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Crédit : nous remercions tous nos partenaires (dont CNES, ESA, NASA, etc) pour les images et photos mises à notre disposition.
 

————LPC2E ————
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sans autorisation préalable

  Expériences spatiales

    

 

COSIMA
COmetary Secondary Ion Mass Analyzer
Système d'Analyse In-Situ pour Rosetta

 

L'expérience COSIMA est l'instrument de spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (TOF-SIMS), embarquée à bord de l'orbiteur de la mission d'exploration cométaire ROSETTA. Son objectif est l'étude de la composition chimique des grains de poussière éjectés par la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko lorsque le rayonnement solaire sublime sa surface. COSIMA fournira l'analyse chimique élémentaire, moléculaire et isotopique de la surface des grains de poussière cométaire collectés in situ sur des cibles exposées vers la comète. L’instrument est capable de caractériser la matière minérale et la matière organique et l’analyse peut être réalisée plusieurs fois à n’importe quel instant après la capture des grains. L'instrument est sous la responsabilité de M. Hilchenbach du MPS Max Planck Institute for Solar System Research et il a été développé par un groupe de scientifiques européen constitué en 1995. La contribution instrumentale du LPC2E à Cosima est la fourniture du faisceau d'ions primaires appelé PIBS qui conditionne certaines propriétés instrumentales clefs. Le LPC2E est également impliqué dans des analyses de référence au sol au travers d’un instrument de laboratoire presque identique à l’instrument de vol dans ses caractéristiques analytiques. Cet instrument de laboratoire permet depuis 1999 d’étudier des échantillons analogues de la matière cométaire afin de faciliter l’interprétation des futures données de vol. Les données obtenues sont incorporées dans une base de données du Max Planck Institute for Solar System Research dont le LPC2E héberge une copie fonctionnelle accessible à la communauté scientifique. Depuis son lancement le 2 mars 2004 la sonde Rosetta à croisé deux astéroïdes afin d’en réaliser l’étude et a survolé la planète Mars ainsi que la Terre afin de bénéficier de quatre assistances gravitationnelles. Pendant ce voyage, Cosima a été mis en route à de nombreuses reprises et des spectres de cibles (vide de grains) ont été enregistrés confirmant ainsi le bon fonctionnement de l’instrument. Le logiciel de bord a été mis à jour et testé en vol afin de tenir compte du résultat des essais réalisés et de l’évolution récente du scénario de survol cométaire défini par l’ESA. Les données de Cosima seront, pour la plupart, enregistrées après novembre 2014 lorsque l’atterrisseur PHILAE sera posé sur la comète.

L'instrument COSIMA
La collecte des grains cométaire est réalisée en exposant un certain temps (quelques jours à quelques semaines) une cible au flux de gaz et de poussières provenant de la surface du noyau glacé cométaire chauffée par le rayonnement solaire. Puis des images de la cible sont réalisées par une caméra combinée à un microscope afin de déterminer la taille et la position des grains visibles. Un bras robotisé permet de déplacer les cibles entre plusieurs emplacements de l’instrument (exposition, imagerie, analyse chimique, chauffage, stockage, nettoyage ionique). Après une étude au sol par l’équipe scientifique Cosima, des grains seront sélectionnés et analysés par le spectromètre de masse de la manière suivante : le faisceau d’ions primaires est focalisé sur un grain cométaire afin d’en pulvériser la surface et d’en extraire des ions secondaires. Ces ions sont accélérés par un champ électrique puis trié en fonction de leur vitesse avant d’être compté un par un par un détecteur. Le temps de transit d’un ion de la cible jusqu’au détecteur permet de calculer sa masse. En détectant un grand nombre d’ions secondaires, on constitue un spectre de masse. Les spectres obtenus indiquent des masses exactes et des abondances relatives qu’il convient corriger par une calibration réalisée au sol avec des échantillons connus. L’interprétation plus ou moins facile des spectres permet de proposer une composition chimique de la surface de chacun des grains étudiés. Il sera possible d’analyser les mêmes grains plusieurs fois dans le cas ou l’évolution des connaissances au cours de la mission le justifierait.

