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L’impact acoustique des activités humaines courantes, tel que le transport, routier commence à être examiné sérieusement dans la gamme de fréquence des infrasons. Sur le plan physiologique, en dessous de 20 Hz, la sensibilité de l’oreille humaine décroît très rapidement à mesure que la fréquence diminue. Pour autant, il est avéré que l’oreille humaine est capable de percevoir les sons dès quelques Hz, si tant est que leur intensité soit suffisamment élevée. Bien qu’il n’y ait pas encore de preuves tangibles d’effets physiologiques ou psychologiques des infrasons, plusieurs troubles comme la fatigue, des symptômes dépressifs ou anxieux, de l’irritabilité, des maux de tête, des troubles de la vigilance ou de l’équilibre et des nausées ont été décrits. Certaines de ces réactions pourraient être dues à la mise en vibration de l’oreille interne mais aussi de certains organes digestifs, cardio-vasculaires, respiratoires ou bien des globes oculaires.

Le besoin métrologique dans ce domaine commence à être considéré sérieusement par les instances nationales et internationales. La mise en place d'un groupe de travail au sein du S30J de l'Afnor en 2009 ainsi que l'organisation d'une comparaison clé sur ce domaine par le BIPM (CCAUV-A-K2 publié en 2009) confirment l’importance croissante des infrasons. Néanmoins, malgré ces études des avancés aussi bien technique que théorique sont encore nécessaires pour arriver à une fiabilité des mesures acoustiques dans le domaine des infrasons.

Le LNE a entrepris la réalisation d’un pistonphone laser. Ce type d’instrument permet, en mesurant le mouvement d’un piston dans une cavité au moyen d’un laser, de déterminer la pression en connaissant simplement l’impédance acoustique de cette cavité. L’intérêt sera d’obtenir des niveaux plus élevés que par la méthode de la réciprocité et par conséquent un meilleur rapport signal/bruit. Le système sera basé sur le principe développé par le département métrologie des pressions statiques du LNE pour la réalisation du fluxmètre gazeux de référence.

• Meilleure fiabilité des mesures acoustiques dans le domaine des infrasons
• Ce projet permettra en particulier d’apporter la traçabilité nécessaire au raccordement des microbaromètres de la série MB2000 développés par le CEA et reconnus par la communauté scientifique pour leur robustesse et leur fiabilité

• CEA DAM,
• Université du Maine

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Une balance de Kibble a été réalisée au LNE jusqu’en 2012 au cours d’un précédent projet. A cette date un nouveau projet a été initié avec pour objectif de déterminer la valeur numérique de la constante de Planck.

La balance de Kibble de la métrologie française est située à l'intérieur d'une salle blanche de classe 1 000 avec une température et une humidité contrôlées (20 °C ± 0,1 °C et 50 % ± 5 %). Elle est positionnée au centre d'un bloc de béton isolé de la fondation du bâtiment. L'expérience est logée dans une enceinte cylindrique en aluminium de 1,3 m de diamètre et de 2 m de haut.

Les principaux éléments mécaniques constituant la balance du laboratoire sont les suivants :

• Un étage de translation actionné par un moteur pas à pas. Pendant la phase dynamique, le comparateur de force est déplacé afin d'éviter d'utiliser son balancier comme élément générant le mouvement.
• Un fléau à trois pivots flexibles avec deux bras symétriques de 100 mm de longueur.
• Une masse de tare à l’extrémité d’un des bras et à l’autre extrémité du second bras un système de cardan recevant une bobine électrique et la masse à mesurer sur un même axe vertical.
• Un circuit magnétique à symétrie axiale composé de soixante aimants permanents samarium cobalt Sm₂Co₁₇ générant un champ d'induction magnétique conçu pour recevoir une bobine électrique.
• Un échangeur de masse pour amener la masse étalon sur le plateau de pesée pendant la phase statique et pour la soulever si nécessaire. De cette manière, la masse est retirée pendant la phase dynamique.

