Optimization of detection heads to measure protons and electrons from radiation belts of the Earth in a wide energy range
Optimisation de têtes de détection pour mesurer les protons et électrons des ceintures de radiations terrestres dans une gamme en énergie étendue
Résumé
Since the beginning of the Space Age started in October 1957 with the launch of Spoutnik-1 satellite, the number of satellites launched into space is increasing. However, the space environment of the Earth is a hostile environment for artificial satellites and their components, in particular due to radiation belts where energetic protons and electrons are trapped. The department DPHY at ONERA studies radiations belts and develops models, studies their effects on satellites equipments, and designs radiation monitors to have measurements. Some models are available to know the energy, the type and the location of particles in radiation belts. They are created thanks to measurements performed by radiation monitors. Nevertheless, a few measurements of low energy protons (few MeV) are available.
Moreover, radiation monitors that measure several types of particles for a wide range of energy are massive and bulky, not adapted to be embedded on small satellites as Cubesats.
The aims of this PhD research work are to develop a detection head to measure few MeV protons, and a miniaturized radiation monitor to measure simultaneously the incident energy of protons and electrons.
The first part of this work was dedicated to the development of the low energy protons detection head compatible with the ICARE-NG instrument. The good measurements of few MeV protons depends on the capability of the detection head to limit the contribution of high energy protons and electrons. To do that, the shielding of the head is made of Al-W-Al.
Magnets are used to deflect electrons, and the diameter of diodes is optimized to reduce the contribution of high energy protons and electrons. The analysis of predicted counts thanks to AP-8 and AE-8 radiation models shows that electronics will not saturate and that protons of few MeV will be detected in a wide region of radiation belts.
Finally, the engineering model of the detection head is produced, and the flight model will be embedded on two Airbus-DS
satellites in 2021.
The second part of this work was dedicated to the development of a miniaturized detection head based on the Timepix chip. The use of the Timepix with a differential shielding, or in a magnetic spectrometer is not relevant. The processing of Timepix data with convolutional neural networks is interesting and promising. Neural networks developed during this PhD research work allow to discriminate protons and electrons, and to establish incident energy channels. These networks are trained on data simulated thanks to GEANT4, and are applied on real data produced by the SATRAM instrument on-board the Proba-V
satellite since 2013. This leads to better results than those obtained so far by other models.
These neural networks allow to correctly discriminate in 95 % of cases protons and electrons, and to establish incident energy channels close to those obtained with other radiation monitors, and this with an instrument of 380 grams.
Depuis le début de la conquête spatiale démarrée en octobre 1957 avec le lancement du satellite Spoutnik-1 par l’ex-URSS, le nombre de satellites envoyés dans l’espace n’a cessé d’augmenter. Cependant, l’environnement spatial terrestre est un milieu hostile pour les satellites artificiels et leurs composants, en particulier à cause des ceintures de radiations peuplées de protons et d’électrons énergétiques. Le département DPHY de l’ONERA étudie les ceintures de radiations et développe des modèles afin de les modéliser, étudie leurs effets sur les équipements des satellites, et conçoit des moniteurs de radiations afin de disposer de mesures in-situ. Des modèles sont disponibles pour connaître l’énergie, le type et la localisation des particules dans les ceintures de radiations. Ils sont créés à partir des mesures faites par les moniteurs de radiations. Cependant, très peu de mesures de protons de faibles énergies (de quelques MeV) sont disponibles.
Par ailleurs, les moniteurs de radiations mesurant plusieurs types de particules sur une grande gamme en énergie sont massifs et volumineux, et non adaptés pour être embarqués sur des petits satellites tels que les Cubesats.
Les objectifs de cette thèse sont donc de développer une tête de détection capable de mesurer les protons de quelques MeV, et d’étudier la possibilité d’utiliser un moniteur de radiations miniaturisé pour mesurer simultanément l’énergie incidente des protons et des électrons.
La première partie de cette thèse a été consacrée au développement de la tête de détection de protons de basses énergies compatible avec le moniteur ICARE-NG. La bonne mesure des protons de quelques MeV dépend de la capacité de la tête de détection à limiter la contribution des protons énergétiques et des électrons. Dans ce but, le blindage de la tête est constitué d’une structure sandwich Al-W-Al. Des aimants sont utilisés à l’entrée de la tête de détection afin de dévier les électrons, et le diamètre des diodes est optimisé pour réduire la contribution des protons énergétiques et des électrons. L’analyse des comptages prédits à l’aide des modèles AE-8 et AP-8 montre que l’électronique ne subira pas de saturation et que les protons de basses énergies seront correctement mesurés pour de grandes régions dans les ceintures de radiations. Enfin, le modèle d’essai de la tête de détection est fabriqué, et le modèle de vol sera embarqué sur deux satellites fabriqués par Airbus-DS début 2021.
La deuxième partie de la thèse a été consacrée au développement de la tête de détection miniaturisée basée sur l’utilisation du Timepix. L’utilisation de la puce Timepix couplée à un blindage différentiel, ou bien dans un spectromètre magnétique n’ont pas été concluantes. Le traitement des données acquises par le Timepix à l’aide des réseaux de neurones à convolution est quant à lui intéressant et prometteur. Les réseaux de neurones à convolution développés durant cette thèse permettent de discriminer les protons et les électrons d’une part, et de déduire leur énergie incidente afin d’établir des gammes en énergie d’autre part. Ces réseaux sont entraînés sur des données simulées à l’aide de GEANT4, et leur application sur des données réelles acquises par l’instrument SATRAM présent sur le satellite Proba-V depuis 2013 mène à de meilleurs résultats que ceux obtenus jusqu’alors à l’aide d’autres méthodes. Ils permettent de discriminer correctement dans 95 % des cas les protons et les électrons, et d’établir des gammes en énergie proches de celles obtenues avec d’autres moniteurs de radiations, et ce avec un instrument de 380 grammes.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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