De nouveaux matériaux piézoélectriques et électrocaloriques ont été formulés récemment et peuvent être utilisés à haute température (jusqu'à 800 °C).

Objectifs

Développer les moyens métrologiques pour étudier les couplages entre les phénomènes thermiques, mécaniques et électriques dans les matériaux piézoélectriques et électrocaloriques, à haute température et sous champ électrique élevé

Résumé et premiers résultats

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Vue du diffusivimètre du LCM
Vue du diffusivimètre

Les matériaux piézoélectriques pourraient être utilisés pour fabriquer des capteurs statiques ou des actionneurs fonctionnant à haute température (jusqu'à 800 °C). Les matériaux à effet électrocalorique élevé pourraient être utilisés pour constituer des modules statiques (sans élément mobile) permettant un transfert de chaleur, du chaud vers le froid ou du froid vers le chaud, avec une efficacité énergétique élevée.

Le LNE a réalisé les adaptations techniques de ses installations  de mesure de la diffusivité thermique, de la capacité thermique massique et de la conductivité thermique des couches minces pour être en capacité de réaliser des mesures sur des éprouvettes soumises à des champs électriques. Des mesures de propriétés radiatives ont été réalisées sur un matériau piézoélectrique (BiFeO3-PbTiO3)  de la température ambiante jusqu’à 500 °C pour le domaine spectral visible et proche infrarouge.

Ce matériau présente de fortes variations de l’émissivité spectrale en fonction de la température dans le domaine proche infrarouge. Ces résultats seront utilisé par un des partenaires du projet pour mesurer par interférométrie les variations dimensionnelles des matériaux piézoélectriques. 

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Mesures de propriétés radiatives sur un matériau piézoélectrique de la température ambiante jusqu'à 500 °C
Mesures de propriétés radiatives sur un matériau piézoélectrique en fonction de la température

Des mesures de la capacité thermique d’un matériau électrocalorique multicouche en fonction de la température et du champ électrique ont été effectuées. Des essais de mesure par calorimétrie de la variation d’énergie d’un matériau électrocalorique multicouche due à l’application ou au retrait du champ électrique ont été réalisés. Le laboratoire a commencé à travailler sur la définition de facteurs d’efficacité (figure of merit) des matériaux électrocaloriques pour des applications de refroidissement ou de chauffage.


Un guide de bonne pratique pour les mesures des propriétés radiatives des matériaux pyroélectriques et électrocaloriques a été rédigé.

 

Site du projet :

http://projects.npl.co.uk/METCO/

Impacts scientifiques et industriels

Soutien au développement de nouveaux produits et techniques utilisant les matériaux fonctionnels.

Publications et communications

HAMEURY J., STEVENSON T., SHPAK M., WOOLLIAMS P., WEAVER P., CORREIA T., KLAPETEK P., SCHMITZ - KEMPEN T. et HAY B., “Measurement of spectral radiative properties of piezoelectric materials”, 20th European Conference on Thermophysical Properties (ECTP), Porto, Portugal, 31 août - 4 septembre 2014.

Partenaires

  • NPL (UK),
  • CMI (CZ),
  • MIKES (FI),
  • PTB (DE),
  • LNE (FR), 
  • Univ. Leeds (UK),
  • aixACT (DE)

En Europe, les besoins de raccordement métrologique en force ne sont pas couverts au-delà de 15 MN. Cela correspond à des applications industrielles dans de nombreux domaines (mécanique, construction, énergie). Les besoins sont estimés jusqu’à 50 MN.

Objectifs

Elargir la gamme des mesures de force au dessus de 15 meganewton

Consolider les incertitudes des mesures de forces avec les bancs à pyramides de forces

Améliorer la maitrise de l’étalonnage des capteurs multi-composantes

Résumé et premiers résultats

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Référence à pyramide de capteurs de force du LNE
Référence à pyramide de capteurs

En France, le LNE-LCM a développé des systèmes associant en parallèle des capteurs de force appelés « pyramides de force » utilisés pour l’étalonnage des capteurs de force entre 500 kN et 9 MN. Les travaux de ce JRP portent sur l’étude des systèmes actuels et sur la qualification de nouveaux étalons de transfert en force. Les pyramides de référence, solutions mises en œuvre au laboratoire, sont particulièrement étudiées dans ce projet. Les résultats de ce projet seront disséminés notamment via des documents publiés aux niveaux nationaux, européens et internationaux utilisables par tous.

Au LNE, la technique des pyramides de force n’est appliquée qu’en charge croissante, donc sans possibilité de détermination de l’hystérésis des capteurs à étalonner. Pour le LNE, ce projet est l’occasion de modéliser les phénomènes d’hystérésis, de fluage et de relaxation dans le but de quantifier les incertitudes de ses pyramides lors d’une utilisation en charge décroissante.

 

Etude du comportement des pyramides de force

Différents types de pyramides de force dans la gamme du méganewton ont été étudiées, en croisant notamment les mesures faites au moyen de différents bancs de mesure mis en œuvre par les laboratoires participant au projet. Pour le LNE-LCM, la bonne cohérence entre l’étalonnage individuel des capteurs de ses pyramides et leur étalonnage en position assemblé a été confirmé jusqu’à 9 MN, ce qui démontre l’absence d’effets liés à l’introduction des efforts et conforte les incertitudes annoncées par le laboratoire.

 

Etude des effets des efforts parasites

Efforts latéraux

Une pyramide de 5 MN capable de mesurer les efforts latéraux et les moments superposés à l’effort axial principal a été développée par l’INRiM en se basant sur le principe de l’hexapode. Parallèlement, les procédures d’étalonnage des capteurs multi-composantes ont été recensées et une comparaison inter-laboratoire a été réalisée entre la PTB, le LNE et l’INRiM. Les écarts obtenus montrent un bon comportement du banc du LNE-LCM avec de faibles efforts parasites et la cohérence des mesures à la fois pour les forces verticales ou pour les efforts parasitées superposés.

Effet d’une excentration

D’autre part, l’effet d’une excentration entre la force et l’axe de la pyramide a été étudié. Des séries de mesures ont été effectuées en alignant et en excentrant de 3 mm un capteur avec une pyramide de force. Celles-ci ont montré qu’il n’y a pas d’effet significatif sur la pyramide du LNE. Ce point conforte les incertitudes du laboratoire qui met en œuvre un dispositif assurant un centrage de l’ordre de 0,1 mm pour les étalonnages courants.

 

Effet des durées et mode de chargement

Les travaux ont d’abord eu pour objectif d’acquérir des données afin de mieux comprendre le comportement des capteurs de force aux effets liés aux pré-charges, fluage, relaxation et hystérésis.

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Logiciel de calcul d'hystérésis et d'identification des paramètres des capteurs de force
Logiciel de calcul d'hystérésis et d'identification des paramètres

Dans le cadre de ce projet européen, un ensemble de 229  essais ont été réalisés avec 44 capteurs différents et couvrants des gammes comprises entre 50 N et 5 MN. Ils ont concerné le fluage, le retour à zéro et la réversibilité. Ensuite fort de ces données, l’objectif a été de développer des modèles numériques pour corriger les effets liés aux procédures de chargement des capteurs de force. Parmi ces effets, il faut corriger le fluage, la dérive du zéro (relaxation) ainsi que la réversibilité (ou hystérésis). Un logiciel de modélisation de l’hystérésis a été développé. La modélisation a été définie concernant le fluage et la relaxation.

Perspectives du projet…

Pour le laboratoire, les incertitudes revendiquées des pyramides de références jusqu’à 9 MN ont été confirmés comme étant tout à fait justifiées, tant au niveau des phénomènes de transmission interne des contraintes qu’au niveau de la sensibilité aux efforts parasites. De plus, la modélisation des phénomènes de fluage, de relaxation et d’hystérésis permet d’envisager des corrections systématiques sur les pyramides de référence pour des mesures en charge décroissantes. Cela donnera au LNE-LCM, pour les forces au-delà de 500 kN et jusqu’à 9 MN, la possibilité de déterminer l’hystérésis des capteurs des laboratoires et des industriels qu’il raccorde et ainsi de mieux répondre à leur besoin.

