Interplanetary satellite missions and also satellites orbiting the Earth carry instruments to measure fluxes of neutral atoms, which are plasma key parameters for the investigation of the planets' atmospheres. Neutral atoms entering the mass-spectrometry instrument have to be ionized to be able to guide them using electric and magnetic fields with intent to determine energy and velocity of the atoms and finally their mass. For low energy neutral atoms, the ionization process can be realized by implementing a charge state conversion surface, where-on the atoms are scattered in an angle of grazing incidence and getting ionized.The objective of this work is the characterization and analysis of two diamond-like carbon surface samples by measuring and determining ionization efficiencies and scattering properties and therefore their functionality as charge state conversion surfaces.First, a chemical vapor deposition (CVD) diamond sample is investigated. Furthermore the CVD diamond is compared to another diamond--like carbon surface manufactured by pulsed laser deposition (PLD) technique. All measurements have been accomplished at the ILENA (Imager for Low Energy Neutral Atoms) facility at the Physics Institute, University of Bern in the Department of Space Research and Planetary Sciences.It is discovered that the CVD surface gets electrostatically charged upon scattering of atomic ions. Though this charging effects, a qualitative characterization of the surface can be made. It is shown that the ionization efficiencies of the CVD and the PLD diamond surface are of comparable quality, where on the contrary the scattering properties of the CVD diamond charge state conversion surface are much better. It still has to be investigated in future experiments, if this brilliant scattering properties are due to charging effects or can be assigned to the very smooth surface of the CVD diamond surface. / <p>Validerat; 20120112 (anonymous)</p>

An adapted capacitance manometer is a sensor composed of one fixed plate and one movable plate that is able to make accurate pressure measurements in a low pressure environment. Using detection circuitry, a change in capacitance between the two plates can be measured and correlated to a differential pressure. First, a high sensitivity manometer is produced that exhibits a measurable change in capacitance when experiencing a pressure differential in a low pressure space environment. Second, an accurate and precise detection circuit is identified to measure the change in capacitance. Both, the manometer and the detection circuitry, are tested separately and together to confirm accurate measurements when experiencing small pressure differentials. The manometer shows low sensitivity at the desired differential pressure range but reacts predictably when compared to simulations. The manometer also shows an unexpected correlation in capacitance change to temperature change. / Master of Science

L'instrument AMBRE 1 (Active Monitor Box of Electrostatic Risks) est un spectromètre de mesure du plasma (ions positifs et électrons) composé de deux têtes de mesure qui a été lancé à bord du satellite Jason 3 en Janvier 2016. A travers la mesure du plasma thermique (énergies comprises entre ~0 et 35 keV) cet instrument permet, d'une part, de déterminer la charge électrostatique des satellites et les populations en étant à l'origine pour répondre à des enjeux opérationnels, et d'autre part, de caractériser les environnements plasma magnétosphériques avec des enjeux scientifiques. La réduction des caractéristiques physiques (poids, consommation électrique et encombrement) des instruments AMBRE est un enjeu clé dans le but de rendre son embarquement systématique sur les plateformes satellites (scientifiques comme commerciales) et ainsi étendre le réseau de ce type de mesures dans l'environnement terrestre. L'objectif de cette thèse porte sur la conception, le développement et la réalisation d'un prototype d'instrument AMBRE 2 répondant à ces enjeux, tout en améliorant les performances scientifiques. Cette nouvelle génération d'instrument repose sur l'utilisation d'une seule tête qui mesure les deux types de population de manière alternée dans le temps. L'étude de chaque sous-système d'AMBRE 2 a permis de trouver les meilleurs compromis permettant de mesurer les deux types de population tout en minimisant les ressources allouées à l'instrument. Un prototype a été réalisé et testé sous vide avec un canon à ions et un canon à électron courant octobre 2017 afin de valider son principe de fonctionnement. / The Active Monitor Box of Electrostatic Risks (AMBER) is a double-head thermal plasma (positive ions and electrons) electrostatic analyser that was launched onboard the Jason-3 spacecraft in January 2016. By measuring the thermal plasma (in the energy range ~0 - 45 keV) the instrument permits, on the one hand, to determine the spacecraft electrostatic charging and the populations at its origin with operational stakes, and, on the other hand, to characterize the magnetospheric plasma environments with scientific goals. Reducing the physical resources (weight, electric consumption, and volume) of the AMBRE line of instrument is key to a potential systematic embarkation onboard various platforms (scientific or commercial), thereby augmenting the constellation of such measurements in near-Earth space. The goal of the present thesis is to conceive, develop and build an AMBRE 2 instrument prototype that meets these goals while augmenting its scientific capabilities. This new generation of instrument relies on the use of a single head which alternatively measures ions and electrons. Each AMBRE 2 sub-system was studied and designed using the best trade-off solution between overall resources and capabilities. A prototype has been built and tested in a vacuum chamber with ion and electron beams in October 2017 in order to validate its functionality.

