont les suivantes :

• Montage et ajustement du banc optique à température ambiante, • Mesures à température ambiante,

• Mise sous vide du prototype ESA,

• Mesures à température ambiante et sous vide, • Descente en froid,

• Réajustement, réalignement du banc, • Mesures à température cryogénique, • Remontée à température ambiante,

• Réajustement, réalignement du banc et mesures à température ambiante.

Dans un premier temps, à cause du transport, le prototype doit être réintégré de la même manière qu’au paragraphe 6.2.1.

La descente en froid a pour but d’amener la structure mécanique et les optiques à une température de 30K. L’apport en froid entre le prototype et la tête froide est conduit par l’intermédiaire de six tresses thermiques placées sur la structure mécanique et situées près des éléments optiques. La température est contrôlée en plaçant cinq capteurs sur la structure mécanique (Figure 3- 37, en haut à gauche). Pour que la descente en froid soit efficace, un bouclier thermique est fixé sur le diamètre extérieur de la plaque froide. Le prototype, les tresses et le bouclier thermique sont recouverts de Multi Layer Insulation (MLI) (Figure 3- 37, en bas à gauche).

Le support mécanique du prototype est isolé de la plaque froide par trois bipodes en fibres de verre – G10. Ce matériau présente une faible conductivité thermique isolant le prototype de la plaque froide.

Du à la faible conductivité thermique de l’Invar, il existe des gradients de température dans la structure mécanique du prototype ce qui expliquent la non uniformité de température sur le prototype. Après 3 jours, une fois que la température est stabilisée, la température du miroir découpeur atteint 28.3K, celle des barrettes de miroirs pupille et fente atteignent 49.6K (Figure 3- 37, en bas à droite). Certains capteurs de température sont collés sur le prototype. A cause de l’isolation thermique de la colle, la température réelle devrait être inférieure de 2 à 3 K par rapport à la valeur mesurée.

Figure 3- 37 : En haut à gauche : Prototype ESA installé dans l’enceinte cryogénique avec les tresses thermiques, les capteurs de température et les bipodes en G10. En haut à droite : Prototype installé sous le caisson à vide avec le module d’illumination et de détection. En bas à gauche : Prototype sous le bouclier thermique recouvert de MLI. En bas à droite : Courbe de température des éléments optiques lors de la descente en froid.

6.2.5.2 Tests à 30K

Le principal but de ces tests en froid est de mesurer les changements de structures des optiques et de la mécanique entre la température ambiante et l’environnement cryogénique. Pour évaluer les mouvements internes du prototype, la position absolue suivant l’axe y de la fente est mesurée et comparée aux mesures à température ambiante. Suite à un problème de vignettage par le collimateur d’entrée, la longueur de la fente n’a pas pu être mesurée. La référence est le bord du miroir fente. La différence de position suivant l’axe y entre les mesures avant la descente en froid et à 30K est au maximum de 8 µm et elle est au maximum de 15 µm entre 30K et la remontée à chaud.

La mesure de PSF à 577 nm a deux buts :

• Mesurer les déplacements suivant l’axe x et y de la PSF avant la descente à froid, à 30K et au retour à température ambiante,

• Mesurer les effets de la descente en froid sur la forme de la PSF en calculant son énergie encerclée.

La différence de position de la grille de PSF entre les mesures avant la descente en froid et après avoir fait le vide est de 3.8 µm suivant l’axe x et de 5.7 µm suivant l’axe y.

La différence de position suivant l’axe x respectivement l’axe y entre les mesures avant la descente en froid et à 30K est au maximum de 15 µm respectivement 15 µm et elle est au maximum de 17 µm respectivement 10 µm entre 30K et la remontée à chaud. La précision de mesure est de ±4 µm suivant l’axe x et ±20 µm suivant l’axe y. De plus, 80% de l’énergie encerclée est contenue dans un cercle de 25 µm de diamètre (Figure 3- 38).

Figure 3- 38 : Mesure de PSF. De gauche à droite : Avant la descente en froid, à 30K, après la remontée à chaud

Lors de la descente en froid, les déplacements provoqués par le comportement de la structure mécanique et le positionnement des optiques sont minimes. En effet, les déplacements observés restent dans les spécifications données lors des tests à chaud. Ceci prouve la validation de ce système découpeur d’images pour une instrumentation spatiale.

6.2.6 Conclusion

Grâce aux résultats des tests, la fabrication et l’assemblage du prototype ESA se révèlent dans les spécifications demandées, ce qui récompense l’effort de R&D démarré avec le prototype CRAL avec de nouveaux processus de fabrication et d’assemblage. De plus, la méthode d’intégration à l’aide d’une machine tridimensionnelle et insertions de cales mécaniques est robuste et a permis d’aligner très rapidement le prototype. Ces tests ont aussi montré la fragilité des barrettes de miroirs pupille et fente qui ont été redessinées afin qu’elles puissent survivre aux tests en vibrations.

7 Conclusion

Ce chapitre propose une comparaison entre deux prototypes en technologie verre applicables au JWST. Le premier, nommé prototype CRAL, est une première mondiale en termes de fabrication, assemblage et tests. Il a permis de révéler certains points clés à améliorer. En effet, le processus de fabrication des slices crée de nombreux éclats sur les bords de celles-ci. De plus, l’assemblage des slices ou des barrettes doit être rendu reproductible et fiable grâce à un support mécanique amélioré. Cependant, les résultats obtenus sur les performances optiques du système sont très encourageants puisque la qualité image est conforme aux spécifications et que nous n’observons pas de chevauchement entre les fentes. Fort de l’expérience acquise sur ce prototype CRAL, un second prototype, nommé ESA, a été lancé en collaboration avec le LAM. Le processus de fabrication est amélioré par adhésion d’une lentille sur la surface active. De plus, le processus d’assemblage de 30 slices s’appuyant sur un trièdre de qualité optique permet un contrôle en temps réel de l’assemblage par visualisation des franges de coin d’air. L’assemblage des barrettes de miroirs pupille ou fente reste délicat en raison des faibles surfaces d’adhérence. Les tests dans le visible et à température ambiante, dont le CRAL était responsable, ont montré une qualité image correcte associée à un excellent alignement des éléments optiques. La tenue de ces derniers sur la structure mécanique a été démontrée lors des tests à température cryogénique et des tests de vibrations effectués au LAM. Finalement, les résultats des tests du prototype ESA récompensent l’effort de R&D entrepris avec Cybernétix puisque :

• Les tolérances de fabrication et d’assemblage entre les deux prototypes étaient deux fois inférieures,

• Le nombre de slices assemblées passe de 11 à 30,

• Le rapport Longueur/Largeur des slices augmente de 50%, • Le grandissement du slicer passe de 0.148 à 0.09.

Grâce à l’expérience acquise sur ces deux prototypes, l’Observatoire Lyon se positionne comme l’un des leaders mondiaux des systèmes découpeur d’images, grâce à l’étude de designs optiques, aux réalisations de prototypes et aux tests de performances. De plus, il possède une réelle expertise sur les systèmes découpeurs d’images développés en technologie verre. A partir de là, le CRAL est en mesure de répondre à différents appels d’offres de spectrographes intégraux de champ basés sur des systèmes découpeur d’images, tel l’instrument MUSE pour le VLT qui fait l’objet du chapitre suivant.

Références

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CHAPITRE 4

TESTS DE PERFORMANCES D’UN