 

Site internet du projet :

http://www.ptb.de/emrp/forcemetrology.html

Impacts scientifiques et industriels

  • Extension de la traçabilité aux fortes valeurs de forces
  • Une meilleure connaissance des pyramides de référence pour confirmer l’estimation des incertitudes
  • Possibilité de répondre aux demandes spécifiques des industriels pour l’étalonnage des capteurs multi-composantes

Publications et communications

RABAULT T., AVERLANT P., AND BOINEAU F., “Numerical modeling of hysteresis applied on force transducer”, XXI IMEKO World Congress “Measurement in Research and Industry, Prague, Czech Republic,  30 août - 4 Septembre 2015,

KUMME R., TEGTMEIER F., RÖSKE D., BARTHEL A., GERMAK A. et AVERLANT P., “Force traceability within the meganewton range”, IMEKO 22nd TC3, 15th TC5 and 3rd TC 22 International Conferences, Cape Town, Republic of South Africa, 3 -5 Fevrier 2014

Partenaires

  • PTB (DE),
  • BAM (DE),
  • CEM (ES),
  • CMI (CZ),
  • INRIM (IT),
  • METAS (CZ),
  • MG (PL),
  • MIKES (FI),
  • NPL (GB),
  • TUBITAK (TK)

Afin de couvrir toute la gamme en énergie de l'installation AMANDE et de produire des champs neutroniques mono-énergétiques de référence allant de 2 keV à 20 MeV, le LMDN développe actuellement deux détecteurs : une chambre à projection temporelle (μTPC) pour les énergies allant de 2 keV à 5 MeV, et un télescope a protons de recul pour les énergies allant de 5 MeV à 20 MeV. Ces travaux présentent les grandes lignes du téléscope à protons de recul basé sur un circuit CMOS.

Objectifs

Développer un télescope à protons de recul comme instrument de référence.

Améliorer les caractéristiques du premier prototype réalisé  : rapidité d’acquisition, compacité du système, meilleure résolution angulaire, diminution des événements fortuits

Résumé et premiers résultats

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ENG-RI-01 fig0
Dispositif électronique CMOS du télescope à protons de recul

Le LMDN dispose de plusieurs installations capables de délivrer des champs neutroniques. Le LMDN, en tant que laboratoire associé au LNE, a pour mission de caractériser l’énergie et la fluence neutronique avec des instruments et des méthodes primaires. Afin de couvrir toute la gamme en énergie de l'installation AMANDE, produisant des champs neutroniques mono-énergétiques de 2 keV à 20 MeV, le LMDN développe actuellement deux détecteurs susceptibles de devenir étalons primaires : une chambre à projection temporelle μTPC pour les énergies allant de 2 keV à 5 MeV, en collaboration avec le LPSC de Grenoble, et un télescope a protons de recul, utilisant la technologie CMOS pour les énergies allant de 5 MeV a 20 MeV, en collaboration avec le groupe RaMSeS de l’IPHC Strasbourg. Dans le cadre de cette étude, l’accent est mis sur une démarche métrologique rigoureuse concernant les mesures de l’énergie, de la fluence et des incertitudes associées.

Le concept de télescope à protons de recul pour la mesure de l’énergie de neutrons rapides a été mis en œuvre par plusieurs équipes dans le monde, essentiellement pour la caractérisation de sources de spallation ou pour des projets d’hadron-thérapie. Un tel télescope permet en effet une mesure simultanée de l’angle de diffusion des protons de recul ainsi que de leur énergie. Cependant, les projets existants ne permettent pas de reconstruire cette énergie avec une efficacité de détection satisfaisante (de l’ordre de 10-6), les protons de recul devant en effet traverser plusieurs plans de détection pour que la trajectographie soit efficace (plans de scintillateurs ou détecteurs silicium a micro-pistes). De plus, les diffusions multiples que subissent les protons a basse énergie constituent une limite physique sévère à la précision d’une telle mesure.

En 2006, la collaboration entre le LMDN et le RAMSES (IPHC Strasbourg) a proposé une avancée décisive dans ce type d’instrument, mettant à profit son expertise dans les capteurs à pixels de type CMOS. Ces capteurs au silicium, complètement intègres à la microélectronique, sont développés à Strasbourg pour des applications de trajectographie en physique des particules, avec une précision de l’ordre du micromètre. Flexibles, efficaces et relativement tolérants aux radiations ionisantes, ces détecteurs sont maintenant disponibles en version amincie, jusqu’a 50 micromètres d’épaisseur en version standard, voire moins. En 2009, un premier prototype complet de télescope a été construit sur la base de trois plans de capteurs de grande taille (2 cm2) avec un espacement de pixels de 30 µm, suffisant pour cette application. Avec une distance de seulement 6 mm entre deux plans consécutifs de capteurs, l’angle solide de détection est considérablement augmenté par rapport aux projets concurrents dits à « angle zéro », laissant entrevoir une efficacité de détection prometteuse. Le dernier étage du système est constitué d’une diode Si(Li) épaisse de 3 mm, ce qui a permis d’observer des traces de protons de recul de 19 MeV et jusqu’à l’énergie minimale de 5 MeV.

Une qualification métrologique demande un travail important nécessaire à la compréhension des limites de l’instrument actuel, en premier lieu des phénomènes parasites que constituent les événements inélastiques. En effet, les neutrons ne sont convertis qu’à raison d’un pour mille dans le mince convertisseur de polyéthylène : la section efficace de diffusion élastique (n,p) est de l’ordre du barn à 10 MeV, et le convertisseur doit rester mince sous peine de dégrader l’énergie résiduelle des protons. Une petite fraction de neutrons est convertie dans la couche d’air entre la source et le télescope, et une autre dans le premier plan de capteurs silicium, donnant lieu à des protons (ou des particules alpha) de recul qui tendent à se confondre avec les événements d’intérêt. Une autre source d’événements parasites provient de la diode Si(Li) elle-même. Bombardée par l’écrasante majorité de neutrons qui traversent le système sans interaction, les 3 mm de silicium sont, malheureusement, un convertisseur très efficace via la réaction inélastique Si(n,p). Ceci génère un énorme bruit physique d’inélastiques, qui vient perturber les « bonnes » coïncidences et impose une fréquence d’acquisition très élevée, ou, de manière équivalente, un flux de neutrons maximal qu’il va s’agir de déterminer avec précision. En outre, même à bas flux, certains de ces événements génèrent des traces de protons qui leur sont réellement associées, mais en rétrodiffusion (le proton revient de la diode vers les plans de pixels). Des critères de sélection ont été étudiés par simulation et appliqués aux résultats expérimentaux afin de discriminer les « bons événements » de ces évènements parasites.

Enfin de nombreuses campagnes de mesures ont été réalisées avec trois objectifs principaux :Tests et mise en place d’une méthode d’analyse des données (entre 2009 et 2011). Lors de ces tests les champs neutroniques produits auprès d’AMANDE, en particulier le 14 MeV, ont été utilisés.

Caractérisation des éléments composants le système :

  • Mesures de l’épaisseur des capteurs et des convertisseurs : utilisation du microfaisceau de protons du CENBG/CNRS Bordeaux
  • Mesures de l’efficacité des capteurs, de la diode et du système complet : utilisation du microfaisceau de protons du CENBG/CNRS Bordeaux, du microfaisceau et du microfaisceau de protons du PTB Allemagne
  • Points supplémentaires pour l’étalonnage en énergie : utilisation du microfaisceau de protons du CENBG/CNRS Bordeaux, du microfaisceau et du microfaisceau de protons du PTB Allemagne
  • Mesures de l’énergie et de la fluence de champs neutroniques
  • Mesures de champs neutroniques mono-énergétiques auprès d’AMANDE (5, 7, 14, 17 et 19 MeV)
  • Mesures de champs neutroniques étendus : source d’241AmBe

Les mesures en énergie donnent de très bons résultats avec une résolution variant de 3 à 8 %

Impacts scientifiques et industriels

Le projet doit aboutir à l’obtention d’un étalon primaire utilisable en routine sur l’installation AMANDE dans le cadre d’un contrat de collaboration spécifique entre l’IPHC et le LMDN. Cette technologie est actuellement un plein essor et la mise au point d’un instrument de mesures bénéficiant des derniers développements dans ce domaine constitue indéniablement un atout majeur pour une installation métrologique de référence.

