Les exemplaires successifs de CARMEN

CARMEN-1

La plateforme instrumentale CARMEN-1 a décollé à bord du satellite SAC-D le 10 juin 2011 (fin de mission le 8 juin 2015).

L'instrument ICARE-NG/CARMEN-1 se compose de 3 détecteurs de radiation associés à une électronique d'acquisition et traitement (Boîtier SPECTRE) et d'une carte expérience composants (Module EXPERIENCE) identiques à ceux de CARMEN-2. L'instrument ICARE-NG réalise de plus l'interface de télémétrie et télécommande (TM/TC) pour les capteurs SODAD.

CARMEN-2

La plateforme instrumentale CARMEN-2 a décollé à bord du satellite Jason-2 le 20 juin 2008 (fin de mission le 10 octobre 2019).

L'instrument ICARE-NG/CARMEN-2 se compose de 3 détecteurs de radiation associés à une électronique d'acquisition et traitement (Boîtier SPECTRE) et d'une carte expérience composants (Module EXPERIENCE) identiques à ceux de CARMEN-1.

CARMEN-3

La plateforme instrumentale CARMEN-3 a décollé à bord du satellite Jason-3 le 17 janvier 2016.

L'instrument ICARE-NG/CARMEN-3 se compose de 3 détecteurs de radiation associés à une électronique d'acquisition et traitement (Boîtier SPECTRE) et d'une carte expérience composants (Module EXPERIENCE) sensiblement similaires à ceux de CARMEN-1.

L'instrument ICARE-NG réalise de plus l'alimentation du capteur additionnel AMBRE (qui est situé à l'extérieur du satellite) ainsi que son interface TM/TC associée. Un étage spécifique du convertisseur DC/DC a été d'ailleurs développé pour assurer une alimentation isolée pour AMBRE.

CARMEN-4

La plateforme instrumentale CARMEN-4 a décollé à bord du satellite EUTELSAT 7C le 20 juin 2019.

L'instrument ICARE-NG/CARMEN-4 se compose de 3 détecteurs de radiation associés à une électronique d'acquisition et traitement (Boîtier SPECTRE) et d'une carte expérience composants (Module EXPERIENCE) similaire à ceux de CARMEN-2.

CARMEN-5

La plateforme instrumentale CARMEN-5 a décollé à bord du satellite HOTBIRD 13G le 3 novembre 2022.

CARMEN-5 est constitué d’un instrument identique à CARMEN-4 à part l’un des détecteurs qui a été optimisé pour détecter les protons dans la gamme 1 à 10 MeV. L'instrument ICARE-NG²/CARMEN-5 se compose donc aussi de 3 détecteurs de radiation associés à une électronique d'acquisition et traitement (Boîtier SPECTRE). La carte expérience composants (Module EXPERIENCE) n’est plus présente.

CARMEN-6

La plateforme instrumentale CARMEN-6 a décollé à bord du satellite HOTBIRD 13F le 15 octobre 2022.

CARMEN-6 est le jumeau de CARMEN-5. L'instrument ICARE-NG²/CARMEN-6 se compose donc aussi de 3 détecteurs de radiation associés à une électronique d'acquisition et traitement (Boîtier SPECTRE). La carte expérience composants (Module EXPERIENCE) n’est plus présente.

CARMEN-7

La plateforme instrumentale CARMEN-7 doit être installée à bord de la future station spatiale Lunar Gateway en orbite lunaire, sur le plateau ERSA de l’Agence Spatiale Européenne.

Les instruments composant la charge utile de CARMEN

L’instrument ICARE-NG

Les détecteurs de radiation embarqués par ICARE-NG sont des diodes silicium utilisées en mode simple ou en coïncidence. Le boîtier SPECTRE réalise les mesures de spectres de radiation sur diverses gammes d'énergies. Ces mesures consistent à générer à bord de l'instrument les spectres cumulés en énergie pour chaque type de particule pendant une période programmable.

Les niveaux de référence, les gains des chaînes de mesure et la période d'accumulation pour la génération des spectres sont programmables et permettent une possible optimisation de la mise au point en vol. L'ensemble de ces valeurs est préréglé avant le lancement.

En plus de l'électronique de traitement, le boîtier SPECTRE effectue les fonctions d'alimentation et d'interface de télécommande / télémesure via un bus 1553 (système normé de communication permettant au boîtier d’échanger commandes et données avec le satellite et les instruments). Il comprend également une interface de télécommande / télémesure pour le contrôle d'un ou plusieurs instruments externes.

Principales caractéristiques de l'instrument ICARE-NG dans CARMEN-2

Principales caractéristiques de l'instrument ICARE-NG dans CARMEN-3

Principales caractéristiques de l’instrument ICARE-NG dans CARMEN-4

Module expérience MEX

Le rôle du module EXPERIENCE (MEX) est de mesurer en vol les taux d'événement et les dérives paramétriques d'un ensemble de composants électroniques avancés. Ce module est esclave du boîtier SPECTRE dont il dépend pour toutes ses alimentations et pour les échanges de données avec l'extérieur.

