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Atomes neutres énergétiques (ENA) dans l'espace


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L'imagerie atomique neutre: la prochaine étape
(invitation à la réunion d'automne, AGU, décembre 2012)
15 minutes: intervalle de temps 16: 03-31: 30 dans la vidéo YouTube de la session


Imagerie dans les flux d'atomes neutres énergétiques (imagerie ENA)

Un nouveau champ d'expériences spatiales et d'instrumentation a émergé: l' imagerie des plasmas spatiaux dans les flux d'atomes neutres énergétiques (ENA) . Il a fallu plus de 25 ans à partir des premiers concepts vagues de la fin des années 1970 pour développer des techniques expérimentales et de l'instrumentation. Le concept d'imagerie ENA a spectaculairement démontré sa puissance dans la mission IMAGE de la NASA (lancée en 2000) portant trois instruments ENA pour l'imagerie de processus magnétosphériques dans différentes gammes d'énergie. (Voir aussi le site IMAGE de la NASA .) Le vaisseau spatial Cassini utilise une caméra atomique spéciale à imagerie neutre (INCA) pour étudier la magnétosphère de Saturne. La mission de la NASA TWINS fournit pour la première fois une vue spectroscopique dans les ENA de la magnétosphère terrestre par l'observation simultanée de deux engins spatiaux.

La NASA a approuvé en janvier 2005 une nouvelle mission spatiale pour sonder la frontière galactique du système solaire en imageant l'héliosphère dans les flux ENA. Ces missions - Interstellar Boundary Explorer (IBEX) - seront lancées en octobre 2008. La justification scientifique et le concept de l'expérience sont décrits en détail dans Journal of Geophysical Research, 2001 .

Le concept de l'imagerie par ENA de l'héliosphère est apparu pour la première fois en 1979-1980. Alors que la première expérience spatiale simple dédiée à la détection des ENA héliosphériques a été développée au milieu des années 1980, l'instrument n'a jamais volé. (Voir l' historique de l'étude ENA dans l'espace. )

Il a fallu près de vingt ans pour affiner le concept de l'expérience de l'imagerie héliosphérique ENA et mûrir la technologie de l'instrumentation.

Atouts neutres énergétiques (ENA) - Tutoriel

L'interaction entre particules chargées et neutres est un phénomène courant dans les plasmas spatiaux. Chaque fois qu'un ion énergétique subit un processus d'échange de charge dans une collision avec un atome de fond neutre, un atome neutre énergétique - ENA - naît. La recombinaison ion-électron et l'accélération des atomes neutres par la gravitation solaire peuvent également contribuer à une population d'ENA dans certaines conditions. Les ENA sont omniprésents dans l'environnement spatial et leur étude ouvre une nouvelle fenêtre sur divers phénomènes dans les plasmas spatiaux avec la promesse (déjà partiellement réalisée) d'améliorer qualitativement notre compréhension des processus globosphériques et héliosphériques globaux.

Aperçu du livre

Un ENA n'est pas lié par le champ magnétique et, comme une pierre d'une fronde, quitte le lieu de sa naissance le long d'une trajectoire rectiligne avec une vitesse de l'ion énergétique. Les ENA, contrairement aux particules chargées, peuvent parcourir de grandes distances dans l'espace avec des changements minimes sans subir d'autres interactions avec le plasma.

Les mesures ENA sont un outil puissant pour étudier à distance divers objets plasmatiques globaux dans l'espace, tels que l'héliosphère et les magnétosphères planétaires. En enregistrant les flux d'ENA en fonction de la direction d'observation, on peut reconstruire une image globale de l'objet d'intérêt, ainsi le terme «ENA imaging», introduit en 1984 pour l'imagerie de l'extérieur et de l'intérieur de la magnétosphère. La distribution de l'énergie des ions plasmatiques et la composition des ions peuvent être établies à distance en mesurant les énergies et masses ENA. L'imagerie ENA signifie généralement non seulement la détermination de la distribution angulaire du flux ENA, mais aussi des énergies et masses ENA. Une expérience d'imagerie ENA produit idéalement un ensemble d'images d'un objet plasma dans des ENA de différentes masses et dans différentes gammes d'énergie.