Publications et communications

ALLAOUA A., GUILLAUDIN O., HIGUERET S., HUSSON D., et LEBRETON L., “Novel recoil nuclei detectors to qualify the AMANDE facility as a standard for mono-energetic neutron fields”, Radiation Measurements, 44, 2009, 755-758.

TAFOREAU J., HIGUERET S., HUSSON D., LEBRETON L., LE T.D.  et  PETIT M., A new recoil proton telescope for the characterisation of energy and fluence of fast neutrons, Journal of Instrumentation, 7, 2012.

TAFOREAU J., LEBRETON L., HUSSON D., HIGUERET S., PETIT M. et LE T.D., “A new recoil proton telescope for the characterisation of fast-neutron fields in the range 5 MeV-20 MeV”, FNDA 2011, Ein Gedi, Israel, 6-11 novembre 2011.

ALLAOUA A., GUILLAUDIN O., HIGUERET S., HUSSON D., et LEBRETON L., Novel recoil nuclei detectors to qualify the AMANDE facility as a standard for mono-energetic neutron fields ”, 24th International Conference on Nuclear Tracks in Solids, Bologne, Italie, 1-5 septembre 2008.

TAFOREAU J., SCHAEFER I., HIGUERET S., HUSSON D. et LEBRETON L., Energy measurement of fast neutron fields with a recoil proton telescope using active pixel sensors”, ICRS-12, Nara, Japon, 2–7 septembre 2012.

TAFOREAU J., HIGUERET S, HUSSONS D. et LEBRETON L.,“Fluence measurement of fast neutron fields with a highly efficient recoil proton telescope using active pixels sensors”, NEUDOS12, Aix-en-Provence, France, 3–7 juin 2013.

TAFOREAU J, « Un spectromètre à pixels actifs pour la métrologie des champs neutroniques », école doctorale Physique et physique chimie, soutenue le 30 septembre 2013.

Partenaires

  • RaMsEs (IPHC/Strasbourg)
  • Département mathématiques et statistiques du LNE

La production de neutrons nécessite pour leur caractérisation, la mise en place de références constituées d'un champ mono-énergétique de neutrons associé à un détecteur permettant la maîtrise en énergie et le contrôle en fluence de ce champs. Le champ mono-énergétique est généré au laboratoire LMDN de l'IRSN par l'accélérateur de particules AMANDE ; le détecteur est le dispositif faisant l'objet de cette étude. La technologie choisie ici est ciblée pour une gamme d'énergie en deçà de 1 MeV, en mode continu.

Objectifs

Développer un dispositif en utilisant des technologies innovantes développées en physique des particules, permettant de réaliser des mesures de référence en énergie et en fluence des champs mono-énergétiques de l’accélérateur AMANDE, en-deçà du  MeV.

En théorie, le seuil de détection en énergie sera très bas (idéalement quelques keV). Le système est l’un des seuls à notre connaissance à pouvoir mesurer la distribution en énergie des neutrons, en mode continu, à des énergies aussi basses.

Les performances attendues du système sont de l’ordre de 3% sur les mesures en énergie moyenne et en fluence, à savoir, comparables à celles des systèmes existants pour des énergies plus hautes.

Résumé et premiers résultats

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Photographie de l’installation AMANDE

Dans le domaine des rayonnements ionisants, les installations produisant des champs neutroniques sont essentielles pour étalonner et développer des détecteurs de neutrons. Cependant, ces champs neutroniques doivent être caractérisés en énergie et en fluence pour être considérés comme des champs de référence. Pour mesurer directement la distribution en énergie de champs neutroniques dont l’énergie est inférieure à 1 MeV, un détecteur gazeux (μ-TPC pour micro Time Projection Chamber) est en cours de développement au LNE-IRSN/LMDN (Laboratoire de Métrologie et de Dosimétrie des Neutrons).

Ce projet se déroule en collaboration avec l’équipe MIMAC du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC/UJF/CNRS-IN2P3/INP) qui a développé ce détecteur, initialement pour la détection directionnelle de matière noire. En effet, l’interaction de ces particules avec la matière induit des reculs nucléaires, comme pour les neutrons. Ce principe peut être appliqué à la détection de neutrons.

L’objectif de ce projet est de développer et d’optimiser un détecteur capable de mesurer la distribution en énergie de la fluence neutronique entre 8 keV et 1 MeV. Pour cela un certain nombre de conditions sont impératives au bon développement d’un dispositif métrologique :

  • maitriser au LMDN le dispositif conçu au LPSC,
  • développer un algorithme d’analyse des données,
  • réaliser des simulations pour estimer la réponse du système,
  • réaliser des campagnes de mesures sur des installations capables de produire des champs neutroniques,
  • maîtriser et propager les incertitudes associées à chaque paramètre,
  • aboutir à un fonctionnement en routine à la fin du projet.

Depuis le début du projet, plusieurs objectifs ont déjà été remplis : l’ensemble de dispositif a été réalisé et il est disponible sur l’installation AMANDE du LMDN. Un algorithme d’analyse des données et une modélisation du dispositif ont été développés. Plusieurs campagnes de mesure ont été réalisées sur l’installation AMANDE du LMDN et les analyses ont déjà montré les possibilités de reconstruction de l’énergie neutron à 27 keV, 127 keV, 144 keV, 250 keV et 565 keV. La source d’ions COMIMAC a été développée au LPSC et mise en fonctionnement au LMDN. Elle permettra d’améliorer la mesure de l’énergie des noyaux de recul. L’équipe s’est ensuite orienté dans la réalisation d’une nouvelle enceinte afin de limiter la diffusion des neutrons sur les parois, l’électronique du détecteur a été améliorée (temps de réponse plus court). Enfin la caractérisation des incertitudes est en cours avec des spécialistes du domaine du LNE et de l’IRSN.

Impacts scientifiques et industriels

Le projet doit se poursuivre vers l’obtention d’un étalon primaire utilisable en routine sur l’installation AMANDE dans le cadre d’un contrat de collaboration spécifique entre le LPSC et le LMDN.

Publications et communications

MAIRE D., BILLARD J., BOSSON G., BOURRION O., GUILLAUDIN O., LAMBLIN J., LEBRETON L., MAYET F., MEDARD J., MURAZ J.F., RICHER J.P., RIFFARD Q. et SANTOS D., “Development of a μ-TPC detector as a standard instrument for low-energy neutron field characterization”, Radiation Protection and Dosimetry, 161, 2014, 245-248.

MAIRE D., BILLARD J., BOSSON G., BOURRION O., GUILLAUDIN O., LAMBLIN J., LEBRETON L., MAYET F., MEDARD J., MURAZ J.F., PETIT M., RICHER J.P., RIFFARD Q. et SANTOS D., “First Measurement of a 127 keV Neutron Field with a μ-TPC Spectrometer”, IEEE Transaction on Nuclear Sciences, 61, 2014, 2090-2096.

MAIRE D. et AL., "μ-TPC: A future standard instrument for low energy neutron field characterization," 2013 3rd International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation, Measurement Methods and their Applications (ANIMMA), Marseille, France, 23-27 Juin 2013

Partenaires

  • Le LPSC (CNRS Grenoble) est le partenaire principal sur le projet μ-TPC. Il a réalisé le premier prototype, l’électronique rapide d’acquisition, le dispositif COMIMAC.
  • La société 2MProcess est intervenue dans la réalisation du système de régulation du mélange gazeux et apporte ses conseils depuis concernant la pureté des gaz.
  • La société SDMS a contribué à l’étude de conception de la nouvelle enceinte de mesure et a réalisé cet équipement.