Principales caractéristiques physiques et électriques de l'instrument:
- longueur : 986 mm
- largeur : 356 mm
- hauteur : 362 mm
- masse : 19.8 kg
- consommation électrique : 21 W max.

La foruniture instrumentale du LPC2E
Le faisceau d’ions primaires qui génère les ions secondaires a été réalisé par le LPC2E. C’est un élément essentiel d’un spectromètre de masse à temps de vol, car ses caractéristiques conditionnent la plupart des caractéristiques de l’instrument (résolution en masse, résolution latérale, intensité des spectres). L’optique ionique a été fournie par le LPC2E et les deux sources d’ions d’indium ont été fournies par une équipe autrichienne basée à Seibersdorf (OFZS) et à Graz (IWF). L’optique ionique permet à partir d’une source de former deux faisceaux d’ions (d’une énergie de 8 à 10 kV) focalisés sur une surface d’environ 30 à 100 µm. Un des deux faisceaux est modulé pour fournir une impulsion d’environ 2000 ions pendant 3 ns sur la cible. L’impulsion des ions primaires détermine l’instant de départ des ions secondaires de la cible. Elle est répétée un grand nombre de fois afin de cumuler la détection d’un grand nombre d’ions secondaires sur le détecteur. La durée typique d’accumulation d’un spectre varie de quelques minutes à quelques heures. Le faisceau non modulé est utilisé pour l’éventuel nettoyage de la surface des grains cométaires par pulvérisation ionique. Les deux sources introduisent une redondance qui augmente la fiabilité de l’instrument. L’optique ionique est constituée de 4 lentilles électrostatiques, d’un modulateur de faisceau, d’un compresseur de durée d’impulsion d’ions, de plaques de déflexions et d’un échangeur électrique qui permet de sélectionner la première ou la deuxième source d’ions.

Principales caractéristiques physiques et électriques de PIBS:
- optique ionique :
   - longueur : 310 mm
   - largeur : 100 mm
   - hauteur : 60 mm
   - masse : 1.250 kg
- électronique :
   - 5 cartes électroniques dédiées au PIBS au format Europe
   - 8 cartes électroniques au format Europe partagées avec d'autres sous-systèmes COSIMA

Résultats
Depuis 1999, un spectromètre de masse de laboratoire est équipé de la première version du PIBS au LPC2E. Ce spectromètre de masse TOF-SIMS possède des performances semblables à celle de l’instrument de vol COSIMA. Le spectromètre du LPC2E a été utilisé pour mesurer les performances du PIBS et de celles de l’instrument Cosima. Il permet de constituer une bibliothèque de spectres d’échantillons de référence et de développer des compétences analytiques. Des outils pour la préparation d’échantillons ainsi que des logiciels de traitement de données ont été développés afin d’être en mesure d’exploiter au mieux les données de vol en un minimum de temps. Ces travaux sont réalisés en association avec les laboratoires du groupe Cosima (en particulier le CSNSM, le LISA, le MPS et le LCM). Les échantillons de référence étudiés sont principalement des minéraux et des composés organiques purs en rapport avec les comètes. Des mélanges ont également été analysés ainsi que des analogues cométaires : des météorites, des micro météorites et des échantillons de synthèse. Ces études ont permis de cerner les performances analytiques instrumentales qui vont conditionner les interprétations des données de vol. Actuellement avec l’instrument de vol et en l’absence de grains cométaires collectés, seule la contamination résiduelle présente sur certaines cibles a été étudiée et a révélé la présence d’une faible quantité d’huile de silicone. Les études d’échantillons ont révélé que les données de vol pourraient présenter aux analystes une forte complexité pour l’interprétation et qu’un volume important de spectres devrait être produit. Ceci a affiné les procédures d’analyse et a systématisé l’utilisation de méthodes d’analyse statistique de données afin de traiter des gros volumes d’information. Des méthodes de traitement de données à variables multiples ont été utilisées pour analyser simultanément des dizaines de spectres :PCA (Principal Component Analysis), Corico (CORelation ICOnographie) , BPSS (Positive Bayesian Source Separation). Ces méthodes fournissent des représentations graphiques simples qui illustrent les relations qui existent entre les données. Par exemple, il est ainsi possible de séparer en plusieurs composantes élémentaires le spectre d’un échantillon constitué du mélange de plusieurs produits purs ou de regrouper un grand nombre de spectres par familles chimiques.

