L’ensemble de l’optique du télescope MXT, dispositif original inspiré des yeux de homard pour assurer un grand champ de vue, vient d’être livré au CNES par les équipes de l’université de Leicester (Royaume-Uni), début mai 2021. Cette optique révolutionnaire, placée à l’entrée du télescope MXT, va permettre de collecter les rayons X dans un champ de 1 degré carré sur le ciel (soit 4 fois la surface apparente du Soleil), pour les diriger vers la caméra du MXT au foyer du télescope.
L’optique est composée de 25 plaques disposées en mosaïque. Inspirée des yeux à facettes des crustacés, chaque plaque contient environ 600.000 « facettes » de verre de seulement 40 microns de coté. L’ensemble constitue le concentrateur à galettes de micro-canaux du MXT (voir : MXT et les yeux de langouste). Ce dispositif a nécessité un travail du verre de haute précision réalisé par la société Photonis. Selon Franc?ois Gonzalez, chef de projet SVOM au CNES, « Re?aliser des micro-canaux re?guliers de cette taille dans du verre a e?te? un défi. Le processus industriel ne?cessite plus de 50 e?tapes de fabrication, toutes aussi complexes et de?licates les unes que les autres ».
Les plaques ont e?te? ensuite intégrées a? l’Universite? de Leicester (Royaume-Uni) sur un cadre le?ge?rement convexe en aluminium, e?quipe? de re?chauffeurs pour le contro?le thermique et d’un syste?me d’aimants pour de?vier les particules charge?es. Elles sont recouvertes d’iridium afin d’augmenter la transmission aux rayons X et et la surface d’entrée est recouverte d’une fine couche d’aluminium pour arrêter la lumière visible.
Cette optique extrêmement innovante a permis un gain de poids remarquable puisque l’ensemble ne pe?se moins de 2 kg, contre plusieurs dizaines de kg pour les instruments similaires des missions spatiales comme SWIFT et XMM-Newton. Courant 2021, cette optique va être assemblée sur la structure du télescope MXT et l’ensemble de l’optique et de la caméra du télescope MXT subiront des teste et un étalonnage final qui seront réalisés dans l’installation MPE X-ray Panter à Munich (Allemagne) avant l’expédition en Chine prévue pour fin 2021.
La caméra à rayons X, destinée à être placée au foyer du MXT (Microchannel X-ray Telescope), vient d’être assemblée et livrée au CNES par les équipes du CEA en mai 2021.
Ce prototype de haute technologie est particulièrement compact et innovant. Il intègre dans un volume très limité, un détecteur avec son système de pilotage électronique, un contrôle thermique actif et une roue à filtre. Le détecteur est constitué d’un bloc monolithique divisé en 256×256 pixels. Il a été intégré sur une plaque en céramique, entouré d’un blindage pour réduire l’impact du rayonnement cosmique sur le détecteur. Il est muni d’un système de trois refroidisseurs thermoélectriques qui permet de maintenir la température du plan-détecteur entre -75 et -60 °C. L’ensemble de détection est inséré dans un boîtier, qui contient également une roue à filtre, utilisée à des fins d’étalonnage et de protection.
La vidéo ci-dessous illustre les différentes étapes de l’assemble de la caméra.
Le projet de la caméra qui a démarré en 2013, a été réalisé en collaboration avec l’Agence spatiale française (CNES). Le détecteur de type pnCCD et son électronique de proximité (CAMEX) ont été fournis par le Max Planck Institut für Extraterrestische Physik (MPE). Pour réaliser des tests approfondis, trois modèles différents de la caméra ont été construits au fil des années: un modèle structurel et thermique (STM), un modèle de performance (PM) qui a permis de valider la chaîne de détection complète et un modèle de choc (SM) pour tester sa résistance, avant de produire le modèle final dit « modèle de vol Proto (PFM) ». Tous ces modèles et leurs sous-systèmes ont été conçus, intégrés au CEA et fabriqués par le CEA ou ses sous-traitants. Leur développement a impliqué une équipe de plus de 20 personnes. Le dernier modèle PFM a été réalisé malgré la crise pandémique du COVID-19, grâce à la forte implication des techniciens, ingénieurs et scientifiques du projet.
Les prochaines étapes courant 2021 seront l’assemblage et les tests de l’ensemble du télescope MXT et son étalonnage final qui seront réalisés dans l’installation MPE X-ray Panter à Munich. L’équipe MXT du CEA accompagnera le CNES lors de tous ces tests. A l’issue de cette campagne de test en novembre 2021, le télescope MXT sera expédié en Chine pour l’intégration finale sur le satellite SVOM, dont le lancement est prévu avant la fin de 2022.