L’analyse de la surface par des moyens spatiaux des objets du Système Solaire permet de remonter aux processus géologiques, géochimiques et climatiques qui s’y sont déroulés. La microscopie hyperspectrale dans le proche infrarouge, de par sa faculté à analyser la composition moléculaire et minéralogique d’un échantillon à l’échelle des grains, est une technique novatrice dans le cadre de la planétologie, amenée à compléter les mesures effectuées depuis l’orbite et celles des autres instruments d'analyse in situ. Les développements techniques récents liés aux détecteurs matriciels dans le proche infrarouge, aux machines cryogéniques de dimension et masse réduites, ainsi qu’aux systèmes dispersifs nous donnent désormais la capacité de développer des microscopes hyperspectraux compatibles en termes de masse, volume, puissance et télémétrie avec les contraintes fortes liées à un atterrisseur/rover. Le concept développé a ainsi donné naissance à l’instrument MicrOmega, sélectionné pour faire partie de la charge utile Pasteur du rover ExoMars de l'ESA. Mon travail de thèse s'est tout d'abord fixé pour objectif d'étudier l'extension de la gamme spectrale de l'instrument vers l'infrarouge au-delà de 2.5 µm afin d'identifier et de caractériser d'éventuels composés carbonés ; j'ai procédé à l'analyse des conséquences de cette extension sur la conception de l'instrument. Les résultats de ces études ont permis de faire évoluer le design et les spécifications de l'instrument MicrOmega pour ExoMars. Mon implication dans la préparation de cette mission m'ont conduit à développer des algorithmes de détection automatiques de composés spécifiques au sein d'un échantillon, de manière à coupler les mesures de MicrOmega avec celles du spectromètre RAMAN RLS et du laser à désorption de MOMA, permettant ainsi d'accroître la synergie entre les instruments de la charge utile.Au cours de ma thèse, le décalage du lancement de la mission Phobos Grunt a permis de proposer d'y adjoindre un modèle de MicrOmega ; j'ai ainsi pu participer à l'ensemble des phases de développement d'un modèle de vol de MicrOmega, de sa conception initiale à l'étalonnage final. Suite à ce développement, une autre mission d'opportunité est apparue, à laquelle j'ai également été associé : l'instrument MicrOmega a été sélectionné pour la mission Hayabusa-2, destinée à l'analyse in situ d'un astéroïde-C. / The characterization of the surface of planetary objects, through space observations, gives key clues to the past and present geological, geochemical and climate processes. Near-infrared hyperspectral microscopy, through its capability to identify the molecular and mineralogical composition of a sample at its grain size, is an innovative technique that will efficiently complement both remote sensing and in situ measurements. Recent technical achievements in near-infrared detectors, space cryo-coolers and dispersive systems, has enabled us to design MicrOmega, a highly miniaturized near-infrared hyperspectral microscope, to be implemented on landers/rovers: it has been selected within the Pasteur payload of the ESA ExoMars rover, with launch scheduled for 2018.My thesis activity started with the study of the extension of the spectral range beyond 2.5 µm, driven by the goal of identifying and characterizing potential organic compounds, and with the analysis of the impact on the instrument design of such an extension. The outcomes were used to set the MicrOmega / ExoMars instrument baseline. My involvement in this program included the development of algorithms enabling, in an automated way, the identification and the location, within the analyzed samples, of compounds with specific composition; it will be used both to limit the amount of information to be downloaded, and to indicate key targets for point analyzers, such as the Raman spectrometer RLS and the laser desorption spectrometer MOMA, thus increasing the synergy between the suite of ExoMars laboratory instruments. During my thesis, the shift of the launch of the Phobos Grunt mission opened the possibility to develop and deliver a flight model of MicrOmega, in less than two years; I thus have been involved in all steps of its development, from its design to its final calibration. As a follow-up, another mission of opportunity emerged, to which I have also been associated: MicrOmega has been selected as part of the Hayabusa-2 mission, which will in situ analyze a C-type asteroid.

