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Le détecteur SWIR de TROPOMI : un succès spatial

Un aperçu des performances et de la durabilité du détecteur SWIR de TROPOMI dans l'espace.

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Lancé le 13 octobre 2017, la mission Sentinel-5 Precursor transporte l'instrument de surveillance de la troposphère, connu sous le nom de TROPOMI. Cet instrument est conçu pour surveiller la composition de l'atmosphère terrestre. Un de ses composants clés est le détecteur infrarouge à ondes courtes (SWIR), qui fonctionne dans l'espace depuis plusieurs années. Cet article va discuter de comment ce détecteur fonctionne, de ses performances en orbite, et de ce qui a été appris sur sa durabilité.

C'est Quoi TROPOMI ?

TROPOMI est un instrument basé sur un satellite qui aide à suivre la pollution de l'air et le changement climatique. Il a deux parties principales : le module UVN et le module SWIR. Le module UVN regarde la lumière ultraviolet, visible et proche infrarouge. En revanche, le module SWIR se concentre sur la lumière infrarouge à courte longueur d'onde, en se focalisant spécifiquement sur des longueurs d'onde entre 2305 et 2385 nanomètres.

L'objectif de TROPOMI est de mesurer des gaz comme le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau, et le méthane dans l'atmosphère. Ces infos sont essentielles pour comprendre comment ces gaz affectent le climat et la qualité de l'air.

Comment Fonctionne le Détecteur SWIR ?

Le détecteur SWIR a une grille de Pixels minuscules qui capturent la lumière. Il fonctionne en observant comment la lumière est absorbée par différents gaz dans l'atmosphère. Les signaux des pixels sont traités pour déterminer la concentration de divers gaz. Ces informations peuvent aider les scientifiques à analyser la qualité de l'air et le changement climatique.

Avant d'être envoyé dans l'espace, le détecteur a subi plusieurs tests pour s'assurer qu'il fonctionnerait comme prévu. Les ingénieurs ont fait de nombreuses calibrations pour vérifier à quel point il pouvait détecter la lumière qu'il rencontrerait en orbite.

Fonctionnement dans l'Espace

Une fois dans l'espace, le détecteur SWIR est soumis à de nombreuses conditions. Un des défis est la Radiation cosmique, qui est composée de particules pouvant nuire à l'électronique. Le satellite orbite autour de la Terre à une altitude de 824 kilomètres, où il traverse des zones avec une exposition élevée à la radiation, comme l'Anomalie de l'Atlantique Sud. Cette zone a une concentration plus élevée de particules chargées qui peuvent frapper le détecteur.

Que Se Passe-t-il Quand le Détecteur Est Touché ?

Quand des particules frappent les pixels, elles peuvent causer des dommages. Cependant, la plupart des impacts ne mènent pas à des dommages permanents. Le détecteur a montré une capacité impressionnante à se remettre de certains dommages. Après quelques jours à quelques mois, beaucoup de pixels affectés peuvent retrouver une fonction normale. Cette récupération se fait sans aucune intervention, ce qui suggère que le matériau du détecteur a des qualités qui lui permettent de se réparer lui-même.

Performance au Fil du Temps

Après cinq ans d'opération, le détecteur SWIR répond encore aux attentes. Le pourcentage de pixels qui fonctionnent correctement est supérieur à 98,7 %. Cette performance est impressionnante, surtout en tenant compte de l'exposition constante à la radiation.

Bien que certains pixels montrent des signes de dommages, la majorité ne échouent pas de façon permanente. Au lieu de cela, ils se rétablissent souvent, maintenant la haute qualité globale du détecteur. La distribution des pixels défectueux montre qu'ils sont répartis aléatoirement sur le détecteur, ce qui indique que les dommages ne se produisent pas en grappes. Cette randomité suggère que les impacts sont dus à des particules de faible énergie plutôt qu'à des particules plus puissantes qui pourraient causer des dommages plus significatifs.

Mesurer la Performance

Pour évaluer à quel point le détecteur SWIR fonctionne bien, les scientifiques surveillent plusieurs facteurs. Ils regardent le courant noir, qui est le bruit produit par le détecteur lorsqu'aucune lumière n'est présente. Ils suivent aussi les niveaux de bruit et la réactivité des pixels. Tout au long de son temps dans l'espace, le détecteur a systématiquement fonctionné dans des limites acceptables, avec des augmentations de bruit restant dans les seuils requis.

L'Importance de la Calibration

La calibration est essentielle pour s'assurer que les mesures prises par TROPOMI sont précises. L'instrument utilise des systèmes de calibration embarqués pour vérifier régulièrement ses performances. De plus, il effectue des mesures sur des surfaces sombres pour minimiser les interférences lumineuses, ce qui aide à capturer un signal plus clair.

Le Rôle des Rayons Cosmiques

Les rayons cosmiques sont une préoccupation majeure pour le détecteur SWIR. Ces particules de haute énergie peuvent créer des signaux indésirables, que les scientifiques doivent filtrer lors du traitement des données. Les effets de la radiation cosmique sur le détecteur ne sont pas complètement compris, mais des recherches antérieures ont montré que les détecteurs infrarouges sont sensibles à de tels impacts.

Mécanismes de Récupération

Une des découvertes fascinantes du fonctionnement du détecteur SWIR est la capacité de nombreux pixels à se remettre de dommages. Cette auto-récupération suggère que le matériau utilisé dans le détecteur, le HgCdTe, a des caractéristiques qui lui permettent de revenir à son état d'origine après avoir été perturbé. Les temps de récupération peuvent varier, beaucoup de pixels montrant des signes d'amélioration en aussi peu que neuf jours.