Les protons sont le composant le plus abondant des ions plasmatiques dans l'espace. Contrairement à d'autres ions plasmatiques (par exemple, He + et O +), les protons ne peuvent pas être imagés optiquement, ce qui fait que les ENA sont souvent le seul outil permettant d'étudier à distance les processus d'intérêt.

Aperçu du livre

Instrumentation ENA

Les ENA sont restés peu explorés expérimentalement pendant de nombreuses années en raison d'énormes difficultés instrumentales. La raison est la suivante. Les énergies des ENA (100 eV et plus) sont suffisantes pour produire des électrons secondaires à l'impact de surface. Par conséquent, les ENA peuvent être facilement enregistrés par des multiplicateurs d'électrons secondaires, tels que des multiplicateurs d'électrons de canal et des détecteurs de plaque de microcanaux. Le problème est que l'espace est rempli de flux de photons de H Lyman-a (? = 121,6 nm = 1216 A) qui produisent efficacement des photoélectrons à partir de surfaces et déclenchent par conséquent des multiplicateurs d'électrons secondaires. (L'autre ligne d'émission de fond importante est à 58,4 nm = 584 A) Le taux de comptage d'un détecteur typique dû aux photons de fond serait de 4 à 7 ordres de grandeur plus élevé que le taux de comptage dû aux flux d'ENA. Un autre défi expérimental est que les flux d'ENA sont très faibles et qu'il faut développer des instruments avec de grands facteurs géométriques. Les difficultés expérimentales étaient perçues comme insurmontables par beaucoup - excepté très peu d'âmes courageuses - à cette époque.

Diverses techniques expérimentales ainsi que des composants et des conceptions d'instruments (avec des capacités d'imagerie et d'analyse) ont été développés pour permettre l'imagerie ENA sur une large gamme d'énergies ENA, de quelques eV à 100 keV. Nous mentionnons ici

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L'instrumentation ENA est aujourd'hui mature, avec d'excellentes caractéristiques de performance. Voir l'article de revue sur l'instrumentation spatiale ENA .

Voici la liste des publications de Mike Gruntman qui ont considérablement fait progresser le concept ENA, la technologie d'instrumentation et les composants.

  • L'échange de charge sur l'hélium interstellaire domine les propriétés du vent solaire neutre dans l'hémisphère vent arrière (interstellaire).

M. Gruntman, La composante neutre du vent solaire à l'orbite terrestre, Cosmic Research, 18, 649-651, 1980
  • Propriétés dynamiques du flux d'atomes d'hélium interstellaire à 1 UA

  • Évaluation de la possibilité d'une expérience spatiale pour détecter directement les atomes d'hélium interstellaire à 1 UA
M. Gruntman, Hélium interstellaire à l'orbite terrestre, Preprint-543 (Rapport-543), Institut de recherche spatiale (IKI), Académie des sciences de l'URSS, 1980
  • Motivation pour le développement d'instrumentation pour l'étude des plasmas chauds dans l'espace (composante de vent solaire neutre) et de laboratoire (fusion)

  • Démonstration expérimentale de l'analyse TOF ENA ultrarapide et détection à des énergies ENA aussi faibles que 600 eV (TOF a été appliqué à cette époque pour des énergies> 25 keV)
  • Démonstration de trois conceptions de détecteurs "exposition directe" TOF, avec des caractéristiques remarquablement similaires à celles des caméras d'imagerie ENA actuelles
  • Mesure des efficacités de détection absolues des détecteurs (et instruments) sans étalonnage absolu du détecteur en utilisant les caractéristiques des techniques de coïncidence
  • Nouvelle conception de capteur pour détecter directement le flux d'hélium interstellaire dans un mode de coïncidence
M. Gruntman et VA Morozov, Étude des caractéristiques de performance de l'analyseur d'énergie de détection des atomes rapides à base de feuille, Preprint-667 (Report-667), Institut de recherche spatiale (IKI), Académie des sciences de l'URSS, 1981
  • Démonstration expérimentale de l'analyse TOF ENA ultrarapide et détection à des énergies ENA aussi faibles que 600 eV (TOF a été appliqué à cette époque pour des énergies> 25 keV)