The resident space object population in the near-Earth vicinity has steadily increased since the dawn of the space age. This population is expected to increase drastically in the near future as the realization of proposed mega-constellations is already underway. The resultant congestion in near-Earth space necessitates the availability of more complete and more accurate satellite tracking information to ensure the continued sustainable use of this environment. This work sets out to create an operational system for the delivery of accurate satellite tracking information by means of optical observation. The state estimates resulting from observation series conducted on a GPS satellite and a geostationary satellite are presented and compared to existing catalog information. The satellite state estimate produced by the system is shown to outperform existing two-line element results. Additionally, the statistical information provided by the processing pipeline is evaluated and found to be representative of the best information available for the satellites true state.

Les sursauts gamma sont des événements fascinants de par leur origine longtemps restée mystérieuse, leur apparition imprévisible dans le ciel, et la formidable énergie qu'ils libèrent sous forme de bouffées de rayonnement gamma. Découverts fortuitement au début des années 1970, ils se traduisent par un intense flash de rayons gamma de brève durée (de quelques ms à quelques min), appelé émission prompte, suivi d'une émission longue, appelée rémanence, qui décroît rapidement, en émettant depuis les rayons X jusqu'au domaine radio. L'origine des sursauts gamma est encore largement discutée mais ces phénomènes extrêmes sont très vraisemblablement associés à la formation de nouveaux trous noirs stellaires. Mon sujet de thèse se situe au coeur de la mission sino-française SVOM dont le lancement du satellite est prévu en 2021, qui scrutera le ciel pour observer les sursauts avec une précision inégalée, associant observations spatiales et terrestres. Mon travail concerne l'instrument principal de la mission, le télescope spatial ECLAIRs. Il s'agit d'une caméra à masque codé sensible aux rayons X et gamma de basse énergie, en charge de la détection et de la localisation de l'émission prompte des sursauts. Durant mon travail de thèse, j'ai travaillé sur les performances scientifiques de l'instrument ECLAIRs et j'ai en particulier estimé le nombre de sursauts qui seront détectés et leurs caractéristiques. Pour cela, j'ai mis en place des simulations de performances utilisant les prototypes des algorithmes de détection embarqués combinés au modèle de l'instrument ECLAIRs. Les données en entrée des simulations comportent un bruit de fond simulé, et une population synthétique de sursauts gamma générée à partir de catalogues existants issus des observations des missions antérieures (CGRO, HETE-2, Swift et Fermi). Mon étude a permis d'estimer finement l'efficacité de détection d'ECLAIRs et prédit un taux de sursauts attendu par ECLAIRs entre 40 et 70 sursauts par an. Par ailleurs, mon travail a montré qu'ECLAIRs sera particulièrement sensible à une population de sursauts très riches en rayons X, population encore mal connue. Ma thèse présente plusieurs autres études complémentaires portant sur la performance de localisation, le taux de fausses alertes et les caractéristiques des déclenchements des algorithmes. Enfin, j'ai proposé deux nouvelles méthodes originales de détection de sursauts dont les résultats préliminaires présentés dans ma thèse sont très encourageants. Ils montrent que la sensibilité d'ECLAIRs aux sursauts courts (population d'intérêt particulier en raison de son lien attendu avec les ondes gravitationnelles) peut être encore améliorée. / Discovered in the early 1970s, gamma-ray bursts (GRBs) are amazing cosmic phenomena appearing randomly on the sky and releasing large amounts of energy mainly through gamma-ray emission. Although their origin is still under debate, they are believed to be produced by some of the most violent explosions in the Universe leading to the formation of stellar black-holes. GRBs are detected by their prompt emission, an intense short burst of gamma-rays (from a few millisecondes to few minutes), and are followed by a lived-afterglow emission observed on longer timescales from the X-ray to the radio domain. My thesis participates to the developement of the SVOM mission, which a Chinese-French mission to be launched in 2021, devoted to the study of GRBs and involving space and ground instruments. My work is focussed on the main instrument ECLAIRs, a hard X-ray coded mask imaging camera, in charge of the near real-time detection and localization of the prompt emission of GRBs. During my thesis, I studied the scientific performances of ECLAIRs and in particular the number of GRBs expected to be detected by ECLAIRs and their characteristics. For this purpose, I performed simulations using the prototypes of the embedded trigger algorithms combined with the model of the ECLAIRs instrument. The input data of the simulations include a background model and a synthetic population of gamma-ray bursts generated from existing catalogs (CGRO, HETE-2, Fermi and Swift). As a result, I estimated precisely the ECLAIRs detection efficiency of the algorithms and I predicted the number of GRBs to be detected by ECLAIRs : 40 to 70 GRBs per year. Moreover, the study highlighted that ECLAIRs will be particularly sensitive to the X-ray rich GRB population. My thesis provided additional studies about the localization performance, the rate of false alarm and the characteristics of the triggers of the algorithms. Finally, I also proposed two new methods for the detection of GRBs.The preliminary results were very promising and demonstrate that the sensitivity of ECLAIRs to the short GRBs (an interesting population due to the predicted association with gravitational waves) could be improved further.