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Un laboratoire de gravimétrie a été développé dans une salle mitoyenne à la balance de Kibble. La valeur absolue de l’accélération de la pesanteur g est tout d’abord mesurée en un point particulier de ce laboratoire. La mesure repose sur une expérience d’interférométrie atomique utilisant des atomes froids de rubidium-87. Le gravimètre ainsi développé a été comparé régulièrement avec d’autres gravimètres absolus, en particulier dans des comparaisons internationales. La valeur absolue de g est déterminée par ce gravimètre avec une incertitude type relative de 4,3 × 10^–9. Ensuite cette valeur est transférée au centre de la masse à mesurer au moyen d’une cartographie des laboratoires et en tenant compte de différentes corrections, notamment celles liées à la balance.

Le laboratoire a fait plusieurs déterminations de la valeur numérique de la constante de Planck. La première date de 2012. L’incertitude type relative était de 2×10^–5. L’objectif était de démontrer la possibilité, pour le dispositif expérimental, de décrire les enchaînements nécessaires à la réalisation des phases statiques et dynamiques. La deuxième détermination a été réalisée en 2014. L’incertitude type relative était de 3,1×10^–7. Les mesures avaient été réalisées dans l’air avec une masse de 500 g en Alacrite XSH. La troisième détermination a été réalisée en 2016. L’incertitude type relative était de 1,4×10^–7. Les mesures avaient été réalisées dans l’air avec une masse en platine iridié de 500 g et dans le cadre d’une étude pilote du CCM. La quatrième détermination a été effectuée en 2017. L’incertitude type relative était de 5,7×10^–8. Les mesures ont été réalisées dans l’air avec une masse en iridium de 500 g. A ce stade les composantes principales de l’incertitude sont le bruit de l’expérience et l’incertitude sur la mesure de la vitesse de la bobine (qui est dû au fonctionnement de la balance dans l’air).

Récapitulatif des déterminations publiées de la valeur numérique de h par la métrologie française :

• SI
• Mise en pratique de la définition du kilogramme

THOMAS M., ZIANE D., PINOT P., KARCHER R., IMANALIEV A., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S., PIQUEMAL F. et  P. ESPEL, « A determination of the Planck constant using the LNE Kibble balance in air”, Metrologia, 54, 2017, 468–480.

THOMAS M., ESPEL P., ZIANE D., PIQUEMAL F., PINOT P., JUNCAR P., SILVESTRI Z., PLIMMER M., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S., BEAUDOUX F., OTAL P., BENTOUATI D., BRUNET F., JEANJACQUOT P., LEFEBVRE M., MADEC T., MAHE E, BARATAULT E., CHALAIN P., « Le rôle de la métrologie française dans la dissémination du kilogramme après sa redefinition », Revue Française de métrologie,  43-3, 2016, 49-57 DOI: 10.1051/rfm/2016015

CHENG B., GILLOT P., MERLET S. et PEREIRA DOS SANTOS F., “Coherent population trapping in a Raman atom gravimeter”, Phys. Review. A 93, 2016, 063621.

PINOT P., BEAUDOUX F., BENTOUATI D., ESPEL P., MADEC T., THOMAS M., SILVESTRI Z., ZIANE D. et PIQUEMAL F., “Present and future mass standards for the LNE watt balance and the future dissemination of the mass unit in France”, Metrologia, 53 , 2016, 1139–1153.

PINOT P., ESPEL P., LIU Y., THOMAS M., ZIANE D., PALACIOS-RESTREPO M.-A., ET PIQUEMAL F., “Static phase improvements in the LNE watt balance”, Review of Scientific Instruments, 87, 2016 , 105113, DOI: 10.1063/1.4964293

THOMAS M., ESPEL P., ZIANE D., PINOT P., JUNCAR P., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S., PIQUEMAL F. et GENEVÈS G., “First determination of the Planck constant using the LNE watt balance”, Metrologia, 52, 2015, 433-443, DOI: 10.1088/0026-1394/52/2/433.

GILLOT P., CHENG B., MERLET S. et PEREIRA DOS SANTOS F., “Limits to the symmetry of a Mach Zehnder type atom interferometer”, Phys. Review. A 93, 2016, 013609.

CHENG B., GILLOT P., MERLET S. et PEREIRA DOS SANTOS F., “Influence of chirping the Raman lasers in an atom gravimeter: Phase shifts due to Raman light shift and to the finite speed of light”, Physical Review A, 92, 2015, DOI: 10.1103/PhysRevA.92.063617.

