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(English version below)
Le projet LISA de détection des ondes gravitationnelles a été sélectionné au printemps 2017 comme mission de classe " Large " de l'Agence spatiale européenne. Cette mission repose sur la capacité à mesurer, par interférométrie laser, les fluctuations de distance entre des satellites distants de 2,5 millions de km, avec une précision au picomètre sur des échelles de temps de quelques secondes à quelques heures.
LISA est le produit d'un effort de développement international, la France faisant partie de la collaboration européenne fournissant l'instrument. Les études de faisabilité (phase A) de l'instrument LISA sont maintenant terminées et le projet entre dans sa phase d'étude de définition préliminaire (phase B). Dans ce contexte, le CNES et une quinzaine de laboratoires français ont proposé de contribuer à la validation des performances scientifiques de l'instrument avant le vol et de développer les bancs de métrologie optique de haute précision nécessaires. Deux étapes principales de validation expérimentale sont actuellement prévues : la première avec un modèle d'instrument 'réduit' (appelé IDS : Interferometric Detection System) à partir de 2025 et la seconde avec des modèles entièrement intégrés (appelés MOSA : Movable Optical Sub-Asembly) à partir de 2029.
Dans ce contexte, deux prototypes de bancs optiques ultra-stables sont en cours de développement à l'APC et dans d'autres laboratoires de la communauté française. Le premier est à base de métal à faible expansion thermique (Invar) et le second à base de céramique à ultra faible expansion (Zerodur). Le banc métallique a été fabriqué et ses mesures de caractérisation seront achevées d'ici février 2022. La campagne d'essais sur le banc Zerodur sera réalisée à l'automne 2022.
Le présent stage vise à modéliser et exploiter les résultats de la caractérisation du banc métallique pour préparer les tests du banc Zerodur et, ultérieurement, de l'instrument LISA. Un élément clé de ce processus est la réalisation d'un modèle de performance du système. Ce modèle doit prédire, aussi précisément que possible, le comportement (en termes de réponse de l'instrument et de niveaux de bruit) de l'expérience et le comparer aux résultats expérimentaux. Ce modèle est partiellement basé sur, et peut également contribuer à, un modèle plus général de performance de l’instrument développé pour la mission LISA (et utilisé pour garatir les objectifs scientifiques de la mission). L'évaluation des performances repose sur différentes techniques telles que la modélisation analytique, les simulations numériques, le traitement et l'interprétation des données.
Par conséquent, ce stage implique notamment des compétences en ingénierie système, interférométrie et instrumentation générale.
Pour toutes ces activités expérimentales et leur interprétation en termes de performances instrumentales, l'étudiant s'appuiera sur les équipes scientifiques et techniques du groupe LISA au laboratoire APC (y compris le support d'ingénierie en optique, mécanique, électronique, ingénierie système, assurance qualité, etc). Ce travail sera également réalisé en étroite collaboration avec les autres laboratoires français, le CNES et les instituts internationaux impliqués dans le développement de l'instrument LISA.
Ce stage pourra être prolongé en thèse de doctorat couvrant la conception et les tests des équipements nécessaires à la caractérisation optique au sol de l'instrument LISA et la stratégie complète de validation, depuis les mesures individuelles au sol jusqu'à la prédiction des performances de LISA en orbite.
Mots clés : Ondes Gravitationnelles, Interferometrie Laser, Modelisation des performances, Integration et Tests
Compétences : Instrumentation générale, interferometrie laser, ingénieirie système, simulations numériques, analyse de données, astronomie / astrophysique (écoles d’ingénieurs et universités)
Durée du stage : 4 / 6 mois
English version :
The LISA project of gravitational waves detection has been selected in spring 2017 as a ‘Large’-class mission of the European Space Agency. This mission relies on the capability to measure, using laser interferometry, the distance fluctuations between satellites 2.5 Mkm apart, with a picometer accuracy on seconds to hours timescales.
LISA is the product of an international development effort, France being part of the European collaboration providing the instrument. The feasibility studies (Phase A) of the LISA instrument is now over and the project is entering its preliminary definition design study phase (Phase B). In this context, the CNES and about fifteen French laboratories have proposed to contribute to the validation of the scientific performance of the instrument prior to flight and develop the required high-precision optical metrology benches. Two main steps of experimental validation are currently foreseen : the first with a ‘reduced’ instrument model (named IDS : Interferometric Detection System) starting in 2025 and the second with fully integrated models (named MOSA : Movable Optical Sub-Asembly) from 2029 on.
