THESE

UNIVERSITE D'ORLEANS THESE PRESENTEE A L’UNIVERSITE D’ORLEANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’ORLEANS Discipline : Sciences et Technologies Industrielles PAR Frédéric SZEREMETA Capteur de champ magnétique : optimisation dans la bande 10kHz – 100MHz pour applications spatiales Soutenue le : 9 novembre 2001 MEMBRES DU JURY : - M. R. Harba Directeur de Thèse, Professeur à l’Université d’Orléans - M. F. Lefeuvre Président, Directeur de Recherche au CNRS (LPCE, Orléans) - M. J. Juchniewicz Rapporteur, Directeur de Recherche au CBK (Varsovie, Pologne) - M. M. Pyée Rapporteur, Professeur à l’Université Paris 7 - M. G. Clerc Examinateur, Docteur-Ingénieur CNRS, parrain CNES - M. Y. Touré Examinateur, Professeur à l’Université d’Orléans Cette thèse a été réalisée avec le concours de la Région Centre et du Centre National d’Etudes SpatialesRésumé La mesure du champ magnétique est essentielle dans l’étude des plasmas spatiaux, sièges d’une intense activité électromagnétique. La connaissance complète des ondes électromagnétiques suppose la mesure in situ des composantes électrique et magnétique, couplées différemment que dans le vide aux fréquences inférieures à la fréquence plasma locale, qui approche 20MHz près de la Terre et 100MHz à un rayon solaire. Les missions spatiales géophysiques ont embarqué jusqu’à présent des instruments mesurant les champs magnétiques depuis le continu jusqu’au MHz, avec un seuil de sensibilité de dans la gamme 10kHz–1MHz. La mesure à proximité du1 fT Hz Soleil nécessite un magnétomètre étendant ces performances à plus haute fréquence, 100MHz idéalement. Nous présentons l’étude d’un capteur adapté dans la bande 10kHz-100MHz devant avoir le même seuil de sensibilité, pour satisfaire les besoins scientifiques sans accroître la masse et la consommation électrique, limitées à bord d’un satellite. L’état de l’art de la magnétométrie montre qu’une boucle sans noyau est la mieux adaptée. A partir de la description détaillée des constituants du capteur, l’antenne et le préamplificateur, nous modélisons sa fonction de transfert et son seuil de sensibilité et définissons des critères d’optimisation. Nous comparons notre modèle au prototype réalisé, mesurant son impédance, sa réponse au champ magnétique et son seuil de sensibilité. L’étude de la méthode de bobinage permet de réduire les capacités parasites du transformateur torique. Nous appliquons une contre-réaction de flux pour conserver le rapport signal à bruit du capteur en boucle ouverte. L’optimisation aboutit à un instrument fonctionnant jusqu’à 30MHz et satisfaisant la spécification de seuil de sensibilité entre 700kHz et 20MHz. Il prolonge d’une décade la gamme des instruments existants. Abstract Magnetic field measurement is important for the study of space plasmas, where an intensive electromagnetic activity occurs. The full knowledge of electromagnetic waves needs in situ measurements of electric and magnetic components, coupled differently from free space below plasma frequency. The latter approches 20MHz in the vicinity of Earth and 100MHz at one solar radius. In up-today geophysical space missions, magnetic sensors measured fields from DC to 1MHz, with a magnetic noise density between 10kHz and 1MHz. Measurement near the Sun necessitates a1 fT Hz magnetometer extending these performances to higher frequencies, 100MHz at best. We design a sensor in the 10kHz- 100MHz band, with the same noise level, to satisfy the scientific need without increasing mass and power consumption, limited onboard satellites. Magnetometry state-of-the-art shows that a loop antenna is better. Describing sensor’s antenna and preamplifier, we modelled its transfert function and its equivalent magnetic noise, thus obtaining optimisation criteria. We compare this modelling to the prototyp realised by impedance, magnetic field response and noise measurements. Studying winding method, we reduce the toroidal transformer parasitic capacitances. Using a flux feedback, we keep the signal-to-noise ratio of the open loop sensor. The optimisation leads to an instrument working upto 30MHz and satisfying noise specification between 700kHz and 20MHz, extending magnetic field measurement in space. Mots clefs Capteur magnétique directionnel, Antenne cadre magnétique, Hautes fréquences, Magnétomètre, Application spatiale, Bruit électrique, Contre-réaction de flux, Transformateur de courant, Modélisation, Etalonnage.CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE D'ORLEANS THESE PRESENTEE A L’UNIVERSITE D’ORLEANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’ORLEANS Discipline : Sciences et technologies industrielles PAR Frédéric SZEREMETA Capteur de champ magnétique : optimisation dans la bande 10kHz – 100MHz pour applications spatiales Soutenue le : 9 novembre 2001 MEMBRES DU JURY : - M. R. Harba Directeur de Thèse, Professeur à l’Université d’Orléans - M. F. Lefeuvre Président, Directeur de Recherche au CNRS (LPCE, Orléans) - M. J. Juchniewicz