  • Démonstration de trois conceptions de détecteurs "exposition directe" TOF, avec des caractéristiques remarquablement similaires à celles des caméras d'imagerie ENA actuelles
  • Mesure des efficacités de détection absolues des détecteurs (et instruments) sans étalonnage absolu du détecteur en utilisant les caractéristiques des techniques de coïncidence
  • Nouvelle conception de capteur pour détecter directement le flux d'hélium interstellaire dans un mode de coïncidence
M. Gruntman et VA Morozov, détection d'atome d'hydrogène et analyse énergétique à l'aide de feuilles minces et de la technique TOF, Journal of Physics E: Scientific Instruments, 15, 1356-1358, 1982
  • Les flux d'ENA perturbent l'approche du vent interstellaire supersonique bien au-delà du choc de l'arc (jusqu'où il faut aller pour atteindre le milieu interstellaire immaculé)

M. Gruntman, Effet de la composante neutre du vent solaire sur l'interaction du système solaire avec le flux gazeux interstellaire, Soviet Astronomy Letters, 8, 24-26, 1982
  • Étude de faisabilité et proposition complète d'une expérience spatiale pour détecter les ENA dans l'espace

  • Concentration primaire: composante neutre du vent solaire et des ENA héliosphériques provenant de l'interface héliosphérique du système solaire (choc de terminaison)

  • Base d'instrumentation: détecteurs à base de film TOF
  • Référence aux rapports internes d'IKI qui avaient d'abord proposé le concept:
    M. Gruntman, rapport 9-182, laboratoire 182, IKI, 1979
    M. Gruntman, Rapport 14-182, Laboratoire, IKI, 1980
  • Nouveau concept de filtrage par diffraction pour améliorer le rapport signal / bruit dans les instruments ENA (comme sur IMAGE-MENA)
  • Nouveau concept de conversion des ENA à faible énergie en ions négatifs sur des surfaces spécialement préparées (comme sur IMAGE-LENA)
M. Gruntman et VB Leonas, Neutral Solar Wind. Possibilités d'étude expérimentale, Preprint-825 (Report-825), Institut de recherche spatiale (IKI), Académie des sciences de l'URSS, 1983
  • Description du prototype construit de l'instrument d'espace de vol pour détecter les ENA dans le vent solaire (vent solaire neutre), à ​​partir de l'interface héliosphérique (imagerie héliosphérique ENA) et des ENA des magnétosphères de la Terre, de Jupiter et de Saturne

M. Gruntman et VB Leonas, Possibilité d'étude expérimentale des atomes neutres énergétiques dans l'espace interplanétaire, Preprint-1109 (Report-1109), Institut de recherche spatiale (IKI), Académie des sciences de l'URSS, 1986 (en anglais)
  • Etude de faisabilité de l'imagerie ENA des magnétosphères planétaires

  • Étude de faisabilité de la technique d'imagerie à ouverture codée appliquée à l'imagerie ENA
M. Gruntman et VB Leonas, Opportunité expérimentale de l'imagerie de la magnétosphère planétaire dans des atomes neutres énergétiques, Preprint-1181 (Rapport-1181), Institut de recherche spatiale (IKI), Académie des sciences de l'URSS, 1986 (en anglais)
  • Collisions élastiques d'atomes d'hélium interstellaire avec les protons du vent solaire, conduisant aux "ailes grandissantes" des distributions angulaires de l'atome (comme dans la détection sur Ulysse)

M. Gruntman, concernant le problème du réchauffement collisionnel du flux d'hélium interstellaire par les protons du vent solaire, Planetary and Space Science, 34, 387-389, 1986
  • Démonstration expérimentale d'un agencement d'instruments TOF pour détecter directement des atomes de He de basse énergie (sous forme d'hélium interstellaire à 1 UA) dans un mode de suppression du bruit