In this context, two prototypes of ultra-stable optical benches are being developed at the APC and other laboratories in the French community. The first one is based on low thermal expansion metal (Invar) and the second one based on ultra-low expansion ceramics (Zerodur). The metallic bench has been manufactured and its characterisation measurements shall be completed by Feb. 2022. The test campaign on the Zerodur bench will be performed in fall 2022.
The present internship aims at modelling and exploiting the results of the metallic bench characterisation to prepare the tests of the Zerodur bench and, later on, of the LISA instrument. A key element of this process is the completion of a performance model of the system. This model shall predict, as accurately as possible, the behaviour (in terms of instrument response and noise levels) of the experiment and compare it with the experimental results. This model is partly based on, and can also contribute to, a more general instrument performance model developed for the LISA mission (and used to validate the scientific objectives of the mission). Performance evaluation relies on different techniques such as analytical modelling, numerical simulations, data processing and interpretation.
Consequently, this internship implies in particular skills in system engineering, interferometry and general instrumentation.
For all these experimental activities and their interpretation in terms of instrumental performance, the student shall rely on the scientific and technical teams of the LISA group at the APC laboratory (including engineering support in optics, mechanics, electronics, system engineering, quality assurance, etc). This work will also be carried out in close collaboration with the other French laboratories, the CNES and the international institutes involved in the development of the LISA instrument.
This internship could be extended into a PhD thesis covering the design and tests of the ground support equipments required for the optical characterisation of the LISA instrument and the full validation strategy, from individual ground measurements to prediction of the LISA performance in orbit.
Keywords : Gravitation Waves, Laser interferometry, Performance modelling, Integration and Tests
Skills : Instrumentation, laser interferometry, system engineeing, numerical simulations, data analysis and astronomy/astrophysics (engineering schools & Universities)
Duration : 4-6 months
Le projet LISA de détection des ondes gravitationnelles a été sélectionné au printemps 2017 comme mission de classe " Large " de l'Agence spatiale européenne. Cette mission repose sur la capacité à mesurer, par interférométrie laser, les fluctuations de distance entre des satellites distants de 2,5 millions de km, avec une précision au picomètre sur des échelles de temps de quelques secondes à quelques heures.
LISA est le produit d'un effort de développement international, la France faisant partie de la collaboration européenne fournissant l'instrument. Les études de faisabilité (phase A) de l'instrument LISA sont maintenant terminées et le projet entre dans sa phase d'étude de définition préliminaire (phase B). Dans ce contexte, le CNES et une quinzaine de laboratoires français ont proposé de contribuer à la validation des performances scientifiques de l'instrument avant le vol et de développer les bancs de métrologie optique de haute précision nécessaires. Deux étapes principales de validation expérimentale sont actuellement prévues : la première avec un modèle d'instrument 'réduit' (appelé IDS : Interferometric Detection System) à partir de 2025 et la seconde avec des modèles entièrement intégrés (appelés MOSA : Movable Optical Sub-Asembly) à partir de 2029.
Dans ce contexte, deux prototypes de bancs optiques ultra-stables sont en cours de développement à l'APC et dans d'autres laboratoires de la communauté française. Le premier est à base de métal à faible expansion thermique (Invar) et le second à base de céramique à ultra faible expansion (Zerodur). Le banc métallique a été fabriqué et ses mesures de caractérisation seront achevées d'ici février 2022. La campagne d'essais sur le banc Zerodur sera réalisée à l'automne 2022.
Le présent stage vise à modéliser et exploiter les résultats de la caractérisation du banc métallique pour préparer les tests du banc Zerodur et, ultérieurement, de l'instrument LISA. Un élément clé de ce processus est la réalisation d'un modèle de performance du système. Ce modèle doit prédire, aussi précisément que possible, le comportement (en termes de réponse de l'instrument et de niveaux de bruit) de l'expérience et le comparer aux résultats expérimentaux. Ce modèle est partiellement basé sur, et peut également contribuer à, un modèle plus général de performance de l’instrument développé pour la mission LISA (et utilisé pour garatir les objectifs scientifiques de la mission). L'évaluation des performances repose sur différentes techniques telles que la modélisation analytique, les simulations numériques, le traitement et l'interprétation des données.