Les projets de recherche « développement d’une μ-TPC pour la mesure de champs neutroniques mono-énergétiques de basses énergies (< 5MeV) sur l’installation AMANDE » développé par le LNE-IRSN/LMDN et « Conception et exploitation d’une chambre à pression variable et contrôlée» par le LNE-LNHB, nécessitent chacun, un système d’alimentation en gaz pour les détecteurs spécifiques des deux projets qui fait l'objet de la présente étude.

Objectifs

Conception et installation d’un banc gaz sur laquelle serait, ultérieurement, raccordé un détecteur spécifique à chacun des projets du LNHB (chambre à pression variable) et du LMDN (la µTPC).

Résumé et premiers résultats

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Photographies du banc gaz

Les projets de recherche « développement d’une μ-TPC pour la mesure de champs neutroniques mono-énergétiques de basses énergies (< 5MeV) sur l’installation AMANDE » développé par le LNE-IRSN/LMDN et « Conception et exploitation d’une chambre à pression variable et contrôlée» par le LNE-LNHB, nécessitent chacun, un système d’alimentation en gaz pour les détecteurs spécifiques des deux projets. Bien qu’étant très semblables, les deux systèmes présentaient des différences fondamentales : l’un fonctionne en statique, à haute pression et nécessite trois arrivées de gaz, l’autre est opérationnel en dynamique, à basse pression et nécessitait quatre arrivées de gaz. Aussi les deux équipes se sont rapprochées afin de mutualiser la réalisation des systèmes de régulation de gaz et, ainsi, d’en réduire le coût. Suite à l’élaboration du cahier des charges, la société 2M Process a développé deux solutions. Elles comportent en commun un détendeur de bouteille, une lyre, un purificateur, un filtre et un débitmètre massique ainsi que des vannes intermédiaires et des vannes de purge. Les installations sont également équipées d’un capteur de pression très précis et d’un capteur de température. Le changement de gaz se fait à l’aide d’un système de pompage à vide secondaire associé à des rinçages successifs par le gaz porteur. Les bancs gaz doivent pouvoir être pilotés par ordinateur afin de pouvoir commander les pressions de remplissage et les ajuster à la pression nominale de précision en fonction de la lecture des capteurs de pression

Au LNHB, l’ensemble des résultats de tests de fonctionnement de l’installation d’alimentation en gaz confirment l’accord des performances du système d’alimentation avec celles demandées dans le cahier des charges initial. Le détecteur pourra être alimenté par différentes natures de gaz (azote, krypton et xénon) et également avec des mélanges binaires et ternaires de gaz sous une pression pouvant varier de 0,1 MPa à 2 MPa. La pression sera contrôlée à 0,15 % près et permettra de maîtriser la masse volumique des gaz dans le cas de mélanges à 0,6 % près. Par conséquent l’installation d’alimentation en gaz est opérationnelle pour recevoir le détecteur lorsque celui-ci sera construit. L’enceinte SYTELI ayant servi à la réalisation des tests au LNHB a ensuite été envoyée au LMDN pour que le dispositif situé sur le site de l’IRSN puisse également être testé.

Au LMDN, l’ensemble des résultats est conforme aux demandes initiales  (une pression pouvant aller de 5 kPa à 0,3 Mpa). Quelques ajustements minimes ont été nécessaires lors de la mise en service. L’incertitude liée au débit total du mélange gazeux utilisé actuellement (60 % C4H10 + 40 % CHF3 à 50 hPa absolu et 293,15 K) est de 5,3 %. Une amélioration est possible en revoyant les méthodes d’étalonnage du débitmètre et en adaptant mieux les gammes de mesure des débitmètres aux débits réellement utilisés. L’incertitude sur la mesure de la pression du mélange gazeux est de ± 2,2 hPa avec le capteur fonctionnant entre 0 et 0,13 MPa absolu. Afin d’obtenir une précision relative meilleure à basses pressions, l’acquisition d’un capteur de pression spécifique fonctionnant entre 0 et 100 hPa a été faite. L’incertitude sur la mesure de pression  à 50 hPa ne représente plus que 0,34  % (contre 5,4 %). Le système d’asservissement a également été adapté aux contraintes spécifiques du projet ; en effet des tuyaux de raccordement de plus de 10 mètres relient l’armoire de régulation au détecteur. Lors des premiers tests, le temps nécessaire pour atteindre une stabilité en pression étant beaucoup trop long, la modification des paramètres de la régulation a permis d’atteindre une stabilité en 8 minutes. Le système d’alimentation fonctionne conformément aux demandes du cahier des charges ; cependant le retour d’expérience de l’utilisation du détecteur μ-TPC montre que des améliorations seront nécessaires au niveau des types de mélanges gazeux utilisés, de la précision des capteurs de pression et des débitmètres

Impacts scientifiques et industriels

Les dispositifs développés au LMDN et au LNHB vont permettre d’alimenter en gaz les détecteurs développés dans le cadre des projets LNE « développement d’une μ-TPC pour la mesure de champs neutroniques mono-énergétiques de basses énergies (< 5 MeV) auprès de l’installation AMANDE » et « Conception et exploitation d’une chambre à pression variable et contrôlée» respectivement.

Partenaires

  • La société 2MProcess

L’objectif est d’améliorer notablement la connaissance des spectres de rayonnements photoniques de basses et moyennes énergies émis par les différentes sources utilisées au LNE-LNHB/LMD dans le cadre de ses campagnes d’étalonnage dans le domaine des rayons X et de la curiethérapie. Ces travaux constituent la base du travail permettant le passage du traitement d’un spectre à énergies discrètes (spectre de raies) à celui d’un spectre à énergie continue (tube à rayons X).

Objectifs

Mise en place d'une nouvelle méthode de caractérisation des faisceaux

Mesurer expérimentalement des spectres de photons exempts de déformation

Valider les spectres théoriques obtenus par simulation Monte-Carlo et évaluer l'impact des variations de forme des spectres sur les débits de dose de référence fournis par le laboratoire.

Améliorer la connaissance des incertitudes sur les paramètres de faisceaux

Résumé et premiers résultats

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Radiographie X d’un détecteur GeHP

Dans le domaine de la dosimétrie des rayonnements X d'énergie inférieure à 300 keV, l'indice de qualité des champs de rayonnements utilisé est un paramètre prépondérant pour améliorer la connaissance des faisceaux et les incertitudes de mesures. La méthode actuelle de caractérisation en termes de tension d’accélération et de couches de demi-atténuation (CDA) est insuffisante. De ce fait, ce travail vise à améliorer de manière significative la connaissance des spectres d'émission des différentes sources (tubes à rayons X, iode 125) par l'utilisation de détecteurs à semi-conducteur. Les tubes à rayons X à caractériser présentent un fort débit de photons. Pour ne pas saturer les détecteurs, la réduction de l’angle solide de détection à l’aide de collimateurs de très faibles diamètres (500 ou 150 μm) devient alors une nécessité. En contrepartie, cela crée d’importantes difficultés d’alignement entre l’axe des collimateurs et le foyer du tube. Deux bancs de positionnement ont donc été développés, l’un pour mesurer les sources scellées utilisées en curiethérapie, l’autre pour les générateurs à rayons X. Ce dernier propose 6 axes de déplacement motorisés dont le pilotage est assuré par un programme développé sous Labview. Cette installation permet de scanner en 2 dimensions le champ (20 x 20 cm) du faisceau, de mesurer son homogénéité ainsi que ses caractéristiques spectrales avec précision. L'étude s'est poursuivie avec l’étalonnage de deux détecteurs, un silicium de type Si-PIN et un germanium hyper pur, en termes de réponse spectrale et de rendement de détection, à l’aide de radionucléides étalons et de sources mono-énergétiques. Pour ce faire, deux installations ont été utilisées : la source SOLEX (Source Of Low Energy X-rays) du LNE-LNHB/LMA et la ligne de lumière ID17 de l'ESRF. Les résultats obtenus ont permis d'établir les courbes de rendement intrinsèque de chaque détecteur ainsi que leurs réponses spectrales pour un rayonnement mono-énergétique compris entre 6 keV et 17 keV pour le Si-PIN et 6 keV et 120 keV pour le GeHP.