Les performances de MXT validées après une campagne de test en faisceau X
Une campagne dédiée à la vérification et validation des performances des différents modules (optique, caméra, électronique) du télescope MXT de SVOM vient d’être conduite avec succès à la station de faisceaux à rayons-X Panter située près de Munich. Les résultats valident le concept de l’instrument MXT et engage le projet MXT vers de nouvelles étapes avant son installation sur la plateforme du satellite SVOM en 2021.
Février 2020, les équipes du télescope MXT (CNES, CEA, Université de Leicester-UK, MPE-Garching et IJCLAb-Orsay) se retrouvent au sein de l’installation Panter, située au sud-ouest de Munich. Cet équipement, de renommée mondiale et placé sous la responsabilité du Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), fournit un faisceau de photons X permettant la caractérisation des télescopes à rayons X. De très nombreuses missions spatiales X, à commencer par le télescope X ROSAT, ont bénéficié des facilités offertes par cet équipement (voir https://www.mpe.mpg.de/heg/panter).
L’objectif du programme consistait à réaliser un test complet du modèle de performance de MXT. Le télescope, composé du modèle de qualification optique (QM), du modèle de performance de la caméra (PM), avait été intégré au CNES de Toulouse avant son transport à Panter fin janvier 2020. Tous les éléments étaient représentatifs du modèle vol en termes de performances (à l’exception de la distance focale, légèrement plus courte que celle du modèle de vol). Cet étalonnage a permis de valider pour la première fois un système complet de télescope type « Lobster-Eye » dans une configuration à petit champ.
Après la mise en place et la validation de l’environnement thermique, les tests de performance se sont déroulés pendant deux semaines, temps durant lequel les scientifiques et ingénieurs de l’équipe ont testé différents éléments du télescope. 170 runs scientifiques ont été nécessaires afin de répondre aux objectifs scientifiques définis dans le cahier des charges.
Les propriétés de la fonction d’étalement du point MXT (PSF ou résolution spatiale) ont été mesurées à différentes positions et énergies sur toute la gamme opérationnelle de MXT soit 0,2-10 keV. La FWHM (largeur à mi-hauteur) de la PSF à l’énergie de 1,5 keV a été mesurée à 9,6 minutes d’arc, avec un niveau négligeable de vignettage sur l’ensemble du champ de vision.
Les tests effectués ont également permis de mesurer la performance spectrale du télescope sur toute sa plage d’énergie. Au cours de ces procédures, la caméra MXT a confirmé être un système à faible bruit avec des capacités spectrales de pointe. À titre d’exemple, un spectre de source Al-K est présenté (voir figure ci-dessous). La résolution en énergie pour les événements uniques mesurés à la température de fonctionnement nominale du MXT (~ -70°C) est de 78 eV, une valeur inférieure à celle exigée (80 eV) et donc prometteuse en termes de potentiel scientifique.
La campagne d’essais à Panter de ce Modèle de Performance (PM) est une étape importante dans la validation du concept global du télescope MXT.
Les prochaines étapes pour le télescope MXT sont l’achèvement des sous-systèmes du modèle de vol et leur intégration. Suivront dans environ un an les essais finaux à l’équipement Panter. Le télescope MXT sera ensuite expédié en Chine en vue de son intégration finale sur la plate-forme du satellite SVOM.
Dernière ligne droite avant la livraison des télescopes STM de la charge utile française de SVOM
C’est la dernière étape pour nos modèles avant la livraison en Chine, les équipes du CNES viennent de procéder aux essais en environnement de 2 modèles des télescopes des instruments ECLAIRs et MXT. L’objectif de ces essais est de « qualifier » (démontrer) avec une marge suffisante, la capacité des télescopes à résister aux conditions du lancement puis à l’hostile environnement spatial tout au long de la mission.
Il ne s’agit pas ici, pour ces essais, de tester les équipements de vol mais des modèles simplifiés, représentatifs mécaniquement et thermiquement des futurs instruments. On parle de modèles STM pour Structural and Thermal Model ou Modèle Structural et Thermique. Ces modèles STM sont définis de façon à reproduire fidèlement les comportements mécaniques (mêmes interfaces, même masse, mêmes procédés de fabrication, mêmes matériaux) et thermiques (même dissipation de puissance, mêmes fuites thermiques) des instruments de vol. Par contre, ils ne sont équipés ni des détecteurs ni des sous-systèmes électroniques.