Contrôle de Qualité des Pixels

Maintenir la qualité des pixels est vital pour des mesures précises. Chaque pixel est surveillé à travers divers tests qui évaluent sa fonctionnalité. Les pixels sont notés sur une échelle de 0 à 1, où 0 indique un pixel cassé, et 1 indique un pixel parfaitement fonctionnel. En règle générale, les pixels qui obtiennent plus de 0,8 sont généralement considérés comme adaptés aux mesures atmosphériques.

Classification de la Qualité des Pixels

Le détecteur peut classer les pixels en différentes catégories de qualité selon leurs performances. Celles-ci vont de "bons" pixels qui fonctionnent bien de manière constante à des pixels "mauvais" et "morts" qui montrent des signes de dégradation. Cette classification aide les scientifiques à comprendre quels pixels peuvent encore être utilisés pour des mesures fiables et lesquels doivent être ignorés.

Analyse Statistique des Performances des Pixels

Pour avoir un aperçu de la santé globale du détecteur, une analyse statistique est effectuée sur les données des pixels. Les scientifiques regardent combien de fois un pixel a montré des signes de dégradation et combien de temps ces dégradations durent. La plupart des pixels restent stables, avec seulement un petit nombre montrant des fluctuations de performance au fil du temps.

Tendances dans les Dommages des Pixels

La distribution des pixels endommagés reste relativement constante à travers le détecteur. Aucun nouveau groupe de pixels endommagés n'est apparu, et la randomité des dommages suggère que la plupart des impacts des rayons cosmiques sont des événements isolés. Ce schéma indique que la majorité des dommages est causée par des particules de faible énergie plutôt que par des impacts à haute énergie.

Conclusion

En résumé, le détecteur TROPOMI-SWIR a très bien fonctionné depuis son lancement. Malgré les défis posés par la radiation cosmique, le détecteur maintient un haut niveau de fonctionnalité. La majorité des pixels endommagés peuvent se remettre, garantissant que l'instrument continue de fournir des données précises sur l'état de l'atmosphère terrestre.

Les découvertes de la mission TROPOMI peuvent informer la conception de futurs satellites, particulièrement en ce qui concerne la sélection et la gestion des détecteurs infrarouges. Comprendre les effets de la radiation et le potentiel d'auto-récupération sera crucial pour développer des instruments plus résilients pour les futures missions spatiales.

Alors que TROPOMI continue sa mission, ses aperçus sur la composition atmosphérique vont contribuer de manière significative à notre compréhension du changement climatique et de la qualité de l'air, aidant à façonner les futures politiques environnementales et recherches scientifiques.

Recherche et Implications Futures

La recherche continue sur la performance du détecteur TROPOMI-SWIR fournira des informations précieuses qui pourront être utilisées dans la conception de futurs instruments. Avec l'avancée de la technologie, apprendre des missions passées est vital pour améliorer la qualité et la durabilité des capteurs spatiaux.

La récupération spontanée des pixels et la nature aléatoire des impacts de particules pourraient mener à des avancées dans la manière dont les détecteurs sont fabriqués et gérés. Les missions futures pourront bénéficier de ces aperçus, entraînant un suivi encore plus efficace de l'atmosphère de notre planète.

Avec le fonctionnement continu de TROPOMI, les scientifiques vont affiner leur compréhension de la manière dont les instruments peuvent être optimisés pour une utilisation à long terme dans l'espace. L'analyse continue de ses performances ouvrira la voie à de nouvelles découvertes et à des stratégies plus efficaces pour la surveillance environnementale.

Source originale

Titre: In-flight pixel degradation of the Sentinel 5 Precursor TROPOMI-SWIR HgCdTe detector

Résumé: The TROPOMI-SWIR HgCdTe detector on the Sentinel-5 Precursor mission has been performing in-orbit measurements of molecular absorption in Earth's atmosphere since its launch in October 2017. In its polar orbit the detector is continuously exposed to potentially harmful energetic particles. Calibration measurements taken during the eclipse are used to inspect the performance of this detector. This paper explores the in-orbit degradation of the HgCdTe detector. After five years, the detector is still performing within specifications, even though pixels are continuously hit by cosmic radiation. The bulk of the impacts have no lasting effects, and most of the damaged pixels (95%) appear to recover on the order of a few days to several months, attributed to a slow spontaneous recovery of defects in the HgCdTe detector material. This is observed at the operational temperature of 140 K. The distribution of the observed recovery times has a mean around nine days with a significant tail towards several months. Pixels that have degraded have a significant probability to degrade again. The location of faulty pixels follows a Poissonian distribution across the detector. No new clusters have appeared, revealing that impacts are dominated by relatively low energetic protons and electrons. Due to the observed spontaneous recovery of pixels, the fraction of pixels meeting all quality requirements in the nominal operations phase has always been over 98.7%. The observed performance of the TROPOMI-SWIR detector in-flight impacts selection criteria of HgCdTe detectors for future space instrumentation.

Auteurs: Tim A. van Kempen, Marina Lobanova, Richard van Hees, Valentina Masarotto, Paul Tol, Solomii Kurchaba, Ruud W. M. Hoogeveen

Dernière mise à jour: Sep 24, 2024

Langue: English

Source URL: https://arxiv.org/abs/2409.15901

Source PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.15901

Licence: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Changements: Ce résumé a été créé avec l'aide de l'IA et peut contenir des inexactitudes. Pour obtenir des informations précises, veuillez vous référer aux documents sources originaux dont les liens figurent ici.

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