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Banc de positionnement développé au laboratoire.

 

Un travail de validation des spectres mesurés et corrigés par différents algorithmes a été entrepris utilisant plusieurs approches croisées :

- comparaison des différents spectres mesurés avec les trois détecteurs Si-PIN, GeHP et CdTe et

corrigés du phénomène d’échappements. Cette étape a permis de valider les algorithmes de correction de ce phénomène par la méthode du stripping pour les deux détecteurs GeHP et CdTe ;

- comparaison des spectres expérimentaux corrigés avec les trois algorithmes de correction (stripping,model-fitting et bayésien) ;

- comparaison de l’ensemble des résultats aux spectres calculés à l’aide de logiciels déterministes tels que Xcomp5R, TASMICS, SpekCalc V1.0 ou encore SRS 78 (IPEM) ;

- comparaison des résultats avec ceux obtenus par simulation de type Monte-Carlo après modélisation des détecteurs.

Ces travaux ont fait l’objet d’une thèse au LNE-LNHB, soutenue en octobre 2014. Ils ont permis de vérifier la pertinence des algorithmes de correction jusqu’à une énergie de 150 keV, mais aussi de montrer qu’une dispersion significative des spectres simulés existait entre les différents codes déterministes ou Monte-Carlo, et que cela pouvait induire des biais plus ou moins importants sur les coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles de radioprotection (par exemple Hp(3)).

La gamme d’énergie doit être étendue et les algorithmes déjà développés, améliorés afin d’atteindre cet objectif. Une exploration spatiale des faisceaux est envisagée afin d’estimer la représentativité des mesures effectuées sur l’axe du faisceau, sous un angle solide très réduit, dans un champ large, ce qui amènera à étudier la distribution surfacique du kerma dans l’air et des équivalents de dose au niveau du plan de référence ainsi que l’importance du rayonnement diffusé dans le faisceau global vu par une chambre d’ionisation étalon à paroi d’air.

Impacts scientifiques et industriels

Le développement de cette nouvelle technique de caractérisation des sources de rayonnements apportera une meilleure connaissance des incertitudes par rapport à l'utilisation des spectres calculés. De plus, pour le cas des spectres continus, elle fournira des informations complémentaires aux mesures de CDA.

Le développement d’un banc de spectrométrie utilisable sur site (détecteur CdTe) avec ses algorithmes de correction de spectres pour la mesure des faisceaux de rayons X, a ouvert de nombreuses collaborations entre le LNE-LNHB et des partenaires des milieux médical ou industriel.

Cet approfondissement dans la connaissance des spectres d'émission photonique permettra de mieux caractériser les grandeurs dosimétriques de référence dans différents domaines tels que la curiethérapie, la thérapie de contact et les applications industrielle et de diagnostic médical des rayons X. Il deviendra alors possible de comparer directement les faisceaux secondaires des utilisateurs aux faisceaux primaires du LNHB.

Constituant une approche novatrice, l'acquisition de cette méthode de caractérisation permettra au laboratoire de renforcer sa connaissance au niveau international, notamment par son implication dans la normalisation.

Partenaires

  • L'équipe chargée de la ligne de lumière ID17 de l'ESRF;
  • Le groupe spectrométrie du LNE-LNHB/LMA

Publications et communications

DELOULE S., « Développement d’une méthode de caractérisation spectrale des faisceaux de photons d’énergies inférieures à 150 keV utilisés en dosimétrie », Mémoire de thèse, Université Paris-Sud, école doctorale MIPEGE (ED 534), 15 Octobre 2014.

DELOULE S, PLAGNARD J., DENOZIÈRE M., AUBINEAU-LANIÈCE I., «Determination of the efficiency of high purity germanium and silicon diode detectors for improved assessment of emission spectra delivered by medical X-ray tubes», X-Ray Spectrometry 2013, 42, 201-206 ; DOI: 10.1002/xrs.2471.

PLAGNARD J., «Comparison of measured and calculated spectra emitted by the X-ray tube used at the Gustave Roussy radiobiological service», X-ray Spectrometry 2014, 43, 298-304, DOI : 10.1002/xrs.2554

DELOULE S., PLAGNARD J., DENOZIÈRE M., AUBINEAU-LANIÈCE , «HPGe and Si-PiN characterization for measurement of continuous photonic emission (E < 50 keV) of medical X-ray tubes», European conference on X-ray spectrometry (EXRS) 2012, Vienne, Autriche, 18-22 juin 2012.

DELOULE S., PLAGNARD J., DENOZIERE M., AUBINEAU-LANIECE I. ET DAURES J., « Evaluation du spectre émis par un tube à rayons X : comparaison des résultats obtenus par calculs et spectrométrie », 5es Journées scientifiques francophones « Codes de calcul en radioprotection, radiophysique et dosimétrie » de la SFRP, Paris, France, 25-26 mars 2014.

Le travail du métrologue consiste de façon générale à développer les références (méthodes, étalons) qui serviront de point de comparaison pour l’établissement de la traçabilité métrologique de résultats de mesure, propriété indispensable à une possible comparaison de ces résultats.

Objectifs

Développer les compétences et outils statistiques, mathématiques et de calculs scientifiques répondant aux besoins et attentes des différents laboratoires de métrologie

Résumé et premiers résultats

  

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Dans la définition donnée par le VIM (Vocabulaire International de Métrologie, 2012) pour la traçabilité métrologique, la notion d’incertitude est clé, quelle que soit la discipline concernée. L’incertitude de mesure s’avère en fait être un indicateur de qualité du résultat de mesure et la norme NF EN ISO 17025 « Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'étalonnages et d'essais » cite par exemple le terme « incertitude » 36 fois. Il est en particulier mentionné dans ce document que « Le laboratoire doit appliquer des méthodes et procédures appropriées pour tous les essais et/ou les étalonnages relevant de son domaine d'activité. Celles-ci comprennent […] , le cas échéant, l'estimation de l'incertitude de mesure ainsi que des techniques statistiques pour l'analyse de données d'essai et/ou d'étalonnage. » (§ 5.4.1).

Les principaux outils et techniques mathématiques et statistiques utilisés dans ce domaine sont la planification d’expériences, les techniques d’évaluation des incertitudes, les méthodes de simulation numérique (Monte Carlo, MC), les techniques d’analyse de la variance, les essais inter-laboratoires et les techniques d’analyse de données (Big Data).

Ce projet a pour but de développer les compétences et outils statistiques, mathématiques et de calculs scientifiques répondant aux besoins et attentes des différents laboratoires de métrologie. Les travaux se décomposent en plusieurs sous-projets spécifiques .

  • Axe de recherche 1 : Modèles de régression et problèmes inverses sous incertitude
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    Copie d'écran de l'outil logiciel Regpoly développé par le LNE pour l'estimation des incertitudes liées aux modèles d'étalonnage

Régression et problèmes inverses surviennent lorsque la quantité d’intérêt n’est pas la variable directement mesurée mais est inférée à partir de données observées en utilisant un modèle mathématique qui relie la quantité d’intérêt à ces données. Les guides et référentiels existant sont aujourd’hui insuffisants pour évaluer l’incertitude de mesure dans ce type de situation. Cette problématique se rencontre dans de nombreux champs d’application en métrologie, mais aussi plus généralement lors de l’estimation des modèles d’étalonnage d’un instrument de mesure. Or l'application de la nouvelle définition de l'étalonnage du VIM implique d'évaluer, sauf exception, la fonction d'étalonnage de tout instrument de mesure. Cette estimation peut être réalisée avec la méthode des Moindres carrés généralisés (GLS) ou par des simulations MC. Cependant, estimer la fonction d'étalonnage induit un calcul d'incertitude particulier (plusieurs mesurandes, méthode d'estimation à définir, estimateur non linéaire...) qui doit être défini correctement si l'on souhaite appliquer efficacement les méthodes statistiques.

