Electronique pour un laser pulsé embarqué sur une mission martienne
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Electronique pour un laser pulsé embarqué sur une mission martienne
Electronique pour un laser pulsé embarqué sur une mission martienne J.J. Thocaven 1 ,H.C. Séran 1, A. Cros 1, S. Maurice 1, J.L. Médale 1, G. Orttner 1, Y. Parot 1,, D. Kouach 2, B. Dubois 2, M. Bouyé 2, P. Caïs 3, B. Quertier 3, M. Saccoccio 4, B. Faure 4, E. Durand 5, E. Etter 5, C. Derycke 5 (1) CESR, (2) Observatoire Midi-Pyrénées, (3) Observatoire de Bordeaux, (4) CNES, (5) Thalès Laser Résumé: dans le cadre de la mission martienne Mars Science laboratory, un Rover de 800 kg va être lancé par la NASA en octobre 2011. L'un des instruments à bord de MSL est Chemcam qui analysera la composition élémentaire des roches jusqu'à 10m de distance. La technique employée est le LIBS: laser induced breakdown spectroscopy. Un laser de puissance pulsé fait une ablation de la roche qui émet un plasma dont la lumière est analysée par un spectromètre. Nous décrivons brièvement le laser pulsé et nous présentons la carte électronique analogique qui délivre les courants et tensions pour déclencher les tirs. La spécificité de la carte réside dans sa capacité à travailler entre -40°C et +35°C, à respecter les contraintes de derating applicable à tout circuit embarqué, à tenir les doses de radiations de la mission, et à offrir une fiabilité renforcée de part le choix des composants et la conception du circuit circuit. Specifications laser Duct Laser crystal Parameter Value Running mode Burst (1 N* 100) Rep rate [5Hz, 15 Hz] Output Functional temp. range [-30°C, +30°C] (performances window Energy >24 mJ on [-20°C, +20°C] >30 mJ for one temp. < 2% rms Stack Pockels cell Output coupler guaranteed on [-20°/+20°]) Stacks Energy stability Pulse length O r lato scil < 8 ns M2 <3 Mass Volume < 600 g F < 60 mm, L< 22 cm Schéma du laser Vue du laser avant montage des capots (photo Thalès Laser) (document Thalès Laser) Capacité condensateurs tantale Chaque stack est alimenté par un circuit dédié. Le courant de pompage est fourni par un réseau de condensateurs tantale solide. Le choix initial s’était porté sur des condensateurs tantale gélifié en raison de leur efficacité volumétrique (les condensateurs aluminium ont une meilleure efficacité volumétrique, mais ne sont pas assez fiables pour les applications spatiales). Les essais en froid ont montré que les condensateurs tantale gélifié ne permettaient pas d’atteindre les niveaux de courant attendus. La référence retenue (470µF 10V) est très proche d’une référence largement utilisée dans le spatial. L’utilisation de condensateurs tantale est bien encadrée suite à des défaillances observées sur des filtres d’alimentation. Les 630 condensateurs sont groupés dans des cellules de 35 (7 branches de 5 condensateurs en série). Chaque cellule tolère 2 condensateurs en court circuit (mode de défaillance dominant). dominant) La perte d’une d une cellule en courtcourt circuit entraîne la perte d’une voie d’alimentation. La défaillance en court-circuit d’un des 3 réseaux ne se propage pas aux autres réseaux grâce à l’action d’un circuit de détection qui ouvre immédiatement le transistor de charge du réseau. Chaque réseau de 210 condensateurs est chargé à courant