THOMAS M., ESPEL P., BRIAND Y., GENEVÈS G., BIELSA F., PINOT P., JUNCAR P. et PIQUEMAL F., “Minimization of the coil movement of the LNE watt balance during weighing mode and estimation of parasitic forces and torques involved”, Metrologia, 51, 2014, S54, DOI: 10.1088/0026-1394/51/2/S54.

PINOT P. et GENEVÈS G., “Characterization of flexure hinges for the French watt balance experiment”, EPJ Web of Conferences, 77, 2014, 5, DOI: 10.1051/epjconf/20147700005.

MERLET S., VOLODIMER L., LOURS M., PEREIRA DOS SANTOS F., “A simple laser system for atom interferometry”, Appl. Phys. B, 117, 2014, 749-754.

JIANG Z., PALINKAS V., FRANCIS O., MERLET S. et al., “Accurate gravimetry at the BIPM Watt balance site”, Earth on the Edge: Science for a Sustainable Planet, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 139, 2014, 371-376.

GILLOT P., FRANCIS O., LANDRAGIN A., PEREIRA DOS SANTOS F. et MERLET S., “Stability comparison of two absolute gravi-meters: optical versus atomic interferometers”, Metrologia 51, 5, 2014, L15-L17, DOI: 10.1088/0026-1394/51/5/L15

FARAH T., GILLOT P., CHENG B., LANDRAGIN A., MERLET S. et PEREIRA DOS SANTOS F., “Effective velocity distribution in an atom gravimeter: Effect of the convolution with the response of the detection”, Phys. Rev. A, 90, 2014, DOI: 10.1103/PhysRevA.90.023606.

LAUTIER J., VOLODIMER L., HARDIN T., MERLET S., LOURS M., PEREIRA DOS SANTOS F.et LANDRAGIN A., "Hybridizing matter-wave and classical accelerometers", Appl. Phys. Lett, 105, 2014, 144102

FARAH T., GUERLIN C., LANDRAGIN A., BOUYER PH., GAFFET S., PEREIRA DOS SANTOS F. et MERLET S., “Underground operation at best sensitivity of the mobile LNE-SYRTE Cold Atom Gravimeter”, Gyroscopy and Navigation 5, 2014, 266-274, DOI: 10.1134/S2075108714040051.

MERLET S., GILLOT P., FARAH T., BODART Q., LE GOUËT J., CHEINET P., GUERLIN C., LOUCHET-CHAUVET A, MALOSSI. N., KOPAEV A., FRANCIS O., D'AGOSTINO G., DIAMENT M., GENEVES G., CLAIRON A., LANDRAGIN A. et PEREIRA DOS SANTOS F., « Détermination de l'accélération de la pesanteur pour la balance du watt du LNE », Revue française de métrologie, 36, 4, 2014, 11-27, DOI: 10.1051/rfm/2014013.

JIANG Z., PALINKAS V., FRANCIS O., BAUMANN H., MAKINEN J., VITUSHKIN L., MERLET S., TISSERAND L., JOUSSET P., ROTHLEITNER C., BECKER M., ROBERTSON L. et ARIAS E.F., “On the gravimetric contribution to the redefinition of the kilogram”, Metrologia, 50, 2013, 452-471, DOI: 10.1088/0026-1394/50/5/452.

FRANCIS O. et al., « The European comparison of absolute gravimeters 2011 (ECAG-2011) in Walferdange, Luxembourg: results and recommandations », Metrologia, 50, 3, 2013, 257-268, DOI: 10.1088/0026-1394/50/3/257.

OUEDRAOGOA K., TOPSU S., GAYHMOUNI J., CHASSAGNE L., ALAYLI Y., JUNCAR P., GOURNAY P., BIELSA F. et GENEVÈS G., “Accurate ellipsometric magnetic-field sensor used to align the watt balance magnetic circuit of the French National Metrology Institute”, Sensors and Actuators, A, 175, 2012, 9-14.

PINOT P., GENEVÈS G.; “ Preliminary investigations of the damping effect of bubble levels used in dynamic conditions; Eur. Phys. J. Appl. Phys; 60, 1; 9, Oct 2012

JIANG Z., PALINKAS V., FRANCIS O., JOUSSET P., MAKINEN J., MERLET S., BECKER M., COULOMB A., KESSLER-SCHULZ K.U., SCHULZ H. R., ROTHLEITNER CH., TISSERAND L., LEQUIN D., « Relative Gravity Measurement Campaign during the 8th International Comparison of Absolute Gravimeters », Metrologia, 49, 2012, 95-107.