M. Gruntman, MASTIF: analyse de masse des secondaires par la technique du temps de vol. Nouvelle approche de la spectrométrie de masse des ions secondaires, revue de Scientific Instruments, 60, 3188-3196, 1989
  • Description de l'expérience spatiale et de l'instrument (développé et construit au milieu des années 1980 et jamais exécuté) pour mesurer une composante neutre dans le vent solaire (vent solaire neutre) et les ENA héliosphériques à partir de l'interface héliosphérique (imagerie héliosphérique ENA)

M. Gruntman, VB Leonas, et S. Grzedzielski, expérience de vent solaire neutre, en physique de l'héliosphère externe , presse de Pergamon, 1990
  • Physique de l'émission secondaire multi-électronique (statistiques d'émission) à partir de feuilles minces pour l'identification de masse ENA (par l'analyse d'amplitude du détecteur) dans les instruments TOF

M. Gruntman, AA Kozochkina, VB Leonas, émission secondaire de Multielectron à partir de feuilles minces bombardées par des faisceaux accélérés d'atomes, JETP Letters, 51, 22-25, 1990
  • Évaluation de diverses technologies disponibles pour application en tant que filtres de diffraction pour l'imagerie ENA des plasmas spatiaux

M. Gruntman, structures Submicron: filtres prometteurs dans EUV - une revue, EUV, X-Ray, et Gamma-Ray Instrumentation pour l'astronomie, Proc. SPIE 1549, 385-394, 1991
  • Prédiction de flux hautement anisotropes d'ENA à partir de l'interface héliosphérique

  • Par conséquent, les propriétés des flux ENA pointent vers l'imagerie héliosphérique ENA comme une technique puissante (sensible aux propriétés de l'interaction) pour étudier la limite héliosphérique
M. Gruntman, Anisotropie du flux d'atomes neutres énergétiques dans l'héliosphère, Planetary and Space Sciences, 40, 439-445, 1992
  • Une étude de faisabilité complète introduit un concept de conversion de surface des ENA en ions négatifs pour l'imagerie ENA des plasmas spatiaux (comme sur IMAGE-LENA)

  • La technique proposée est spécifiquement évaluée pour détecter le gaz interstellaire (H, D, O, etc.) entrant dans le système solaire (comme cela sera fait par l'instrument de conversion de surface sur IBEX - IBEX-Lo)
M. Gruntman, Une nouvelle technique pour la mesure in situ de la composition du gaz neutre dans l'espace interplanétaire, Planetary and Space Science, 41, 307-319, 1993
  • Evaluation de la technique de l'ouverture codée pour l'imagerie des magnétosphères planétaires dans les flux ENA

  • Didacticiel sur l'imagerie à ouverture codée
M. Gruntman, Technique d'ouverture codée pour l'imagerie de la magnétosphère: avantages et limites, Instrumentation pour l'imagerie magnétosphérique II, Proc. SPIE 2008, 58-73, 1993
  • ENA dans le vent solaire - propriétés du vent solaire neutres

M. Gruntman, Propriétés du vent solaire neutre: avertissement préalable des principales tempêtes géomagnétiques, Journal of Geophysical Research, 99, 19213-19227, 1994
  • Nouvelle conception de collimateur à haut débit pour les instruments ENA

M. Gruntman, Un nouveau concept de collimateur pour les instruments à atomes neutres énergétiques, Review of Scientific Instruments, 65, 758-759, 1994
  • Evaluation de réseaux de transmission autonomes pour application en tant que filtres de diffraction pour l'imagerie ENA des plasmas spatiaux (utilisés sur IMAGE-MENA et TWINS)

M. Gruntman, EUV filtrage des rayonnements par des réseaux de transmission autoportants, Applied Optics, 34, 5732-5737, 1995.
  • Evaluation de réseaux de transmission autonomes pour application en tant que filtres de diffraction pour l'imagerie ENA des plasmas spatiaux (utilisés sur IMAGE-MENA et TWINS)

M. Gruntman, Caractéristiques de filtrage et de polarisation du réseau de transmission dans EUV, rayons X et Extreme Ultraviolet Optics, Proc. SPIE 2515, 231-239, 1995
  • Dégazage de la poussière interplanétaire sous le bombardement du vent solaire

