Étude et mise en oeuvre de magnétorésistances anisotropes et à effet tunnel pour la mesure des champs magnétiques faibles dans les plasmas spatiaux

Study and implementation of anisotropic and tunneling magetoresistors for high sensivity magnetic fields measurement in space plasmas

• Auteur / Autrice : Malik Mansour
• Direction : Alain Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électronique

Effet tunnel

Mots clés libres

Searchcoil

Magnétomètre hybride

Instrumentation spatiale

Radiations

Capteur PHE

Jonction tunnel magnétique

Énergie d'échange

Modélisation éléments finis

Algorithme génétique

Optimisation

Électronique faible bruit

Résumé

L'étude in situ des relations Soleil-Terre et plus généralement des environnements ionisés du système solaire, nécessite la mesure d'ondes qui se propagent dans un plasma magnétisé. A bord des observatoires spatiaux, la composante magnétique de ces ondes est obtenue à l'aide de magnétomètres à induction. La mesure des hautes fréquences (de quelques Hz à quelques 100 kHz) est réalisée par des magnétomètres Searchcoil tandis que celles des basses fréquences (de quelques 10 mHz à quelques Hz) et de la composante continue sont confiées aux magnétomètres Fluxgate. Cette thèse porte sur le développement d'un magnétomètre dont la bande de mesure s'étend du continu à plusieurs kiloHertz. On y présente un concept instrumental innovant reposant sur la mise en œuvre simultanée d'une mesure inductive et magnétorésistive du champ magnétique. Nous nous intéressons d'abord à la conception et à l'étude de capteurs à magnétorésistance anisotrope (AMR) et à magnétorésistance tunnel (TMR) dont les propriétés d'anisotropie sont contrôlées par couplage d'échange. Nous montrons ensuite comment ces magnétorésistances peuvent être intégrées à un magnétomètre Searchcoil dont le noyau ferromagnétique est mis à profit pour réaliser un concentrateur magnétique performant. Nous détaillons alors les différents aspects de la conception d'un magnétomètre hybride Searchcoil/Magnétorésistance répondant aux contraintes environnementales associées aux expériences spatiales ainsi que d'un outil original d'optimisation des performances, alliant un modèle par éléments finis à un algorithme de type génétique. Nous prouvons enfin la faisabilité du concept proposé en réalisant un premier prototype de magnétomètre hybride Searchcoil/Capteur PHE tri-axes et de son électronique de préamplification faible bruit. La sensibilité de ce prototype, testé en conditions réelles lors d'un tir de fusée scientifique, avoisine les 200 fT/sqrt (Hz) à 1 kHz et les 400 pT/sqrt (Hz) à 1 Hz

In situ study of Sun-Earth relations and ionized environments of our solar system needs for the measurement of waves propagated in magnetized plasma. Aboard space observatories, wave's magnetic components are measured by inductive magnetometers. High frequencies measurement (a few Hz up to a few 100 kHz) is made by Searchcoil magnetometers whereas low frequencies (a few Hz down to a few 10 mHz) and dc field measurement are leaved to Fluxgate magnetometers. In this thesis we deal with the design of a broadband magnetometer able to measure magnetic fields from dc to a few kiloHertz. We present an innovative instrumental concept based on the implementation, in a unique instrument, of both an inductive and a magnetoresistive measurement of the magnetic field. We address both the design and the study of anisotropic (AMR) and tunneling (TMR) magnetoresistive sensors whose magnetic properties are controlled by exchange anisotropy. We show how those sensors can be associated to a Searchcoil magnetometer whose ferromagnetic rode is used to achieve an efficient magnetic concentrator. We then detail the design of a hybrid Searchcoil/Magnetoresistor magnetometer meeting the environmental constraints associated to space experiments as well as an original optimization tool based on finite element modeling and a genetic algorithm. We finally prove the feasibility of the concept making a fist prototype of a hybrid tri-axes Searchcoil/PHE sensor magnetometer and its low noise conditioning electronics. This prototype reaching a detectivity around 200 fT/sqrt (Hz) at 1 kHz and 400 pT/sqrt (Hz) at 1 Hz has been tested in real conditions during a scientific rocket experimen