JIANG Z., PALINKAS V., ARIAS F. E. , LIARD J., MERLET S., WILMES H., VITUSHKIN L., ROBERTSON L., TISSERAND L., PEREIRA DOS SANTOS F., BODART Q., FALK R., BAUMANN H., MIZUSHIMA S., MAKINEN J., BILKER-KOIVULA M., LEE C., CHOI I M, B. KARABOCE B., JI W., WU Q., RUESS D., ULLRICH C., KOSTELECK_Y J., SCHMERGE D., ECKL M., TIMMEN L., LE MOIGNE N., BAYER R., OLSZAK T., AGREN J., DEL NEGRO C., GRECO F., M. DIAMENT M., DEROUSSI S., BONVALOT S., KRYNSKI J., SEKOWSKI M., HU H., WANG L. J., SVITLOV S., GERMAK A., FRANCIS O., BECKER M., INGLIS D. et ROBINSON I., « the 8th  international comparison of absolute Gravimeters 2009 : the first Key Comparison (CCM.G-K1) in the field of absolute gravimetry », Metrologia, 49, 2012, 666-684.

Gravimétrie au SYRTE : https://syrte.obspm.fr/spip/science/iaci/projets/gravimetre/article/gravimetrie

Avant la redéfinition de l’unité de masse de 2018, le Prototype International du Kilogramme était conservé et utilisé dans l’air. Les travaux de recherche pour parvenir à cette redéfinition de l’unité de masse se faisaient au moyen d’expériences de balance du watt et d’Avogadro qui conduisaient à faire des mesures sous vide. Ainsi il était clair que la matérialisation du kilogramme redéfini se ferait sous vide et nécessiterait donc le transfert des étalons « primaires » du kilogramme du vide à l'air afin d'assurer la traçabilité pour les utilisateurs finaux. Cela allait ajouter des sources d'erreur supplémentaires qu’il fallait maitriser, telles que la sorption de contaminants de surface et de couches d'eau, à des procédures de mesure déjà complexes. Le projet EMRP « Développement d'un moyen pratique de diffusion du kilogramme redéfini (NewKILO) » a permis de mettre au point de nouveaux étalons de masse, de nouvelles méthodes pour les nettoyer et les surveiller, ainsi que des procédures et des équipements pour transférer les étalons de masse entre le vide et l'air. Plus généralement l’objectif était que les résultats de ce projet contribuent à garantir que la redéfinition apporte des avantages à la communauté des utilisateurs finaux.

Le laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam (LCM) a été impliqué dans tous les lots de tâche de ce projet. Les résultats qui suivent ne concernent que les résultats du projet auxquels le laboratoire a contribué.

Concernant le développement et l’évaluation des artefacts, afin d’assurer une traçabilité vers les expériences de la balance du watt et d’Avogadro, les partenaires du projet ont défini les caractéristiques suivantes pour le matériau :

- une faible susceptibilité magnétique (< 2×10^-4) pour une utilisation dans la balance du watt ;

- une dureté HV > 200 pour faciliter l’usinage et le polissage ;

- une résistance chimique à la corrosion et à l’oxydation ;

- un matériau homogène sans porosité, cavité et gaz occlus afin d’assurer une stabilité à long-terme.

En fonction de ces propriétés, différents matériaux ont été sélectionnés et comparés.

Parmi les nombreuses études entreprises pour caractériser ces matériaux, le LCM a évalué la rugosité de surface après polissage miroir avec un rugosimètre optique : aucun lien direct n'a été relevé avec la stabilité de la masse, mais elle affecte de manière certaine les effets de sorption.

S’agissant du développement des procédures et les appareils appropriés pour le transfert de masse entre les expériences sous vide et les expériences à l'air libre, le LCM a participé à des mesures de coefficient de sorption en fonction de la pression. Il a plus particulièrement travaillé sur du platine-iridié. Les travaux ont montré qu’il n’y avait pas de variation de masse entre 0,1 Pa et 0,001 Pa.