Les essais de chaque télescope se sont déroulés en 3 temps :
- Des essais mécaniques en vibration : le télescope est installé sur un « pot vibrant », sorte de gros haut-parleur qui va secouer énergiquement l’instrument dans des directions diverses et à des fréquences d’oscillation différentes. Deux types de sollicitations sont appliquées, des sollicitations sinusoïdales et des sollicitations aléatoires. L’essais sinusoïdal sert surtout à quantifier le comportement et la résistance de l’instrument et à confirmer les résultats de simulations. Ici le mouvement appliqué à l’instrument prend la forme d’une oscillation dont la fréquence augmente avec le temps et dont l’amplitude est calculée de façon à reproduire les efforts auxquels l’instrument devra pouvoir résister. L’essais aléatoire se veut lui beaucoup plus représentatif de ce que verra l’instrument au moment du lancement.
- Des essais mécaniques en chocs : l’instrument est installé sur une « table de chocs » équipée de dispositifs pyrotechniques. Ces dispositifs sont des sortes de canons miniatures. La mise à feu d’une petite charge explosive propulse une masse métallique qui vient cogner sur la table. La charge et la masse métallique sont dimensionnées de façon à obtenir un choc représentatif de ce que doit supporter l’instrument, par exemple lors de la séparation d’avec le lanceur ou lors de l’ouverture des panneaux solaires.
- Des essais en vide thermique : le télescope est ici installé dans une cuve à l’intérieur de laquelle est réalisé le vide. Divers dispositifs, des écrans refroidis à l’azote liquides et des réchauffeurs électriques, permettent alors de soumettre l’instrument aux températures les plus extrêmes, chaudes ou froides, auxquelles il sera confronté en orbite.
Les niveaux de stress appliqués aux instruments lors de ces essais sont volontairement plus importants que ceux qui seront vus en vol. Cela permet de couvrir tout à la fois les incertitudes sur la connaissance de l’environnement mécanique et thermique vu tout au long de la mission et les écarts de fabrication entre les modèles STM et les modèles de vol.
Les essais en environnement des télescopes STM des instruments ECLAIRs et MXT se sont déroulés chez Airbus Defence & Space, qui dispose sur un même plateau technique de l’ensemble des moyens nécessaires. Une équipe CNES composée de 30 personnes s’est mobilisée cet été en jonglant avec la disponibilité des moyens de test afin d’être prêt pour le rendez-vous fixé avec nos partenaires chinois. Les efforts de chacun ont permis d’atteindre tous les objectifs fixés et de livrer les équipements dans les temps.
Modèle Structural et Thermique du télescope ECLAIRs
Modèle Structural et Thermique du télescope MXT
Catégorie : Nouvelles du projet
De mi-février à mi-mars 2019, les équipes Chinoises et Françaises du projet SVOM ont procédé au premier couplage des calculateurs des instruments ECLAIRs et MXT avec le satellite SVOM. L’objectif de ces essais était de valider les interfaces électriques entre les équipements français et le reste du satellite.
Côté français, les calculateur d’ECLAIRs et de MXT sont représentés par leurs modèles d’Ingénierie et de Qualification (EQM). Ces modèles sont, pour leur partie matérielle, pleinement représentatifs des futurs modèles de vol. Par contre, la partie logicielle est limitée à la partie commande / contrôle en interface avec le satellite. A ce stade, aucune science n’est implantée dans les calculateurs. Côté chinois, le satellite est représenté par l’ensemble des boitiers électroniques des différents équipements de la plateforme et de la charge utile, le tout assemblé sur une table, en configuration « Flat Sat ».
La séquence de test s’est déroulée en deux étapes. Dans une première phase, les équipes ont couplé électriquement les calculateurs avec le reste du Flat Sat. Lors de cette étape, il s’agit de vérifier l’ensemble des connecteurs, des harnais et des signaux électriques avant de connecter progressivement les alimentations électriques puis les différents canaux de communication. A l’issue de cette première phase, les calculateurs français sont connectés au satellite, alimentés par celui-ci et sont en mesure de communiquer avec l’ordinateur de la charge utile. La deuxième phase peut commencer. Il s’agit de valider le bon fonctionnement de l’ensemble de la charge utile. Plusieurs séquences de test sont réalisées pour valider les différents canaux de communication (Télémétrie, télécommandes et messages d’alerte) et la programmation opérationnelle (Séquence d’alerte, gestion des modes d’instrumentation, gestion des anomalies de l’Atlantique Sud, gestion des tables de configuration).
