Vers des réalisations quantiques du Pascal

Le projet européen QuantumPascal vise à développer des étalons de pression qui pourraient devenir des étalons primaires. Ces nouvelles réalisations du pascal seraient basées sur le quantum et directement traçables au système SI.

Des mesures exactes et rapides de la pression de gaz sont nécessaires pour assurer le contrôle et la sécurité dans une variété de processus industriels critiques. Par ailleurs, les fabricants de capteurs de pression ont besoin d’un étalonnage fiable, rapide et automatisé, pour une large plage de pressions, qui dépend de l'application. Les méthodes conventionnelles de réalisation du pascal sont basées sur la force par surface avec des incertitudes relatives de quelques parties par 10⁶ à 100 kPa et de quelques parties par 10⁴ à 1 Pa et sont restées pratiquement inchangées au cours des dernières décennies.

De nos jours, les manomètres à piston remplacent les manomètres au mercure en raison de leur précision et de l'absence de risques environnementaux. Cependant, lors d'un étalonnage avec un manomètre à piston, la manipulation des poids sur la jauge à piston entraîne lenteur, encombrement, fragilité et complexité. Pour les mesures de pression inférieures à 3 kPa, d'autres méthodes impliquant une expansion statique ou continue des gaz doivent être utilisées, ce qui augmente considérablement l'effort requis pour le fonctionnement.

Le Comité consultatif des masses et quantités associées (CCM) et les comités techniques d’EURAMET pour les masses et quantités associées (TC-M) ont identifié l’importance de surmonter ces limitations. Par ailleurs, des publications récentes ont proposé des méthodes basées sur le quantum optique pour des capteurs sans étalonnage. Deux instituts nationaux de métrologie, le NIST (États-Unis) et le NIM (Chine), ont récemment investi des ressources considérables dans la mise au point d'étalons de pression basés sur des valeurs quantiques utilisant des cavités de Fabry-Pérot (FP). Des travaux de recherche et développement plus poussés sont toutefois nécessaires pour traiter les effets limitants tels que le dégazage, la déformation de la cavité, la perméation des gaz ainsi que les instabilités thermiques et temporelles.

En raison du très large éventail de pressions à traiter, le recours à une seule technique n’est pas envisageable. Le potentiel de plusieurs techniques basées sur la méthode quantique à assumer le rôle d’étalons de pression doit donc être testé. Parmi ces techniques : les résonateurs hyperfréquences supraconducteurs, la diffusion de Rayleigh, l’interférométrie multi-réflexion, les méthodes de thermométrie en phase gazeuse et spectroscopie d'absorption.

De plus, la connaissance précise des propriétés thermodynamiques et électromagnétiques du gaz utilisé est une condition préalable à la mise au point d’étalons de pression primaires quantiques, mais les informations actuellement disponibles sont souvent limitées ou insuffisamment précises.

En 2016, le LCM a travaillé sur un projet sur la réfractométrie de l’air, financé par la Métrologie Française. Au terme de ces 3 ans de projet, la faisabilité d’un capteur/étalon de pression basée sur une mesure optique a été démontrée. Quelques améliorations ont été apportées sur le montage original (régulation de température et de pression, amélioration de la robustesse des lasers, automatisation de certaines tâches…) puis le système a été caractérisé pour obtenir une première idée de ses performances et des modifications à apporter pour atteindre les performances nécessaires pour un étalon de pression compétitif. Il a pu être déterminé que trois composantes d’incertitude sont limitantes : le vieillissement de la cavité, sa déformation mécanique mais aussi la mesure de la température dans le cas de l’utilisation en mode « absolu ».

Par ailleurs, l'expérience acquise par le LCM sur les cavités micro-ondes lors de la détermination de la constante de Boltzmann en vue de la refonte du système SI de 2019 a permis d'établir un modèle mathématique du résonateur micro-onde et de mettre en place un procédé d'usinage et d'assemblage rendant négligeable les instabilités d'origine mécanique.

Depuis 2019, le projet QuantumPascal vise à améliorer l’exactitude et élargir la plage de travail des méthodes quantiques à base de réfractométrie Fabry-Perot susceptibles de devenir des étalons primaires de l’unité de pression SI, le pascal. Il est également visé d’améliorer l’exactitude et d’évaluer le potentiel d’approches quantiques et de méthodes de détection novatrices (micro-ondes, non Fabry-Pérot) pour la réalisation d’étalons de pression absolue et partielle.