  1. Estimation de la fonction d'étalonnage (méthode des moindres carrés généralisés – GLS, …)
  2. Problèmes inverses : application aux cas des propriétés thermophysiques des matériaux & à celui des mesures de distribution de taille de nanoparticules en phase aérosol par SMPS (Scanning Mobility Particles Sizer)

L’objectif de cette tâche est de fournir des méthodes et outils logiciels fiables pour l’évaluation de l’incertitude dans le cas de problèmes inverses et régressions.

  • Axe de recherche 2 : Propagation d’incertitude dans un code complexe
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    Copie d'écran de l'outil logiciel MCM développé par le LNE pour l'évaluation de l'incertitude de mesure et d'analyse de sensibilité par simulations de Monte Carlo

De nombreuses applications en métrologie sont décrites par des systèmes d’équations dont les solutions numériques sont coûteuses en temps de calcul, par exemple les équations de Navier-Stokes pour les écoulements, et les équations de transport en général. Ces systèmes coûteux sont en général complexes car fortement non linéaires. Des approximations linéaires peuvent être mises en œuvre mais conformément au supplément 1 du GUM (Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure, 2008), les résultats sont alors incorrects et les simulations de MC nécessaires. Cependant, ces simulations MC nécessitent un nombre important d’appels au code ce qui est en pratique trop coûteux, voire impossible. Par conséquent, l’évaluation d’incertitude en sortie de ces systèmes est aujourd’hui grossière voire inexistante et nécessite la mise en œuvre de nouvelles méthodes adaptées à ces contraintes.

  1. Application des méthodes d’échantillonnage et de sensibilité en métrologie
  2. Estimation de l’incertitude de mesure par propagations de MC
  3. Évaluation de l’incertitude générée par les techniques d’échantillonnage
  4. Application d’une analyse de sensibilité relative à un code numérique complexe (CFAST), en collaboration avec le département Sécurité Incendie du LNE

L’objectif de cette tâche est de fournir des méthodes d’évaluation de l’incertitude adaptée à l’utilisation de codes de calcul coûteux.

  • Axe de recherche 3 : Evaluation de conformité sous incertitude

De nombreuses mesures sont réalisées pour fournir une aide à la décision sur un produit ou un processus. La présence inévitable d’incertitude sur cette mesure conduit à un risque de décision incorrecte de conformité aussi bien pour le consommateur que pour le fournisseur d’un produit. Il y a par conséquent une exigence de rendre fiable les décisions de conformité sous incertitude et de s’assurer d’une application correcte des techniques de prise de décision, qui ne sont pas à ce jour traitées par des guides de référence ou des normes.

  1. Cas uni et multivariés abordés
  2. Cas d’étude d’évaluation de la conformité à partir des sorties d’un code de calcul en ingénierie incendie

L’objectif de cette tâche est de fournir des procédures d’évaluation de conformité et prise de décision sous incertitude.

  • Axe de recherche 4 : Incertitudes dans le cadre de mesures dynamiques

Les mesures dynamiques revêtent une importance grandissante dans nombre d’applications industrielles, telles que le contrôle de procédés, les mesures électriques, acoustiques ou encore de débit. Les laboratoires nationaux de métrologie ne peuvent cependant pas à ce jour répondre à ces besoins de l’industrie, de sorte que les méthodes actuellement mises en œuvre consistent à répéter les mesures et à appliquer des tolérances supérieures, avec des conséquences en termes de coût et de baisse d’efficacité de production. Des avancées sont donc requises sur ce sujet pour permettre de bâtir un cadre normalisé nécessaire à l’estimation des incertitudes de mesure en régime dynamique.

  1. Définition des mesurandes et détermination des modèles mathématiques
  2. Grandeur concernée dans les applications du LNE : force

L’objectif est ici de fournir des outils pour évaluer l’incertitude associée à des mesures en régime dynamique.

  • Axe de recherche 5 : Comparaisons inter-laboratoires pour estimer la performance d’une méthode

Les comparaisons inter-laboratoires occupent une place importante dans l’activité des laboratoires nationaux de métrologie. Les techniques d’exploitation des résultats sont un élément critique car elles déterminent le calcul de la valeur de référence et surtout l’évaluation de son incertitude.

  1. Quantification de la fidélité d’une méthode de mesure (via écart-type de répétabilité et écart-type de reproductibilité)
  2. Approche bayésienne

L’objectif de cette tâche est de proposer des outils pour exploiter au mieux les résultats de comparaison inter-laboratoires dans une démarche de maîtrise de la mesure.

Impacts scientifiques et industriels

  • Fourniture d’outils logiciel pour l’évaluation de l’incertitude de mesure à destination à la fois des membres du Réseau National de la Métrologie Française, mais également des industriels
  • Logiciel MCM (évaluation de l’incertitude de mesure et analyse de sensibilité par simulations de Monte Carlo selon le GUM S1)
  • Logiciel Regpoly (estimation des incertitudes liées aux modèles d’étalonnage)
  • Logiciel InterLab (traitement des données de comparaisons inter-laboratoires selon la norme ISO 5725)

Publications et communications

ALLARD A., FISCHER N., DIDIEUX F., GUILLAUME E. et IOOSS B., “Evaluation of the most influent input variables on quantities of interest in a fire simulation” , Journal de la Société française de statistique, 152, 1, 2011, 103-117.

ALLARD A. et FISCHER N., “Recommanded tools for sensitivity analysis associated to the evaluaiton of measurement uncertainty”, Advanced Mathematical And Computational Tools In Metrology And Testing IX, World Scientific, 84, 2012, 1–12.

DEMEYER S. et FISCHER N., “Modelling Expert Knowledge to Assign Consensus Values in Proficiency Tests”, Advanced Mathematical And Computational Tools In Metrology And Testing IX, World Scientific, 84, 2012, 110–117.

YARDIN C., « Estimer la droite d’étalonnage avec les moindres carrés généralisés et calculer le résultat de mesure », Revue française de métrologie, 31, 2012, 21–39, DOI: 10.1051/rfm/2012010

GUILLAUME E., MARQUIS D., SARAGOZA L. et YARDIN C., « Incertitude sur la mesure par un cône calorimètre du dégagement de chaleur produit lors de la combustion d’un matériau », Revue française de métrologie, 31, 3, 2012, 3-11, DOI: 10.1051/RFM/2012007.

GUILLAUME E. et YARDIN C., « Calcul de l’incertitude d’étalonnage des radiomètres utilisés dans des essais de comportement au feu des matériaux », Revue française de métrologie, 32, 4, 2012, 49-58, DOI: 10.1051/RFM/2012014.

 

COQUELIN L., LE BRUSQUET L., FISCHER N., MOTZKUS C., GENSDARMES F., MACE T., DEMEYER S. et FLEURY G., « Evaluation des incertitudes associées à la mesure granulométrique d’un aérosol par technique SMPS », 45ème Journées de la Statistiques, Toulouse, France, 27–31 mai 2013.

ALLARD A., LEFORT F., EBRARD G., FISCHER N. LE SANT V., HARRIS P., MATTHEWS C., WRIGHT L. et ROCHAIS D., « Bayesian approach to the determination of thermophysical properties », European Network for Business and Industrial Statistics (ENBIS), Ankara, Turquie, 15–19 septembre 2013.

FISCHER N et ALLARD A., « Sensitivity analysis associated to the evaluation of measurement uncertainty : a tutorial », Statistische Woche, Berlin, Allemagne, 17–20 septembre 2013.

YARDIN C., « Statistical method for evaluating the calibration uncertainty of an accurate gas flowmeter », Flomeko, Paris, France, 24–26 septembre 2013.

YARDIN C., « REGPOLY : Un logiciel pour estimer la fonction d’étalonnage et calculer un résultat de mesure », Congrès international de métrologie, Paris, France, 07–10 octobre 2013.