Cette première rencontre entre les équipements chinois et français a également été l’occasion de tester le montage des boîtiers français sur le futur modèle de satellite utilisé pour la qualification du SVOM. Cela a permis de confirmer que les trous tombent bien en face des trous et que tout était bien installé.
Au terme d’un mois d’activité, le bilan de cette première campagne d’activités franco-chinoise est très positif. Du point de vue technique, tous les objectifs ont été atteints. Sur un plan plus humain, ces premières activités ont permis de définir une base commune de travail ménageant les cultures des 2 équipes, dans un esprit toujours positif et constructif.
Rendez-vous maintenant au début de l’été pour poursuivre les activités avec l’arrivée des modèles mécaniques et thermiques des 2 instruments ECLAIRs et MXT, leur intégration sur le satellite et la campagne de tests en environnement.
Fin août, les premiers photons X ont été détectés avec un prototype du plan focal de la caméra MXT (le modèle d’ingénierie). Ceci représente une étape importante dans la validation de la conception de la chaîne de détection.
La conception de la camera de MXT a commencé en 2014. Elle contient un détecteur pixélisé en silicium de type pnCCD de 256×256 pixels, semblable à celui qui est intégré dans l’instrument eRosita du satellite russe Spectrum-Röntgen Gamma (SRG) qui sera lancé l’année prochaine.
Le détecteur X et son électronique de proximité sont montés sur un circuit multicouches en céramique afin de garantir une bonne dissipation thermique. Cet ensemble, appelé plan focal, a été placé dans un cryostat afin de permettre les tests en laboratoire pour valider le fonctionnement de la chaine de détection à la température de fonctionnement visé -65°C.
L’intégration du plan focal dans le cryostat en salle blanche comporte plusieurs étapes complexes, qui ont demandé une grande rigueur et plusieurs répétitions, comme l’illustre la vidéo ci-dessous.
Une fois le cryostat fermé, le détecteur a alors été refroidi à -60°C et illuminé avec une source radioactive de Cobalt 57. Les tests réalisés fin août ont montré qu’il détecte correctement des photons X, validant ainsi tout le travail réalisé par les différentes équipes depuis maintenant 4 ans.
Premiers photons X détectés. Source Cobalt 57, -60°C, vitesse réelle d’acquisition
Chaque événement (point sur l’image) représente la détection d’un photon de la source par le plan focal. En extrayant l’énergie déposée dans le détecteur pour chaque impact on peut construire un spectre. La figure suivante représente le premier spectre obtenu sur une source de Cobalt 57 par le prototype du plan focal MXT. On reconnait dans ce spectre les raies basse énergie du Cobalt 57 à 6.4 keV, 7 keV et 14 keV.
Prochaines étapes
La prochaine étape, début 2019, sera d’irradier ce prototype du plan focal avec des protons, afin de simuler les conditions spatiales.
Dans un an le modèle de vol du plan focal sera intégré dans la caméra de vol développée en parallèle.
Le CEA Irfu est chargé de la conception et de la réalisation de la caméra X du télescope MXT.
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Quand la biologie inspire l’astronomie
Véritable innovation dans l’étude des sursauts gamma, le concentrateur à galette de micro-canaux de MXT est un système qui s’inspire de la biologie. Les crustacés de l’ordre des décapodes, comme le homard, la langouste ou le crabe, possèdent en effet un type de vision tout à fait particulier. Si en règle générale la vision se base généralement sur la réfraction, celle des décapodes utilise la réflexion optique. La lumière est dirigée par une quantité de petits canaux qui tapissent les yeux des décapodes : une structure en nid d’abeille, à ceci près que la forme des tubes n’est pas hexagonale mais carrée. Un rayon lumineux peut “rebondir” sur la paroi du canal : il est réfléchi. In fine, tous les rayons sont concentrés en un seul point central.
Le bénéfice de cette méthode est d’avoir un grand angle de vision. Ces yeux particuliers peuvent ainsi avoir un champ de vue ouvert pratiquement à 180°. Cette adaptation est un avantage pour les animaux vivant en profondeur ou dans des milieux troubles, avec peu de lumière. Il faut réussir à collecter le maximum de rayons lumineux afin de repérer plus rapidement les prédateurs ou les sources de nourriture dans le milieu environnant.
