Unikt partikelinstrument skräddarsytt för Jupiters extrema rymdmiljö / Unique particle instrument tailored for the harsh Jovian environment

Den 25 mars försvarar Angèle Pontoni, Institutet för rymdfysik (IRF) och Umeå universitet, sin doktorsavhandling. Angèle har bidragit till att utveckla, testa, kalibrera och validera det unika partikelinstrumentet Jovian Neutrals Analyzer. Instrumentet ska studera rymdmiljön omkring Jupiter ombord på den europeiska rymdfarkosten JUpiter ICy moons Explorer som skjuts upp 2023.

"Jovian Neutrals Analyzer (JNA) är skräddarsydd för att studera den komplexa interaktionen mellan Jupiters månar och de energirika partiklar som fångas in av Jupiters starka magnetfält", säger Angèle.

De vetenskapliga målen för rymdexpeditionen är att studera Jupitersystemet med särskilt fokus på de tre stora isiga månarna Europa, Ganymedes och Callisto. Sonden kommer också att titta närmare på Io torus, en munkformad struktur som består av energirika partiklar som härrör från vulkanutbrott på Jupiters aktiva måne Io.

Alla instrument som skickas ut i rymden måste skräddarsys för den specifika miljö där mätningarna ska utföras. Mätningar i Jupitersystemet är särskilt utmanande på grund av den hårda strålningsmiljön. För att dämpa bruset som strålningen orsakar har Jovian Neutrals Analyzer utrustats med tunga sköldar av volfram. Instrumentet är även utrustat med en speciell typ av detektor.

”Att bygga instrument för rymden är mycket utmanande. Efter att instrumentet skjutits iväg har vi ingen möjlighet att fixa några designfel. För att kunna säkerställa att Jovian Neutrals Analyzer kommer att fungera i rymden har det fått genomgå många olika tester”, säger Angèle.

Den största delen av tiden som doktorand har Angèle spenderat i IRF:s olika laboratorium där hon byggt, testat och kalibrerat instrumentet. Hon har aktivt utvecklat och testat fem olika versioner av JNA, inklusive den som nu är monterad på rymdfarkosten.

En av hennes första uppgifter var att bygga en förenklad version av instrumentet för att demonstrera den elektriska designen. Angèle har även utfört datorsimuleringar för att förutsäga partikelmiljön vid månen Ganymedes, vilket är avgörande för att kunna tolka de observationer instrumentet kommer att göra.

"De ljusa och mörka områdena som identifierats på Ganymedes yta kan bero på att mängden partiklar som träffar ytan varierar. JNA mäter de neutrala partiklar som kommer från månen och som har skapats då partiklar kolliderat med ytan. Det ger oss en bild av nederbördsmönstret. På liknande sätt kan instrumentet kartlägga Io torus genom att mäta neutrala partiklar, utan att behöva befinna sig nära Io där strålningen skulle skada rymdfarkosten."

Angèle Pontoni, född i Frankrike, försvarar sin avhandling Development and simulated observations of the Jovian Neutrals Analyzer i aulan på IRF i Kiruna, fredagen den 25 mars. Fakultetsopponent är professor Andrew Yau från University of Calgary i Kanada.

Doktorsavhandlingen: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-192805

Kontakt:
Angèle Pontoni, doktorand, Institutet för rymdfysik (IRF) och Umeå universitet
angele.pontoni@irf.se
+46 980 79079

---------------- ENG -----------------

On 25 March, Angèle Pontoni, Swedish Institute of Space Physics (IRF) and Umeå University, will defend her doctoral thesis. Angèle has contributed to the development, testing, calibration and validation of the Jovian Neutrals Analyzer, a particle instrument part of the upcoming JUICE mission for the Jovian system.

“The Jovian Neutrals Analyzer (JNA) is tailored to study the complex interaction between Jupiter’s moons and energetic particles trapped by Jupiter’s strong magnetic field”, says Angèle.

The instrument will fly onboard the European Space Agency spacecraft JUpiter ICy moons Explorer that will be launched in 2023. The scientific goals of the mission are to study the Jovian system with a particular focus on the three large icy moons Europa, Ganymede and Callisto. Another target is the Io torus, which is a donut-shaped structure consisting of energetic particles originating from volcanic eruptions on Jupiter’s active moon Io.

Every instrument sent into space has to be tailored for the specific environment in which it will operate. Measurements in the Jovian system are particularly challenging because of the harsh radiation environment. To suppress the noise induced by radiation, JNA had to be equipped with heavy tungsten shields and a special type of detector was selected.

“Building instruments for space is very challenging. After launch, there’s no way for us to fix any design mistakes, so we have to put our instrument through many testing campaigns, to make sure it will work in space”, says Angèle.

Most of Angèle’s PhD was spent in the lab, building, testing, and calibrating the instrument. She has actively been developing and testing five different versions of the instrument, including the one that is now mounted on the spacecraft. One of her first tasks was to build a simplified version of JNA to demonstrate its electrical design. Angèle also worked on the computer simulation to predict the particle environment at Ganymede, which is crucial to interpret what the instrument will observe.

The instrument will be the first one ever to use the neutral particle imaging technique to study how charged particles flow around Jupiter and how they interact with Ganymede’s surface.

“The different brightness at different locations on the surface of Ganymede is believed to be due to particle precipitation. JNA measures the neutrals that are ejected from the surface by the impacting particles, and gives us an image of the precipitation pattern. In a similar way the instrument can map the Io torus by measuring neutral particles, without having to pass close to Io where radiation would damage the spacecraft.”

Angèle Pontoni, born in France, defends her thesis Development and simulated observations of the Jovian Neutrals Analyzer in the auditorium at IRF in Kiruna, Sweden, on Friday 25 March. The faculty opponent is Prof. Andrew Yau from the University of Calgary in Canada.

The doctoral thesis: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-192805

Contact:
Angèle Pontoni, PhD Swedish Institute of Space Physics (IRF) and Umeå University
angele.pontoni@irf.se
+46 980 79079