Rapporteur, Directeur de Recherche au CBK (Varsovie, Pologne) - M. M. Pyée Rapporteur, Professeur à l’Université Paris 7 - M. G. Clerc Examinateur, Docteur-Ingénieur CNRS, parrain CNES - M. Y. Touré Examinateur, Professeur à l’Université d’Orléans Cette thèse a été réalisée avec le concours de la Région Centre et du Centre National d’Etudes SpatialesRemerciements Je remercie Monsieur François Lefeuvre pour m’avoir accueilli au sein du Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de m’avoir accordé sa confiance pour préparer cette thèse. Je remercie Monsieur Rachid Harba, mon directeur de thèse, pour ses conseils et ses encouragements, de m’avoir introduit à la Recherche, ainsi que pour les moyens que l’ESPEO et le LESI ont mis à ma disposition. Je remercie chaleureusement Monsieur Gérard Clerc, mon parrain CNES, de m’avoir transmis son savoir des capteurs magnétiques avec un plaisir partagés et d’avoir suivi mon travail avec un grand intérêt et avec patience. Je remercie Messieurs Bernard Poirier et Henri Seran, qui m’ont successivement encadré au LPCE, m’apportant leurs encouragements. Je remercie Messieurs Serge Gasnier, Guy Lamarque et Christophe Alayrac, à travers lui également la société IRIS Instrument, qui ont suivi mon travail, m’apportant leurs conseils et leur connaissance des capteurs magnétiques. Je tiens à remercier Monsieur Volodia Krasnosselskikh, pour l’intérêt qu’il a porté pour mon travail, pour sa confiance, ses encouragements et sa bonne humeur. Je remercie également l’ensemble des chercheurs du LPCE qui se sont intéressé à mon travail et à « mon » capteur ( « Œil de Lenz » comme je l’ai surnommé) et qui ont répondus à toutes mes questions concernant la physique des plasmas spatiaux. Je remercie l’ensemble des électroniciens du LPCE pour leurs conseils et les discussions intéressantes que nous avons eues. Je remercie plus particulièrement Messieurs Patrice Fergeau, Michel Charretier et Michel Chabassière pour leur aide précieuse, me transmettant leur savoir-faire et leurs astuces. Je remercie également les électroniciens de l’ESPEO pour leur aide, lorsque je venais faire des mesures. Je remercie Messieurs Maurice Pyée et Jòzef Juchniewicz, d’avoir eu la patience de lire ces 300 pages et pour les commentaires intéressants qu’ils m’ont faits. Je remercie le Centre National d’Etudes Spatiales et la Région Centre qui mont permis de faire cette thèse en la finançant. Je remercie l’ensemble des personnes du LPCE, avec qui j’ai eu plaisir à travailler dans la bonne humeur. Je remercie les étudiants de l’ESPEO que j’ai eu le plaisir d’encadrer pour leur « projet industriel ». Leur travail s’est avéré utile jusqu’à la fin de ma thèse. Je remercie chaleureusement l’ensemble des doctorants du LPCE, pour la plupart anciens-doctorants maintenant, Bertrand, Elena, Emmanuel, Franck, Guillaume, Jean-Yves, Johann, Laurent, Raphaël, Xavier … pour leur bonne humeur, leurs encouragements et surtout pour avoir su m’évader de la thèse. Je remercie également mes parents, ma sœur Agnès et mon frère Paul, ainsi que mes amis, extérieurs au laboratoire, pour leur soutien et leurs encouragements. 34Table des matières Table des matières 1- INTRODUCTION .............................................................................................................9 2- ETAT DE L’ART............................................................................................................11 2.1- Principe de fonctionnement d’un capteur de champ magnétique.................................................................11 2.1.1- Structure d’un capteur................................................................................................................................. 11 2.1.2- Charge, courant et onde électromagnétique ............................................................................................... 12 2.1.3- Déduction du champ magnétique à partir de la mesure ............................................................................. 17 2.2- Champ magnétique alternatif minimal mesurable par les capteurs actuels................................................ 21 2.2.1- Principe de l’induction électromagnétique................. 22 2.2.1.1- Génération de la force électromotrice.................................................................................................... 22 2.2.1.2- Schéma équivalent d’un capteur inductif.............. 23 2.2.2- Les principaux capteurs inductifs ............................................................................................................... 24 2.2.2.1- Les boucles sans noyau.......................................................................................................................... 25 2.2.2.2- Les barres fluxmètres............................................................................................................................. 26 2.2.2.3- Les magnétomètres supraconducteurs ....................