M. Gruntman, ions H2 + pickup dans le vent solaire. Dégazage de la poussière interplanétaire, Journal of Geophysical Research, 101, 15555-15568, 1996
  • Evaluation de réseaux de transmission autonomes pour application en tant que filtres de diffraction pour l'imagerie ENA des plasmas spatiaux (utilisés sur IMAGE-MENA et TWINS)

M. Gruntman, Filtrage par transmission du rayonnement 52-140 nm, Applied Optics, 36, 2203-2205, 1997
  • Revue des techniques expérimentales et de l'instrumentation pour l'imagerie du plasma spatial dans les flux ENA; 505 références

M. Gruntman, L'imagerie atomique neutre énergétique des plasmas spatiaux, Review of Scientific Instruments, 68, 3617-3656, 1997
  • Concept physique moderne de l'imagerie héliosphérique dans les flux ENA

  • Les cartes ENA de l'héliosphère sont très sensibles aux scénarios physiquement distincts de l'interaction entre le vent solaire et le milieu galactique

M. Gruntman, CE Roelof, DG Mitchell, HJ Fahr, HO Funsten, et DJ McComas, l'imagerie de l'atome neutre énergétique de la région limite héliosphérique, Journal of Geophysical Research, 106, 15767-15781, 2001
  • Comprend un concept d'expérience ENA sur la sonde interstellaire

M. Gruntman, Instrumentation pour l'exploration interstellaire, Advances in Space research, 34, 204-212, 2004
  • Nouvel effet: importance du transport de masse dans l'héliosphère par les ENA pour les propriétés des atomes neutres interplanétaires au voisinage du Soleil (<1 UA)

M. Gruntman et V. Izmodenov, Transport de masse dans l'héliosphère par des atomes neutres énergétiques, Journal of Geophysical Research, 109, A12108, doi: 10.1029 / 2004JA010727, 2004
  • Etude complète de la frontière du système solaire par imagerie ENA et cartographie EUV

M. Gruntman, Frontière du système solaire: explorer l'interface héliosphérique de 1 UA, Missions dans le système extérieur et au-delà, 4ème Symposium de l'IAA sur les missions spatiales scientifiques réalistes et avancées, IAA, 2005
Publications sélectionnées sur la cartographie de l'héliopause dans EUV
  • Concept de cartographie de l'héliopause dans les ultraviolets extrêmes (EUV)

M. Gruntman et HJ Fahr, Accès à la frontière héliosphérique: échos EUV de l'héliopause, Geophysical Research Letters, 25, 1261-1264, 1998.
  • Concept de cartographie de l'héliopause dans les ultraviolets extrêmes (EUV)

  • Évaluation détaillée de la cartographie de l'héliopause à la ligne O + à 83,4 nm

M. Gruntman et HJ Fahr, Heliopause Imagerie dans EUV: Oxygène O + ion 83.4-nm émission de ligne de résonance, Journal of Geophysical Research, 105, 5189-5200, 2000
  • Évaluation détaillée des émissions de vent solaire à la ligne He + à 30,4 nm

  • Concept d'imagerie du vent solaire tridimensionnel et cartographie de l'héliopause à 30,4 nm

M. Gruntman, Imaging le vent solaire en trois dimensions, Journal of Geophysical Research, 106, 8205-8216, 2001
  • Concept d'imagerie du vent solaire tridimensionnel et cartographie de l'héliopause à 30,4 nm et 83,4 nm

M. Gruntman, Cartographie de l'héliopause dans EUV, dans L'Héliosphère externe: Les prochaines frontières, Pergame, 263-271, 2001

L'avis de Mike
"Imagerie de l'atome neutre énergétique du plasma spatial"
en revue des instruments scientifiques

"Imagerie de l'atome neutre énergétique de la région limite héliosphérique"
par Mike Gruntman, Edmond C. Roelof, Donald G. Mitchell, Hans J. Fahr, Herbert O. Funsten, et David J. McComas



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