As part of the first agreement between the French (CNES) and the Chinese (CNSA) space agencies in terms of space exploration, the DORN instrument will fly on board the Chinese Chang'E 6 mission in 2024. It aims to measure the amount of Radon escaping from the lunar soil to better understand what governs the concentration of this noble gas which contributes to the endogenous origin of the lunar exosphere. This instrument is an alpha-particle spectrometer able to detect the radioactive decay of two Radon isotopes and their progeny. These emissions act as a tracing signal for the processes happening in the lunar sub-surface. During the Assembly, Integration &amp; Testing phase of the Flight Model of the instrument, different scientific concerns must be addressed to characterise the behaviour of the instrument before it is commissioned to China for its final tests and integration into the lander before the mission. This means that all the measuring process, since the alpha-particle deposits its energy into the detector until it is counted as an event in a spectral data product, has to be meticulously analysed and assessed to verify if it is compliant with the instrument's scientific requirements. Under this context, several data analysis tools have been developed to retrieve the behaviour characteristics of the instrument. Firstly, due to the changing conditions that a space mission to the lunar environment undergoes, it is needed to perform an in-flight calibration at every measurement. To this regard, a program able to obtain the calibration parameters at several temperatures within its operative range along with the spectral resolution of each detector has been developed and used during the Thermal Vacuum tests held at CNES. Secondly, the numerical pipeline, responsible for processing and storing onboard data, must undergo stress testing and be exposed to conditions resembling the lunar environment. As a result, the software's capabilities enabling the instrument to derive particle energy and eliminate undesired detections have undergone thorough testing. These tools have been used to verify the compliance of the instrument with its respective scientific requirements as well as to validate its current software version. They not only have played an important role in finalising the development of the instrument in France but will be of great use during the tests done in China and during the space operations on the Moon. / Dans le cadre du premier accord entre les agences spatiales française (CNES) et chinoise (CNSA) en matière d'exploration spatiale, l'instrument DORN volera à bord de la mission chinoise Chang'E 6 en 2024. Il vise à mesurer la quantité de Radon s'échappant du sol lunaire afin de mieux comprendre ce qui gouverne la concentration de ce gaz noble qui contribue à l'origine endogène de l'exosphère lunaire. Cet instrument est un spectromètre à particules alpha capable de détecter la désintégration radioactive de deux isotopes du radon et de ses descendants. Ces émissions agissent comme un signal de traçage des processus qui se déroulent dans la sub-surface lunaire. Au cours de la phase d'assemblage, d'intégration et d'essai du modèle de vol de l'instrument, différentes questions scientifiques doivent être abordées pour caractériser le comportement de l'instrument avant qu'il ne soit envoyé en Chine pour les essais finaux et l'intégration dans l'atterrisseur avant la mission. Cela signifie que l'ensemble du processus de mesure, depuis le dépôt de l'énergie de la particule alpha dans le détecteur jusqu'à son comptage en tant qu'événement dans un produit de données spectrales, doit être méticuleusement analysé et évalué pour vérifier s'il est conforme aux exigences scientifiques de l'instrument. Dans ce contexte, plusieurs outils d'analyse de données ont été développés pour retrouver les caractéristiques de comportement de l'instrument. Tout d'abord, en raison des conditions changeantes d'une mission spatiale dans l'environnement lunaire, il est nécessaire d'effectuer un étalonnage en vol à chaque mesure. À cet égard, un programme capable d'obtenir les paramètres d'étalonnage à