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Afin de valider et évaluer la reproductibilité de la méthode de transfert air/vide des étalons de masse, une comparaison de mesure gravimétrique d’étalons de masse soumis à des passages air/vide/air a été entreprise. Cette comparaison s’est faite sur deux groupes de trois masses. Dans le premier groupe, deux masses sont conservées à l’air l’une devant être nettoyé avant pesée tandis que la troisième est conservée sous atmosphère d’azote. Dans le 2^nd groupe, les trois masses sont conservées sous air. Le LCM a participé aux mesures liées à ce groupe. Les coefficients de sorption calculés par les différents laboratoires nationaux diffèrent jusqu’à un ordre de grandeur. Ces différences sont expliquées par l’utilisation par chaque laboratoire de leurs propres artefacts de sorption qui peuvent différer notamment dans leur finition (polissage).

La LCM a participé à une des études concernant le transfert des masses entre le vide et/ou l’air et l’azote. Trois différents cycles ont été appliqués sur Pt-Ir puis analysé par TDS (spectrométrie de masse de thermo désorption au LCM afin de déterminer leurs avantages et inconvénients.

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Pour les études de stabilité de masse en particulier lors du stockage, du nettoyage et du transport des masses, le LCM a mis en place en 2014 un dispositif de nettoyage plasma, intégré dans le sas d’introduction du dispositif TDS. Une étude de l’effet de différents nettoyages a été menée. L’application d’un nettoyage plasma à l’air sur des artefacts en Pt-Ir préalablement nettoyés à l’éthanol ou à l’isopropanol a montré l’efficacité de cette méthode notamment sur les composés carbonés et hydrocarbonés. Par une étude gravimétrique, une variation de masse des artéfacts en Pt-Ir en fonction du processus de nettoyage opéré (nettoyage-lavage BIPM ou air plasma) a été observée. Une série de comparaisons réalisées avant et après les deux nettoyages a été effectuée. Après chacun des nettoyages, on observe une rapide augmentation de la masse qui se stabilise au bout de quelques heures.

Une comparaison d’adsorption d’acétone et d’éthanol sur des surfaces de PtIr, d’iridium et d’alliage AuPtAgCu a été effectuée. L’adsorption à la fois de l’acétone et de l’éthanol est plus faible sur l’iridium pur que sur le PtIr. En ce qui concerne l’alliage quaternaire AuPtAgCu, l’adsorption très élevée d’acétone suggère une grande porosité de la surface, ce qui le rend impropre à l’emploi en tant qu’étalon de masse.

Un autre aspect des travaux a concerné le stockage à moyen terme et le transfert des étalons entre laboratoires possédant une réalisation primaire fonctionnant sous vide. Afin d’évaluer le stockage et le protocole de transfert, le LCM a participé aux mesures sur un ensemble de masses. Il n’y a pas d’avantage significatif à conserver les masses sous gaz neutre voir il est plus avantageux en terme de stabilité de masse de converser les masses à l’air. La méthode actuelle de conservation des masses sous air est donc recommandée.

PLIMMER M.D., DU COLOMBIER D., IRAQI HOUSSAINI N., SILVESTRI Z., PINOT P. et HANNACHI R., “Apparatus to measure adsorption of condensable solvents on technical surfaces by photothermal deflection”, Review of Scientific Instruments, 2012, 83, 11, DOI: 10.1063/1.4767245.

SILVESTRI Z., AZOUIGUI S., BOUHTIYYA S., MACÉ S., PLIMMER M.D., PINOT P., TAYEB-CHANDOUL F. et HANNACHI R., “Thermal desorption mass spectrometer for mass metrology”, Review of Scientific Instruments, 2014, 85, 4, DOI: 10.1063/1.4870921.

DAVIDSON S., BERRY J., SILVESTRI Z., HOGSTROM R. et GREEN R., “Addressing the requirements for the practical implementation and ongoing maintenance of the redefined kilogram”, 22nd IMEKO TC3 International Conference on Measurement of Force, Mass and Torque 2014, Held Together with TC5 and TC22, Le Cap, Afrique du Sud, 3-5 février 2014.

SILVESTRI Z., BOUHTIYYA S., PINOT P. et DAVIDSON S., “How to disseminate the mass unit for the new kilogram?”, International Congress of Metrology, Paris, France, Poster, 21-24 septembre 2015, DOI: 10.1051/metrology/20150018003.

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