Le Module EXPERIENCE (MEX) est consacré à l'étude des effets des rayonnements issus de l'environnement spatial sur les composants électroniques. Les types d'effets visés sont la dose ionisante, les effets singuliers et les effets de déplacement. Divers véhicules de test (DUT) ont été choisis dans une liste de dispositifs très sensibles identifiés à partir d'essais réalisés au sol (mémoires, composants linéaires et optoélectroniques, MOSFET de puissance...).

Le MEX est composé d'une partie analogique et d'une partie logique contrôlées par un FPGA (Field Programmable Gate Array) et son buffer mémoire.

La figure ci-dessous montre le Modèle d'ingénierie du MEX et son boîtier. Le MEX est situé sur le fond de l'instrument ICARE-NG. Son boîtier sert de fixation à l'instrument complet ICARE-NG sur la face interne de mur satellite. De cette façon, le MEX est le plus exposé aux rayonnements venant de l'extérieur du satellite.

Le module EXPERIENCE peut être changé facilement d'une mission à l'autre. L'instrument ICARE-NG fonctionne même si aucun module EXPERIENCE n'est connecté.

Des dosimètres permettent de mesurer avec précision la dose ionisante rencontrée par les instruments CARMEN. Le MEX embarque deux types de dosimètres : deux RADFET (Radiation-sensing Field-effect Transistors) réalisés par la société TRAD ainsi qu'un dosimètre OSL (luminescence optiquement stimulée) développé par l'Institut d'Électronique du Sud de l'Université Montpellier II. Tous les dosimètres sont placés dans le même secteur afin d'obtenir des mesures comparables.

L’instrument SODAD

Quatre modèles de vol de l’instrument SODAD (Système Orbital pour la Détection Active des Débris) ont été initialement développés. Trois pour le microsatellite brésilien FBM (Franco-Brazilian Microsatellite) et un pour la station internationale ISS dans le cadre de l'expérience MEDET. Le modèle pour la station a été installé en orbite en février 2008. Mais l'arrêt de la participation du CNES au projet FBM en 2004 a permis de disposer de 3 modèles de vol SODAD presque complets en attente d'intégration et de spécification d'interface mécanique.

SODAD est dédié à la détection de micrométéorites et de micro-débris spatiaux. Le principe de mesure est basé sur l'échantillonnage de la décharge d'une capacité MOS dont l'électrode supérieure est très mince et la surface directement exposée à l'impact des particules. Un potentiel électrique est appliqué sur le dispositif et une charge est normalement stockée dans la capacité. Quand une particule de haute vitesse la traverse avec assez d'énergie, elle peut la court-circuiter et conduire à une décharge de celle-ci. L'événement est alors mesuré et permet de caractériser la vitesse et la masse de la particule. En peu de temps, le capteur est ensuite rechargé à sa valeur nominale.

L'évaporation de l'électrode autour du site d'impact empêche généralement la présence de courts-circuits permanents. La sensibilité du capteur dépend principalement de l'épaisseur diélectrique, de la matière et l'épaisseur de l'électrode supérieure et de la tension appliquée. Le dispositif est dimensionné pour la détection de particules d'un diamètre 0,5 µm à quelques µm.

L’instrument AMBRE

AMBRE (Active Monitor Box of Electrostatic Risks) est un modèle de capteur capable de détecter des ions et des électrons de faibles énergies dans la gamme 10ev-30keV. Ce capteur discrimine les particules selon leur énergie et réalise des spectres en énergie.

Issue d’une technologie de l'IRAP (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie), le capteur AMBRE bénéficie de l'héritage acquis par les missions précédentes (GIOTTO : Electrons, INTERBALL : Electrons & ions, Cluster : Ions, STEREO : Electrons). AMBRE est un modèle compact et allégé destiné à être embarqué plus systématiquement et plus facilement.

C'est un modèle de capteur capable de détecter des ions et des électrons de faibles énergies dans la gamme 10ev-30keV. Il est capable de discriminer les particules selon leur énergie et réalise des spectres en énergie. Il est interfacé par l’instrument ICARE-NG qui l'alimente et avec qui il échange télémesures et télécommandes.

Le capteur AMBRE est monobloc et possède une partie médiane qui intègre l’électronique, les connexions électriques ainsi que les interfaces de fixation mécanique vers le satellite. De part et d’autre de cette partie centrale sont implantés deux capteurs respectivement pour la mesure des protons et des électrons.

La mesure de particules se fait sur un minimum de 256 bandes spectrales définies à +-5% selon une échelle logarithmique comprise entre 10eV et 30keV. Le comptage se fait suivant quatre voies ayant au total un angle de vue de ~180° dans un sens et ~11° dans l’autre. Les flux attendus vont d’une fraction de pA/cm² à 10nA/cm². La dynamique du capteur permet de mesurer les forts flux sans saturation.

Principe de mesure d’AMBRE

Le spectromètre de particules chargées de AMBRE est constitué d’un analyseur "Top-hat" électrostatique pour la sélection en énergie, de galettes micro-canaux pour la multiplication des charges et d’une électronique de commande et de comptages.

L'analyseur "Top-hat" est composé de 2 demi-sphères polarisées (haute tension proportionnelle à l’énergie) surmontée d’un chapeau, d'un collimateur et d'une grille à l'entrée du collimateur.

Principales caractéristiques de l'instrument AMBRE