plusieurs températures dans sa gamme opérationnelle ainsi que la résolution spectrale de chaque détecteur a été utilisé pendant les tests de vide thermique qui se sont déroulés au CNES. Deuxièmement, le pipeline numérique, chargé du traitement et du stockage des données à bord, doit subir des tests de contrainte et être exposé à des conditions ressemblant à l'environnement lunaire. En conséquence, les capacités logicielles permettant à l'instrument de déduire l'énergie des particules et d'éliminer les détections indésirables ont fait l'objet de tests approfondis. Ces outils ont été utilisés pour vérifier la conformité de l'instrument avec ses exigences scientifiques respectives et pour valider la version actuelle de son logiciel. Ils ont non seulement joué un rôle important dans la finalisation du développement de l'instrument en France, mais seront également très utiles lors des tests effectués en Chine et lors des opérations spatiales sur la Lune.

Le besoin tant en haute qualité d'imagerie qu'en structures légères est l'un des principaux moteurs pour la conception des télescopes spatiaux. Un contrôle efficace du front d'onde va donc devenir indispensable dans les futurs grands observatoires spatiaux, assurant une bonne performance optique tout en relâchant les contraintes sur la stabilité globale du système. L'optique active consiste à contrôler la déformation des miroirs, cette technique peut être utilisée afin de compenser la déformation des grands miroirs primaires, afin de permettre l'utilisation d'instrument reconfigurable ou afin de fabriquer des miroirs asphériques avec le polissage sous contraintes. Dans ce manuscrit, la conception de miroirs actifs dédiés à l'instrumentation spatiale est présentée. Premièrement, un système compensant la déformation d'un grand miroir allégé dans l'espace est conçu et ses performances sont démontrées expérimentalement. Avec 24 actionneurs, le miroir MADRAS (Miroir Actif Déformable et Régulé pour Applications Spatiales) effectuera une correction efficace du front d'onde dans un relais de pupille du télescope. Deuxièmement, un harnais de déformation pour le polissage sous contraintes des segments du télescope géant européen de 39 m (E-ELT) est présenté. La performance du procédé est prédite et optimisée avec des analyses éléments finis et la production en masse des segments est considérée. Troisièmement, deux concepts originaux de miroirs déformables avec un nombre minimal d'actionneurs ont été développés. VOALA (Variable Off-Axis parabola) est un système à trois actionneurs et COMSA (Correcting Optimized Mirror with a Single Actuator) est un système à un actionneur. / The need for both high quality images and light structures is one of the main driver in the conception of space telescopes. An efficient wave-front control will then become mandatory in the future large observatories, ensuring the optical performance while relaxing the specifications on the global system stability. Consisting in controlling the mirror deformation, active optics techniques can be used to compensate for primary mirror deformation, to allow the use of reconfigurable instruments or to manufacture aspherical mirror with stress polishing. In this manuscript, the conception of active mirrors dedicated to space instrumentation is presented. Firstly, a system compensating for large lightweight mirror deformation in space, is designed and its performance are experimentally demonstrated. With 24 actuators, the MADRAS mirror (Mirror Actively Deformed and Regulated for Applications in Space) will perform an efficient wave-front correction in the telescope's pupil relay. Secondly, a warping harness for the stress polishing of the 39 m European Extremely Large Telescope segments is presented. The performance of the process is predicted and optimized with Finite Element Analysis and the segments mass production is considered. Thirdly, two original concepts of deformable mirrors with a minimum number of actuators have been developed. The Variable Off-Axis parabola (VOALA) is a 3-actuators system and the Correcting Optimized Mirror with a Single Actuator (COMSA) is a 1-actuator system.