Un outil adapté à l’étude des rayons X
En tentant d’y appliquer les principes d’optique, les scientifiques se sont rendu compte que ce type de vision n’est effectif que si la base des canaux est carrée. Phénomène curieux, c’est l’un des rares exemples de forme carrée naturelle en biologie. Idéale en cas de faible lumière, un fort éclairement est au contraire préjudiciable. Plus il y a de rayons, plus ceux-ci vont être réfléchis et causer une image bruitée sur le récepteur. Cette technique prévaut lorsque que le signal/bruit est faible, ce qui est le cas dans la gamme des rayons X. C’est à la fin des années 1970, à Paris, qu’eurent lieu les premières études tentant de réutiliser ce type de vision pour l’observation des rayons X.
Les rayonnements X possèdent la particularité d’être difficiles à réfléchir : la réflexion n’est possible qu’en cas d’incidence rasante. La technique des micro-canaux est donc tout à fait adaptée à ce type de photons car une structure radiale implique que la lumière ne fait qu’un petit angle par rapport à ces surfaces.
Pour assurer que la « fonction d’étalement du point » du télescope (point spread function ou PSF en anglais) soit suffisamment petite, il faut que la taille du carré élémentaire de l’optique soit petit mais supérieur à la longueur d’onde caractéristique des rayons lumineux, en l’occurrence ici les rayons X. Dans ce cas, le carré a une dimension caractéristique de l’ordre de quelques dizaines de microns de côté. Réaliser des microtubes réguliers de cette taille avec une structure métallique relève d’un exploit. Mais d’autres matériaux peuvent servir à la fabrication des tubes.
Des microtubules faits de verre
L’entreprise Photonis, experte dans le travail du verre, a mis son expertise dans la détection optique au profit du projet SVOM.
Un bloc carré de verre est chauffé puis étiré grâce à un poids. L’étirement fait progressivement réduire la taille de la section. En répétant ce procédé, il devient possible d’obtenir des tubes réguliers à la taille de section souhaitée.
Pour obtenir la base creuse, il suffit d’utiliser non pas un mais deux types de verre durant ce procédé ; un verre externe et un verre interne de composition différente. Lorsque la taille de section de 20 microns est atteinte, il suffit de dissoudre chimiquement le verre interne. L’épaisseur du verre externe est alors de quelques microns. La grande difficulté de ce procédé est de ne pas tordre le verre pendant l’opération d’étirement.
Mais le travail ne s’arrête pas là ! Il faut ensuite réussir à assembler les micro-canaux entre eux. L’idée est alors de réunir différentes fibres ensemble, par paquet de 25, avant de les chauffer et les étirer, jusqu’à atteindre la taille de 20 microns par fibre. Ce paquet de fibres est alors coupé dans sa largeur, à 90°. On obtient ainsi une galette. La galette elle-même est ensuite chauffée pour la mettre en forme à l’aide d’une presse : on passe d’une surface plane à une surface courbe. La coupe de la galette et sa mise en forme sont deux processus très compliqués à réaliser. Le moindre défaut peut induire des détériorations de la réponse de l’instrument.
Pour augmenter la réflexivité aux rayons X, le verre plombé constituant les micro-canaux est plongé dans un bain d’iridium. En tout, six mois sont nécessaires pour réaliser les 21 galettes correspondant à l’optique complète, hors incident de production.
Du concentré de technologie
Les contraintes liées à la charge utile de SVOM, à savoir le besoin de concevoir des instruments de petite taille et de masse réduite, ont favorisé l’intérêt pour ce type de technologie pour l’étude des rayons X. Ici, une optique complète, d’une vingtaine de centimètres de diamètre, faite à partir de micro-canaux, ne pèse que 1,8 kg. En comparaison, l’instrument SXT de SWIFT développé par la NASA a, pour une surface collectrice 3 fois plus importante, un poids d’optique de plusieurs dizaines de kg.
Malgré tout, cette technique suscite un véritable engouement pour de nombreuses missions spatiales à venir. SVOM, toute première mission satellitaire à utiliser ce type d’optique, sera ainsi observée de manière attentive. Des optiques similaires, mais à base de canaux en silicium, seront utilisées dans le cadre d’autres projets, comme ATHENA, le futur observatoire majeur à rayons X développé par l’ESA dont le lancement est prévu en 2028.
