Instrumentation magnétique HF sur EJSM : the Magnetic Loop Antenna (MLA)

1. Instrumentation magnétique HF sur EJSM : the MagneticLoopAntenna (MLA) A. Marchaudon, C. Cavoit, V. Krasnoselskikh, T. Dudok de Wit, D. Lagoutte (LPC2E/CNRS, France) Atelier Jupiter/Ganymède – 15 mars 2011

2. Intérêt de mesurer une (ou des) composante(s) magnétique(s) HF Champ électrique 3D et avec une meilleure sensibilité, mais : - En ajoutant au moins une composante magnétique HF : - discriminer entre ondes électrostatiques et électromagnétiques - permettre de nouvelles découvertes (environnement de Ganymède ?) - Avec 2 composantes électriques et 2 composantes magnétiques : - polarisation des ondes - Expérience couvrant une large bande de fréquence et prolongeant la gamme du searchcoil - Relativement facile à accommoder

3. Radio emissions of Jupiter • Energetic phenomena recurrently occur in the Jovian magnetosphere, characterized by intensifications of the auroral radio emissions and the creation of new sources of radiations in the outer regions of the Io torus • With multi component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency) it would be possible: • to study the different characteristics of particle acceleration in the Jovian magnetosphere, observed with different spectral characteristics in the Jovian decametric radio bursts • - to study the generation of specific types of radio emissions caused by particle precipitations in auroral regions of the Jovian magnetosphere, and consequently, how much the solar wind affect these emissions at Jupiter Radio emissions controlled by Io • The moon Io enhances Jupiter's emission of decametric (DAM) radio waves (1-40 MHz). • With multi component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency) it would be possible: • to search for the differences between Io spin modulated emissions (Io-DAM) and emissions independent of the orbital phase of Io (non Io-DAM), in terms of intensity, source origin and possible solar wind control of these emissions • Io-DAM emissions display also very fine structures, called S-bursts, presenting very high flux in the 20-30 MHz range. The radio measurements combined with particle instruments will help to verify the recent developments in the study of their mechanism of emissions.

4. Radio emissions controlled by the other Galilean satellites • Galileo Observations: • A small portion of radio emissions correlates with the orbital phase of the other Galilean satellites in the low decametric range (2-6 MHz) • Other sources of emissions could not be detected by previous missions due to limited instrumentation and large distance from the moons • With: • - multiple close fly-bys of the JGO spacecraft with Callisto and Ganymede, then orbit insertion around Ganymede • - and multi-component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency) • it would be possible: • to study the decametric radio emissions controlled by the moons • to check their source location and intensity • to check the possible existence of solar wind control of these emissions • - to allow new discoveries, such as weaker sources of emissions or possible emissions modulation of the Jovian-moons interaction at higher frequencies

5. Ganymede as a source of radio emissions • Galileo Observations: • Intense plasma waves detected over a region of space nearly 4 times Ganymede’s diameter caused by its strong magnetic field (Gurnett et al., Nature, 1996) • Different type of waves: whistler-mode emissions, upper hybrid waves, electrostatic electron cyclotron waves and escaping radio-emissions • With: • orbit insertion of the JGO spacecraft around Ganymede, and • - and multi-component radio measurements (with MLA for magnetic fluctuations at high frequency) • it would be possible: • to solve the problem of wave identification in the close vicinity of Ganymede, by distinguishing between electrostatic and electromagnetic wave modes • to determine the averaged refractive index of waves • to detect magnetic component of radio emissions (above 20 kHz) Frequency-time spectrograms of the electric (a) and magnetic (b) field intensities detected by the Galileo plasma wave instrument during the 27 June 1996 Ganymede fly-by, after Gurnett et al. (1996)

6. Principe de fonctionnement d’une boucle HF Le flux magnétique est collecté à travers la surface de la boucle fermée sans concentrateur de flux

7. La boucle HF du LPC2E • Instrumentation dérivée de la fusée CHARM-2 de la NASA (lancement réussi en février 2010) • Proposé dans le consortium RPWI de EJSM de J.-E. Wahlund

8. Caractéristiques de la boucle HF MLA - EJSM • Gamme de fréquence : 100 kHz – 45 MHz (« décalable ») • Sensibilité : 0.3×10-6nT/Hz1/2 à 1 MHz • Poids : 250 g (avec électrostatique et préamplificateur) • Dimensions : 205 x 215 x 55 mm • Puissance : 300 mW • Accommodation : en cours de définition -> proposition actuelle : au bout d’un bras d’au moins 50 cm • TRL ~ 5 • Etudes en cours de tenue aux radiations et en température pour le circuit de contre-réaction et le préamplificateur (financement R&T CNES)

9. Fonction de transfert et sensibilité de la boucle HF

10. Diagramme bloc de RPWI MLA peut être connectée au receveur radio HF du LESIA

11. Problèmesd’accommodation • Tests effectués par Claude Cavoit (LPC2E) à Chambon La Forêt : • - quelle est la distance minimale requise entre deux senseurs magnétiques pour assurer leur fonctionnement correct ? • => 2 séries de tests effectuées : • Enregistrement de la fonction de transfert de MLA en présence d’un SearchCoil (ON or OFF) • Enregistrement du bruit de MLA en présence d’un fluxgate

12. Effet d’un Search Coil sur les mesures de MLA (1)

13. Effet d’un Search Coil sur les mesures de MLA (2) Pas d’influence du SearchCoil sur MLA qqsoit la distance (et vice versa) -> les 2 instruments peuvent donc être positionnés très proches l’un de l’autre

14. Exemple de capteur composite MLA-SC

15. Effet d’un Fluxgate sur les mesures de MLA (1)

16. Effet du Fluxgate sur les mesures de MLA (2)

17. Effet du Fluxgate sur les mesures de MLA (3) Le bruit induit par le fluxgate reste important -> MLA devrait être placé à au moins 1 m de celui-ci pour conserver toute sa sensibilité

18. Sensibilité au champ électrique E de MLA (1)

19. Sensibilité au champ électrique E de MLA (2) L’utilisation d’un bras métallique augmentera significativement la sensibilité de MLA au champ électrique -> bras non conducteur ?

20. Protection thermique et contre les radiations du circuit électrique de la boucle HF d’EJSM Tolérance aux radiations : - IF1320 (Interfet) testé au LPC2E en 2008 jusqu’à 250 kRad - RHF310 (ST Microelectronics) RadHard jusqu’à 300 kRad (+SE) PEEK : polyétheréthercétone - matière plastique thermostable

21. Etude thermique de la boucle HF d’EJSM • Travail restant à faire : • - Tester le seuil de température de fonctionnement du préamplificateur • - Tester l’ensemble électrique de MLA à cette température seuil • - Faire une étude thermique de la boite d’électronique • > Définition d’un possible chauffage • - Tester l’ensemble mécanique (câbles, connecteurs) jusqu’à -230°C

22. Possible design d’une triple boucle