Il faudra développer des calculs ab initio améliorés des propriétés thermodynamiques et électromagnétiques de He, Ne et Ar et des propriétés électromagnétiques pour le CO et le CO_2, et démontrer la performance des méthodes (réfractomètres FP, diffusion de Rayleigh, interférométrie multi-réflexion, thermométrie en phase gazeuse, cavité à hyperfréquence supraconductrice) par rapport aux étalons de pression absolue primaires classiques tels que les balances de pression.

Le LCM apporte son expertise dans le domaine de la pression, de la température et de la longueur. En effet, des problématiques liées à la génération, au contrôle des pressions et au raccordement des instruments de mesure de pression sont abordées. Les équipes de température doivent explorer la faisabilité d’utiliser les variations d’indice du gaz hélium à 5,4 K pour mesurer de manière absolue des pressions dans la gamme 200 Pa 20 kPa. Les mesures d’indice sont effectuées à l’aide d’une cavité quasi sphérique supraconductrice qui a été développée pour ce projet. En ce qui concerne l’équipe dimensionnelle, un nouveau refractomètre optique de type Fabry-Perot a été réalisé (plus compact, régulation de la température au mK…) afin de devenir une nouvelle méthode d’étalonnage primaire dans la gamme de pressions comprises entre 1 Pa et 100 kPa. Ce dernier est en cours de caractérisation.

Communautés industrielles : avantage économique majeur grâce à des approches novatrices pour réaliser des étalonnages automatisés entre 1 Pa et 3 MPa.

Métrologie et communautés scientifiques : amélioration des mesures et des normes de pression et de densité en explorant une nouvelle voie de traçabilité quantique du pascal

Normes : une fois les nouvelles normes de mesure établies, les normes documentaires existantes sur les vacuomètres devront être adaptées pour prendre en compte les méthodes quantiques

Economiques, sociaux et environnementaux à long terme : réponse à une demande croissante de l'industrie pour des services d'étalonnage de pression et de vide de haute précision en Europe, tout en réduisant le temps requis pour les procédures d'étalonnage.

Publications

P. Gambette, « Vers un étalon quantique pour des mesures absolues de pression », Thèse de doctorat du Conservatoire national des arts et métiers, Soutenu le 15 décembre 2021.

J. Zakrisson, I. Silander, C. Forssén, Z. Silvestri, D. Mari, S. Pasqualin, A. Kussicke, P. Asbahr, T. Rubin et O. Axner, « Simulation of pressure-induced cavity deformation – the 18SIB04 Quantumpascal EMPIR project », Acta IMEKO, , Vol 9, No 5 (2020), http://dx.doi.org/10.21014/acta_imeko.v9i5.985

Z. Silvestri, D. Bentouati, P. Otal et J.-P. Wallerand, « Towards an improved helium-based refractometer for pressure measurements », Acta IMEKO, Vol 9, No 5 (2020), http://dx.doi.org/10.21014/acta_imeko.v9i5.989

Communications

P. Gambette, R. M. Gavioso, D. Madonna Ripa, M. D. Plimmer et L. Pitre, « Vers un étalon quantique pour des mesures de pression absolue de 200 Pa à 20 kPa basé sur une cavité hyperfréquence supraconductrice », C2i 2019 : 8ème Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation, Talence, Janvier 2019. Présentation orale.

P. Gambette, R. M. Gavioso, D. Madonna Ripa, M. D. Plimmer et L. Pitre, « Vers un nouvel étalon de pression dans la gamme 200Pa -20kPa utilisant une cavité micro-onde », Congrès international de métrologie CIM 2019, Paris, Septembre 2019. Présentation orale.

Z. Silvestri, F. Boineau, P. Otal, J-P. Wallerand, « Helium-based refractometry for pressure measurements in the range 1–100 kPa », 2018 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), 8-13 juillet 2018, Paris, France (Poster). https://doi.org/10.1109/CPEM.2018.8501259.

PTB (Allemagne)

CEM (Espagne)

IMT (Slovenia)

INRiM (Italie)

RISE (Suède)

FBK (Italie)

UCL (Royaume-Uni)

UmU (Suède)

UW (Pologne)

WIKA (Allemagne)

Fondazione Bruno Kessler (Italie)

Umeå Universitet (Suède)

Uniwersytet Warszawski (Pologne)

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG (Allemagne)