Partenaires

  • IRSN,
  • Supélec,
  • CNAM,
  • CEA,
  • CETIAT,
  • EDF

Ce projet vise à répondre aux besoins actuels et émergents dans le domaine des mesures d’angles (nouveaux codeurs angulaires plus précis, réalisation d’alignement d’équipements scientifiques dans les accélérateurs de particules, étalonnages in situ avec des incertitudes de plus en plus faibles, etc.).

Objectifs

Améliorer la traçabilité des mesures d’angles

Résumé et premiers résultats

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Plateau angulaire de référence

Le projet porte sur deux types de mesures d’angles distinctes et complémentaires : les faibles déviations angulaires avec une exactitude de quelques nanoradians sur 1 000’’
(~4,8×10-3 rad) et les mesures d’angles à l’échelle du tour avec des incertitudes de l’ordre de 0,01’’ (~4,8×10-8 rad). Pour ces deux types de mesures, les études portent sur les moyens et méthodes de laboratoire, les possibilités d’étalonnage in situ et également sur l’amélioration des techniques utilisées. Enfin le projet propose aussi l’étude des systèmes dit « hybrides » combinant les techniques de mesure à l’échelle du tour avec des techniques de mesure de faibles déviations angulaires.

Implantation d’un hexapode sur le plateau de référence angulaire

L’essentiel des développements du LNE-LCM ont été réalisés sur le plateau angulaire de référence du laboratoire. Pour mener à bien les études sur les codeurs angulaires et sur les systèmes hybrides, il est nécessaire de connaître et pouvoir corriger les mouvements angulaires transversaux (selon les deux axes perpendiculaires à l’axe de rotation principal) et les mouvements de battement axial et radial. De plus il est nécessaire de positionner finement à 0,1’’ (~4,8×10-7 rad) le plateau en position angulaire. Pour répondre à ces besoins, un hexapode constitué de 6 actionneurs piézoélectriques a été implanté sur le plateau angulaire de référence.

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Hexapode implanté sur le plateau angulaire de référence

L’hexapode permet de corriger les erreurs de justesse du système qui génère les rotations du plateau angulaire ainsi que la reproductibilité du positionnement à une consigne donnée.

 

Avec cet hexapode la possibilité de positionner le plateau à un angle souhaité a été considérablement amélioré. La reproductibilité moyenne de positionnement est nettement améliorée de 0,17’’ à 0,03’’ entre 0 et 360°.

 

Erreurs d’interpolation des codeurs angulaires

Les erreurs d’interpolations sont un paramètre important pour les codeurs angulaires, et les tables tournantes utilisant des codeurs angulaires. Pour les codeurs commerciaux, ces dernières sont en général de l’ordre de 1 à 2 % de la période du réseau gravée sur le disque du codeur. Ainsi pour un codeur de 360 000 lignes (une ligne tous les 0,01°, soit 36’’) cela correspond à des erreurs d’interpolation de l’ordre de 0,36’’ à 0,72’’. Toutefois des algorithmes de correction existent et certains constructeurs introduisent des algorithmes de correction dans leurs électroniques de comptage. Des techniques de séparation d’erreurs voisines des techniques de multi-retournement existent : il suffit de mesurer les erreurs de justesse d’un plateau avec un auto-collimateur sur une plage de mesure pour 3 positions relatives différentes du plateau et de l’auto-collimateur. Les 3 positions angulaires différentes doivent être premières entre elles. Cette technique dite de « shearing » a été mise au point par la PTB pour estimer les erreurs d’interpolation des codeurs angulaires. Dans le cadre de ce projet européen, une comparaison des différents instruments (plateaux angulaires) des participants a été réalisée en utilisant cette technique. Le LNE-LCM a effectué les mesures sur une plage de ±25’’ par pas de 0,5’’. Les erreurs d’interpolation sont au maximum de 0,03’’ c’est-à-dire bien en deçà des 1% à 2%.

 

Etude des systèmes hybrides

Un système hybride est un instrument constitué d’un plateau tournant sur lequel est fixé un réflecteur de kit d’optique angulaire d’un interféromètre laser. L’idée est de pourvoir bénéficier de la qualité des mesures des options angulaires des interféromètres laser (qui sont limités à un domaine angulaire de ±15°) sur le domaine de 0 à 360°. Les instruments les plus courants sont constitués soit d’un plateau indexeur (usuellement avec un pas d’indexage de 5°), soit d’un plateau tournant muni d’un codeur angulaire. Ces systèmes sont principalement dédiés à l’étalonnage des plateaux tournants des machines-outils. Les spécifications des constructeurs sont en général de ±1’. Le LNE-LCM a étalonné un de ces systèmes. Les résultats obtenus ont montré que les spécifications sont tenues, i.e. que l’instrument est bien adapté pour les machines-outils.

 

 

Site du projet :

http://anglemetrology.com/

Impacts scientifiques et industriels

  • Amélioration de la référence angulaire du LNE-LCM
  • Amélioration de la connaissance des caractéristiques des codeurs angulaires
  • Validation des mesureurs d’angles hybrides utilisés pour l’étalonnage des plateaux des machines-outils

Partenaires

  • TUBITAK,
  • CEM,
  • CMI,
  • INRIM,
  • IPQ,
  • LNE,
  • MG,
  • MIKES,
  • PTB,
  • SMD,
  • AIST,
  • FAGOR AUTOMATION,
  • IK4-TEKNIKER,
  • KRISS,
  • MWO

Les liens optiques cohérents par fibre optique permettent de transférer sur des distances continentales une référence de fréquence optique avec une stabilité et une exactitude surpassant de plusieurs ordres de grandeurs les méthodes satellitaires. Ce sont les seuls outils capables de comparer sans dégradation les étalons de fréquence optique de dernière génération.

Objectifs

Poursuivre l'implantation géographique de liens optiques métrologiques pour la comparaison des références de fréquences, en Europe

 

Comparaisons d’étalons de fréquence à ultra haute résolution sur des réseaux fibrés de télécommunication nationaux et européen

Permettre un raccordement direct par cette implantation aux étalons nationaux de temps et fréquence

Interconnecter les réseaux nationaux allemand, italien et anglais et ainsi faciliter la dissémination et la comparaison des références de fréquence

Résumé et premiers résultats

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Carte des liaisons métrologique par fibre optique envisagées pour l'Europe ; en vert : liaisons existantes, en jaune : liaisons en cours de réalisation, en violet : liaisons envisagées à moyen terme.

Le niveau de performance des liaisons optiques permettraient de vérifier le bilan d’incertitude des étalons de fréquence les plus exacts, de mettre à jour des effets de relativité générale, et de tester les variations des constantes fondamentales. Les performances du système, déjà impressionnantes, peuvent encore être améliorées pour rendre encore plus sensibles ces tests de physique et de métrologie fondamentales. Les limites de performances des liens cohérents sont liées au temps de propagation de la lumière dans la fibre et aux bruits intrinsèques de l’instrumentation. Le projet LICORNE vise à améliorer la qualité de l’instrumentation des liens optiques cohérents, à mieux comprendre les limites fondamentales et techniques des liens, et à développer de nouvelles liaisons optiques cohérentes à l’échelle nationale et européenne. Ce projet intervient alors que le laboratoire, avec le soutien de RENATER, a mis au point et validé la technique des liens cascadés, qui nous permettent d’atteindre pratiquement le même niveau de performance mais sur un lien de 1100 km, et bientôt de 1500 km.

Ainsi, les principaux travaux du projet LICORNE porteront sur l’amélioration des techniques, en travaillant sur la sensibilité des interféromètres et à leur isolation thermique, et en travaillant vers des électroniques plus puissantes, plus agiles, et mieux intégrées. Il faudra également développer des méthodes de comparaisons de fréquence de type 2-voies (two-way), techniques alternatives à celle de la compensation active, en configuration uni-directionnelles et bi-directionnelles. De plus, l’équipe s’intéressera également au développement de méthodes de transfert double permettant l’envoi simultané de fréquence RF et optique. Enfin, pour valider les travaux sur les nouvelles techniques et méthode, l’équipe mènera une  campagne de comparaison entre les différents moyens de comparaison existant actuellement : liens satellitaires (TWSTFT, GNSS) et les liens cohérents fibrés.