Etat de l'instrument COSIMA
La sonde Rosetta est en hibernation, et en rotation sur elle-même de manière à maintenir l’exposition de ses panneaux solaires vers le soleil. Seuls l’ordinateur de bord et un système de régulation de la température restent actifs. Lors du dernier test en décembre 2010, soit 8 années après avoir été livré à l’ESA, l’instrument Cosima était pleinement opérationnel. Actuellement il n’est pas alimenté en électricité, il le sera en avril 2014 après la sortie d’hibernation en janvier 2014. L’activité maximum de l’instrument interviendra à près novembre 2014, car les opérations de préparation du lancement de l’atterrisseur PHILAE monopoliseront les ressources de la sonde et parce que le flux de grains cométaires devrait couvrir les cibles exposées d’une trop faible quantité de matière pour être analysée.

L’instrument TOF-SIMS de laboratoire
Cet équipement a été modifié en 1995 pour l’expérience Cosima avec comme objectifs de tester la fourniture du LPC2E (le faisceau d’ions primaire PIBS) et de contribuer aux travaux de calibration de l’instrument de vol COSIMA. A part le système PIBS, tous les éléments constitutifs de l’instrument sont des fournitures commerciales de laboratoire. Les caractéristiques de l’instrument de laboratoire sont presque identiques à celle du spectromètre Cosima et les spectres obtenus sont semblables à ceux fournis par l’instrument de vol. Les différences principales résident dans le mécanisme d’introduction des échantillons et dans l’interface manuelle du réglage des paramètres de l’instrument. Ces deux différences réduisent considérablement la durée pratique d’analyse des échantillons.

En analyse TOF-SIMS un problème important consiste à maintenir la surface des échantillons à un niveau de propreté chimiquement très poussé. L’instrument est donc accompagné d’un petit laboratoire de chimie qui permet de préparer les échantillons et de les stocker sans les contaminer. Une bibliothèque de spectres TOF-SIMS du commerce est disponible et complète celle constituée par le groupe Cosima. Cette bibliothèque est utilisée pour comparer les spectres des échantillons étudiés à ceux de produits purs. En effet si l’analyse élémentaire est souvent relativement simple, l’analyse moléculaire est souvent compliquée. Un spectre seul ne permet généralement pas de fournir une identification claire d’un composé organique inconnu, car la précision avec laquelle les masses du spectre sont mesurées laisse souvent une ambiguïté entre plusieurs produits compatibles possibles. Il peut être alors nécessaire de réaliser des analyses complémentaires.

Contact : C. Briois

 

 

 

 


Instrument COSIMA à bord de ROSETTA


Modèle de vol de la composante mécanique de l'optique ionique PIBS (Photo LPC2E)


Modèle de vol de l'optique ionique PIBS en cours d'intégration avec l'instrument COSIMA (Photo LPC2E)


Exemple de spectre de masse d'ions secondaires positifs obtenu pendant la recette en vol de l'expérience début septembre 2004. On y reconnaît les pics de masse habituels sur ces cibles d'argent, plus quelques pics spécifiques probablement liés à l'environnement du vaisseau.
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Extrait d'un spectre d'ions secondaires positifs obtenu après analyse
d'une cible de référence en titane (Document LPC2E)
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Zoom sur le pic de masse correspondant à H+ dans le domaine des temps,
le définition du pic est corrigée des sources d'élargissement extérieures au PIBS.
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expériences avec traitements scientifiques en cours