constant entre chaque tir (la fréquence de tir peut atteindre 15 Hz). La dérive en température du courant de charge est très faible. Résistance série équivalente (ESR) condensateurs tantale 500 ESR tantale solide (milliohms) Capacité condensateurs tantale (µF) Description de la carte laser: 450 400 350 300 tantale solide 470µF 10V tantale gélifié 470µF 75V 250 200 150 160 1.6 140 1.4 120 1.2 100 1 0.8 80 0.6 60 0.4 40 tantale solide 470µF 10V tantale gélifié 470µF 75V 20 0.2 0 0 100 -55 -40 -25 -10 5 20 35 50 -55 65 ESR tantale gélifié (ohms) Slab amplifiers -40 -25 -10 5 20 35 50 65 Température (°C) Température (°C) Caractéristiques des condensateurs tantale déduites des essais de la carte laser Carte laser CAPACITOR STACK CURRENT LIMITER (0.4A) ZJ-41003-TC MFL2815D U6 3x 4 turns Awg24 JANSR2N7422 1 +28V_return 2 Input +Output +/-15V-65W 7 1 2 8 3 4 9 5 6 JANSR2N7471T1 x3 810 g dont 390 g de cartes condensateurs OSCILLATOR D30 3948uF 30V +30v_Sec 4 uH Com_out LASER DRIVER (140 A) 1N5822US 100nF/100V +28V_primary 1R 0R01 + 204 x 103.5 x 45 mm 0R003 laser diode stack + 220K slave NC sync in inh1 TRI inh2 12 11 6 5 4 3 -Output 10 sync_out 10uF/35V Com_in T5 100nF 100nF +/-12V 40mA +5V 4.4mA -5V 3mA 30 1.35A 1 35A en tir ti + 10uF/35V 220K CAPACITOR STACK CURRENT LIMITER (0.4A) JANSR2N7422 LASER DRIVER (140 A) JANSR2N7471T1 x3 1N5822US D31 3948uF 30V 4 uH 1R AMPLIFIER 1 0R01 + 0R003 laser diode stack Operating range -40°C, +35°C Schéma de l’alimentation en courant des 3 stacks de diodes laser CAPACITOR STACK CURRENT LIMITER (0.4A) JANSR2N7422 LASER DRIVER (140 A) JANSR2N7471T1 x3 1N5822US 4 uH 1R + Revêtement parylène AMPLIFIER 2 D32 3948uF 30V 0R01 0R003 laser diode stack Carte laser modèle de vol (photo CESR) 100K +1000V 220K +15V_FLT POCKELS 499R +30v 220pF 4.7nF +15V_FLT 10 330K Q2N2222 7 + 22MEG 9 8 - IRHMS57160 IRHMS57160 IRHMS57160 LM158AWG 4 IRHF7430SE Anode 22MEG -12V 4pF IRHF7430SE POCKELS CRYSTAL 1nF 51R 51R 51R 510R 510R 510R +12V 10K 22MEG 3 100K 3k9 IRHF7430SE 1k 1MEG 1nF 1 0R01 +15V_FLT Anode TRIGGER (5V) 2 100K 22MEG 270R 10nF 100k 1k LIBS laser diode stack IRHF7430SE POCKELS_RTN IRHLUB770Z4 IRHLUB7970Z4 Cathode 0R003 Vue de dessus de la boîte électronique avec la carte laser (photo CESR) Ci Circuit it de d déclenchement dé l h t Pockels P k l AGND Le circuit de déclenchement de la cellule de Pockels est alimenté sous 1000V. Quatre transistors haute tension durcis aux radiations commutent en 10ns. Les transistors sont utilisés à 50% de leur tension maximale. La tension de déclenchement de la cellule de Pockels est constante sur toute la gamme de température. Vue de l’instrument Chemcam modèle de vol en vibration (photo CESR) Circuit de pilotage en courant des stacks Chaque driver de stack est basé sur 3 transistors MOSFETs canal N de 45A en parallèle. Le stack est connecté à la source des MOSFETs ce qui oblige à fournir au circuit de pilotage une alimentation flottante découplée de la masse. Ce découplage évite les déclenchements intempestifs provoqués par les glitchs de la partie numérique. Courant stack (bleu) et tension Pockels (rouge) lors d’un tir. La synchronisation est réalisée par la carte de contrôle FPGA. Vue de l’instrument Chemcam modèle de vol en vibration. Le laser est capoté par le cylindre poli doré au premier plan (photo CESR)