Les observations des supernovae, du fond diffus cosmologique, et plus récemment la mesure des oscillations acoustiques des baryons et des effets de lentilles gravitationnelles faibles, favorisent le modèle cosmologique LambdaCDM pour lequel l'expansion de l'Univers est actuellement en accélération. Ce modèle fait appel à deux composants insaisissables, la matière sombre et l'énergie sombre. Deux approches semblent particulièrement prometteuses pour sonder à la fois la géométrie de l'Univers et la croissance des structures de matière noire, l'analyse des distorsions faibles des galaxies lointaines par cisaillement gravitationnel et l'étude des oscillations acoustiques des baryons. Ces deux méthodes demandent de très grands relevés du ciel, de plusieurs milliers de degrés carrés, en imagerie et en spectroscopie. Dans le contexte du relevé spectroscopique de la mission spatiale EUCLID, dédiée à l'étude des composantes sombres de l'univers, j'ai réalisé des simulations pixels permettant l'analyse des performances instrumentales. La méthode proposée peut se résumer en trois étapes. La première étape est de simuler les observables, c'est à dire principalement les sources du ciel. Pour cela j'ai développé une nouvelle méthode, adapté à la spectroscopie, qui permet d'imiter un relevé existant, en s'assurant que la distribution des propriétés spectrales des galaxies soit représentative des observations actuelles, en particulier la distribution des raies d'émission. La seconde étape est de simuler l'instrument et de produire des images équivalentes aux images réelles attendues. / The observations of the supernovae, the cosmic microwave background, and more recently the measurement of baryon acoustic oscillations and the weak lensing effects, converge to a LambdaCDM model, with an accelerating expansion of the today Universe. This model need two dark components to fit the observations, the dark matter and the dark energy. Two approaches seem particularly promising to measure both geometry of the Universe and growth of dark matter structures, the analysis of the weak distortions of distant galaxies by gravitational lensing and the study of the baryon acoustic oscillations. Both methods required a very large sky surveys of several thousand square degrees. In the context of the spectroscopic survey of the space mission EUCLID, dedicated to the study of the dark side of the universe, I developed a pixel simulation tool for analyzing instrumental performances. The proposed method can be summarized in three steps.The first step is to simulate the observables, ie mainly the sources of the sky. I work up a new method, adapted for spectroscopic simulations, which allows to mock an existing survey of galaxies in ensuring that the distribution of the spectral properties of galaxies are representative of current observations, in particular the distribution of the emission lines. The second step is to simulate the instrument and produce images which are equivalent to the expected real images. Based on the pixel simulator of the HST, I developed a new tool to compute the images of the spectroscopic channel of EUCLID. The new simulator have the particularity to be able to simulate PSF with various energy distributions and detectors which have different pixels

<p>The magnetospheric cusps are two funnel-like regions of Earth's magnetosphere where solar wind plasma can have direct access to the ionosphere. The cusps are very dynamic regions where wave-particle interactions continuously take place and redistribute energy among different particle populations. In this thesis, both low and high frequency plasma waves in the cusp have been studied in detail using data from the Cluster spacecraft mission. The waves were studied with respect to frequency, Poynting flux and polarization. Wavelengths have also been estimated using multi-spacecraft techniques. At low frequencies, kinetic Alfvén waves and nonpotential ion cyclotron waves are identified and at high frequencies, electron cyclotron waves, whistler waves, upper-hybrid and RX-waves are observed. A common generation mechanism called the shell-instability is proposed for several of the wave modes present in the cusp, both at low and high frequencies. </p><p>The plasma in the cusp is shown to be strongly inhomogeneous. In an inhomogeneous low-frequency magnetoplasma, kinetic Alfvén waves couple to drift-waves. Such drift-kinetic Alfvén waves have long been believed to nonlinearly self-interact and form coherent structures in the form of drift-kinetic Alfvén vortices. In this thesis the first unambiguous direct measurements confirming the existence of such vortices in a turbulent space plasma are presented. Some of the crucial parameters such as the vortex radius are determined. </p><p>Plasma theory is electrodynamics applied to a large collection of charged particles. In this thesis a new way of looking at the fundamental Maxwell tensor is presented. A covariant spectral density tensor containing information on electromagnetic waves is formed. This tensor is then decomposed into irreducible components by using the spinor formalism for an arbitrary metric. The obtained fundamental tensors are shown to correspond both to well known tensors in Maxwell's theory, as well as several physically interesting new tensors.</p>