Impacts scientifiques et industriels

  • Comparaisons par fibres optiques des étalons nationaux de fréquence à ultra haute résolution sur les réseaux de télécommunications européens.
  • Liaisons opérationnelles pour la dissémination des références de fréquences optiques et micro-ondes, en France et en Europe.

Partenaires

  • Laboratoire de Physique des Lasers (LPL)
  • REFIMEVE+
  • Labex First-TF
  • Observatoire de Nançay
  • PTB
  • INRIM
  • NPL
  • KRISS

Le LNE-SYRTE possède 6 horloges atomiques situées au meilleur niveau mondial : 3 horloges dans le domaine des fréquences micro-ondes (césium, et césium/rubidium pour l’une d’entre-elles), ayant une exactitude de 2 à 4×10-16 et une stabilité de quelques 10-14τ-1/2, et 3 horloges dans le domaine des fréquences optiques (2 au strontium et 1 au mercure) dont l’exactitude est maintenant proche de 10-17. Les développements successifs de ces horloges nécessitent des comparaisons régulières pour être validés au niveau métrologique, tant au niveau de la stabilité que de l’exactitude.

Les besoins du laboratoire LNE-SYRTE étaient donc de disposer de moyens de comparaison de fréquences dans le domaine optique, fonctionnant en continu et de manière quasi autonome.

Objectifs

Mesure de manière permanente des références de fréquences optiques du laboratoire, sans dégradation de stabilité et exactitude. 

Référencement aux étalons primaires des liens optiques fibrés existant entre le LNE-SYRTE et les laboratoires distants raccordés par lien fibré.

Génération d’un signal micro-onde utilisable comme oscillateur local pour les fontaines atomiques du laboratoire.

Résumé et premiers résultats

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Laser femtoseconde au LNE-SYRTE.

Dans le contexte de plus en plus probable d’une nouvelle définition de la seconde basée sur une transition dans le domaine optique, assurer le suivi sur le long terme de cette nouvelle génération d’horloges permettra d’identifier leurs limites possibles et d’assurer la continuité du système SI.

De plus, afin de contribuer, sur de grandes échelles de temps, à des expériences de physique fondamentale (par exemple rechercher une possible dérive des constantes fondamentales, mener des tests d’invariance de Lorentz), ces moyens de comparaisons doivent pouvoir être utilisés sur une base quasi continue. Un exemple frappant est le suivi du ratio strontium/césium, qui a débuté il y a 15 ans et auquel participent désormais 6 laboratoires en plus du LNE-SYRTE, qui a d’ores et déjà permis de borner une éventuelle dérive des constantes fondamentales à mieux que 10-16/an. Il était donc crucial, dès 2011, de développer une structure pérenne afin d’avoir accès, à la demande, aux rapports de fréquence entre toutes les références du laboratoire.

Le projet SAMIROF avait donc pour vocation d’établir une architecture permanente et fiable pour connecter entre elles les 6 horloges atomiques du laboratoire et leur permettre de se comparer à distance à d’autres horloges, tout en s’adaptant au contexte de divers projets du laboratoire, en perpétuelle évolution. Il repose principalement sur le développement des chaînes de mesures de fréquence optique à l’aide de lasers femtosecondes.

Le travail a porté sur le bruit (stabilité) et sur l’exactitude (contrôle des biais dans les mesures de fréquence). Le dispositif développé est basé sur un peigne de fréquences, véritable « règle graduée » dans l’espace des fréquences, par rapport à laquelle il est facile de mesurer la fréquence des horloges atomiques. Le travail a été divisé en 2 parties bien distinctes : la connexion des horloges à cette chaîne, la fiabilisation et l’automatisation des mesures d’une part, et la validation des connexions et des performances métrologiques d’autre part.

Lors de la première phase, des liens optiques fibrés pour relier les différents oscillateurs ont été développés. Puis une grande partie du travail mené a été dédiée à l’automatisation du dispositif afin de vérifier par logiciel la validité de tous les paramètres. Après l’aménagement de la chaîne dans une salle dédiée, un réseau informatique local a été mis en place, il permet de communiquer avec le peigne de fréquence, l’ensemble des synthétiseurs de fréquence ajustables et les enregistreurs de données.

 

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Lors de la deuxième phase, des logiciels de contrôle ont été programmés au laboratoire pour contrôler l’acquisition de données, les valider « à la volée » et les sauvegarder sans délai. Les multiples boucles d’asservissement analogiques nécessaires au fonctionnement d’une telle structure sont désormais surveillées par des systèmes digitaux qui ouvrent les boucles en cas de perte de verrouillage, recentrent les signaux et referment les boucles. Cet ensemble d’évolutions permet d’acquérir désormais un grand nombre de données sans avoir à les valider manuellement a posteriori. Ainsi, au fur et à mesure des développements, de nombreux exercices opérationnels ont eu lieu, en moyenne 3 par an. Ils ont permis de confirmer la réalité des performances métrologiques (accord au niveau de quelques 10–17 entre les horloges à atomes de strontium lors de comparaisons à distance LNE-SYRTE – PTB), et de démontrer que le Uptime (pourcentage du temps pendant lequel toute la chaîne fonctionne) atteignait désormais un chiffre supérieur à 95 %. Cette excellente fiabilité ouvre la perspective de disposer d’oscillateurs optiques dont la phase serait continuellement maîtrisée, ce qui pourrait permettre de réaliser les premiers prototypes d’échelles de temps purement optiques. Ces progrès ont d’ores et déjà permis au LNE-SYRTE d’être le premier laboratoire mondial à contribuer au TAI (Temps Atomique International) avec une calibration optique, pour simple observation pour le moment, effectuées par les deux horloges strontium du laboratoire.

Le projet SAMIROF a permis de s’adapter au contexte lié aux progrès des horloges et des moyens de comparaison, notamment la mise en fonctionnement, en 2015, du premier lien fibré international permettant de disséminer une porteuse optique ultrastable. Dans cet exemple, SAMIROF est le système qui fait la connexion entre les horloges du laboratoire et le lien fibré, et donc toutes les autres horloges qui y sont connectées.

Dans les années à venir, la pérennité de l’architecture développée va permettre de poursuivre les comparaisons, avec plusieurs objectifs :

  • contribution à des tests de physique fondamentale (invariance de Lorentz, possible dérive des constantes fondamentales...),
  • mesures pour les sciences de la Terre (détection d’anomalies géologiques ou sismiques),
  • participation aux travaux pour une possible redéfinition de la seconde SI (suivi à long terme des horloges et comparaisons des horloges optiques par rapport aux horloges micro-ondes).

Avec ses 6 horloges atomiques, conçues sur la base de quatre espèces différentes (césium, rubidium, strontium et mercure) et connectées en permanence par la chaîne SAMIROF, le LNE-SYRTE est l’un des tout premiers contributeurs sur le plan mondial au processus de révision de la définition de la seconde.

Impacts scientifiques et industriels

  • Mesure des rapports de fréquences entres toutes les horloges du LNE-SYRTE et des laboratoires externes.
  • Comparaisons d’horloges par lien fibré de grande distance (>1000 km),
  • Automatisation des traitements des mesures avec envoi de rapports très régulièrement permet de fournir un service de suivi à long terme de la stabilité des horloges comparées.

Publications et communications

ZHANG W., LOURS M., FISCHER M., HOLZWARTH R., SANTARELLI G. et LE COQ Y., “Characterizing a fiber-based frequency comb with electro-optic modulator”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 59, 2012, 432.

ZHANG W., LI T., LOURS M., SEIDELIN S., SANTARELLI G. et LE COQ Y., “Amplitude to phase conversion of InGaAs PIN photodiodes for femtosecond lasers microwave signal generation”, Applied Physics B: Lasers and Optics, 106, 2012, 301.

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