Study and development of a mass spectrometer and energy : modeling and optimization of the optical, realization of the prototype - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Study and development of a mass spectrometer and energy : modeling and optimization of the optical, realization of the prototype

Étude et développement d'un spectromètre de masse et énergie : modélisation et optimisation de l'optique, réalisation du prototype

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Joël Becker
  • Function : Author
  • PersonId : 948501

Abstract

The objective of my work was to develop, implement and test a neutral mass spectrometer to study planetary exospheres, NIMEIS (Ion and Neutral Mass and Energy Imaging Spectrometer). The particles in the planetary exospheres are signatures of the interaction between the environment and the atmosphere or/and the planet's surface. For this purpose, an ion and neutral mass spectrometer, capable of determining the mass and energy of the particles in the exosphere was defined. A numerical model of the instrument is optimized in order to cover the requested instrumental performances. This numerical model has been then used to design, build and test the first prototype of NIMEIS. I also worked on the development of an ionization source, necessary for the operation of the neutral mass spectrometer. This original ionization source was based on the use of carbon nanotubes as electron emitters. We work in collaboration with a South Korean laboratory that provides us carbon nanotube emitters. Our tasks were to design, build and model device of extraction in the aim to optimize the principle of the electron extraction. I also worked on the definition and optimization of the numerical model of the instrument PICAM (Planetary Ion CAMera). PICAM is an ion mass spectrometer on the BepiColombo mission which will study Mercury's exosphere. The originality of this instrument is to measure mass and energy as well as to provide an instantaneous image of an hemisphere. The goals of the numerical optimization was to start from the design of the instrument DION forthe Phobos-Grunt Mission (Vaisberg et al. 2010) and to increase as much as possible the geometrical factor in order to achieve the required performances in Mercury's exosphere.
L'objectif de mon travail a été de développer, réaliser et tester un spectromètre de masse neutre afin d'étudier les exosphères planétaires : NIMEIS (Neutral and Ion Mass and Energy Imaging Spectrometer). Les particules présentes dans les exosphères planétaires peuvent s'interpréter comme la signature des processus d'interaction entre l'environnement des objets planétaires et leur atmosphère et/ou surface. Un instrument de mesure, capable de déterminer la masse et l'énergie des particules de l'exosphère a été imaginé afin d'identifier et caractériser ces processus. Un modèle numérique d'un spectromètre de masse et d'énergie pour la mesure des neutres et ions exosphériques a été développé afin de répondre aux objectifs instrumentaux imposés par notre connaissance de ces processus. A partir du modèle numérique obtenu, un prototype a été réalisé et des tests ont été effectués. En parallèle, j'ai travaillé sur le développement d'une source d'ionisation, également nécessaire pour le fonctionnement optimal du spectromètre de masse neutre, basée sur l'utilisation de nanotubes de carbone comme émetteurs d'électrons. Nous travaillons en collaboration avec un laboratoire Sud Coréen qui produit les nanotubes de carbone. Mon travail a permis de définir, concevoir et modéliser différents types de dispositifs pour parfaire l'extraction des électrons. J'ai également travaillé sur la définition et l'optimisation du modèle numérique de l'optique de l'instrument PICAM (Planetary Ion CAMera). PICAM est un spectromètre de masse d'ions de la mission Bepi-Colombo ayant pour objectif d'étudier l'exosphère ionisée de Mercure. La particularité de cet instrument est de mesurer la masse, l'énergie et de produire une image instantanée d'un champ de vue hémisphérique. L'optimisation du modèle s'est faite à partir d'un modèle numérique en partant du design de l'instrument DION de la mission Phobos-Grunt (Vaisberg et al. 2010). L'objectif de cette optimisation a consisté en la recherche d'une augmentation du facteur géométrique, indispensable dans le cadre de l'exploration de Mercure.
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Dates and versions

tel-00905315 , version 1 (18-11-2013)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00905315 , version 1

Cite

Joël Becker. Étude et développement d'un spectromètre de masse et énergie : modélisation et optimisation de l'optique, réalisation du prototype. Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00905315⟩
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