Par conséquent, ce stage implique notamment des compétences en ingénierie système, interférométrie et instrumentation générale.
Pour toutes ces activités expérimentales et leur interprétation en termes de performances instrumentales, l'étudiant s'appuiera sur les équipes scientifiques et techniques du groupe LISA au laboratoire APC (y compris le support d'ingénierie en optique, mécanique, électronique, ingénierie système, assurance qualité, etc). Ce travail sera également réalisé en étroite collaboration avec les autres laboratoires français, le CNES et les instituts internationaux impliqués dans le développement de l'instrument LISA.
Ce stage pourra être prolongé en thèse de doctorat couvrant la conception et les tests des équipements nécessaires à la caractérisation optique au sol de l'instrument LISA et la stratégie complète de validation, depuis les mesures individuelles au sol jusqu'à la prédiction des performances de LISA en orbite.
Mots clés : Ondes Gravitationnelles, Interferometrie Laser, Modelisation des performances, Integration et Tests
Compétences : Instrumentation générale, interferometrie laser, ingénieirie système, simulations numériques, analyse de données, astronomie / astrophysique (écoles d’ingénieurs et universités)
Durée du stage : 4 / 6 mois
English version :
The LISA project of gravitational waves detection has been selected in spring 2017 as a ‘Large’-class mission of the European Space Agency. This mission relies on the capability to measure, using laser interferometry, the distance fluctuations between satellites 2.5 Mkm apart, with a picometer accuracy on seconds to hours timescales.
LISA is the product of an international development effort, France being part of the European collaboration providing the instrument. The feasibility studies (Phase A) of the LISA instrument is now over and the project is entering its preliminary definition design study phase (Phase B). In this context, the CNES and about fifteen French laboratories have proposed to contribute to the validation of the scientific performance of the instrument prior to flight and develop the required high-precision optical metrology benches. Two main steps of experimental validation are currently foreseen : the first with a ‘reduced’ instrument model (named IDS : Interferometric Detection System) starting in 2025 and the second with fully integrated models (named MOSA : Movable Optical Sub-Asembly) from 2029 on.
In this context, two prototypes of ultra-stable optical benches are being developed at the APC and other laboratories in the French community. The first one is based on low thermal expansion metal (Invar) and the second one based on ultra-low expansion ceramics (Zerodur). The metallic bench has been manufactured and its characterisation measurements shall be completed by Feb. 2022. The test campaign on the Zerodur bench will be performed in fall 2022.
The present internship aims at modelling and exploiting the results of the metallic bench characterisation to prepare the tests of the Zerodur bench and, later on, of the LISA instrument. A key element of this process is the completion of a performance model of the system. This model shall predict, as accurately as possible, the behaviour (in terms of instrument response and noise levels) of the experiment and compare it with the experimental results. This model is partly based on, and can also contribute to, a more general instrument performance model developed for the LISA mission (and used to validate the scientific objectives of the mission). Performance evaluation relies on different techniques such as analytical modelling, numerical simulations, data processing and interpretation.
Consequently, this internship implies in particular skills in system engineering, interferometry and general instrumentation.
For all these experimental activities and their interpretation in terms of instrumental performance, the student shall rely on the scientific and technical teams of the LISA group at the APC laboratory (including engineering support in optics, mechanics, electronics, system engineering, quality assurance, etc). This work will also be carried out in close collaboration with the other French laboratories, the CNES and the international institutes involved in the development of the LISA instrument.
This internship could be extended into a PhD thesis covering the design and tests of the ground support equipments required for the optical characterisation of the LISA instrument and the full validation strategy, from individual ground measurements to prediction of the LISA performance in orbit.
Keywords : Gravitation Waves, Laser interferometry, Performance modelling, Integration and Tests
Skills : Instrumentation, laser interferometry, system engineeing, numerical simulations, data analysis and astronomy/astrophysics (engineering schools & Universities)
Duration : 4-6 months
Responsable:
Hubert Halloin
Services/Groupes:
Année:
2022
Formations:
Stage
Niveau demandé:
M2