L’objectif initial du projet était la mesure directe de la constante de von Klitzing en unités SI par application du théorème de Lampard. Depuis l’adoption des nouvelles définitions du SI en 2018, cette constante est désormais établie comme exacte et fonction uniquement de la constante de Planck et de la charge élémentaire. La construction et la caractérisation d’un étalon de capacité calculable de Thompson-Lampard de grande exactitude, objet de ce projet, reste un objectif poursuivi pour établir une référence primaire de capacité électrique, permettant de réaliser le farad selon une des deux voies recommandées pour la mise en pratique du SI.

Objectifs

Réaliser un nouvel étalon calculable de capacité de Thompson-Lampard à cinq électrodes ;

Déterminer  directement  la  constante  de von  Klitzing (RK) avec  une  incertitude  de  10–8 pour préparer la révision du SI, notamment la définition de l’ampère sur la base d’une constante de la physique, et vérifier la cohérence des valeurs retenues pour les constantes de définition ;

Mise en place d’une chaîne de comparaison d’impédances performante pour déterminer l’ohm à partir du farad et le comparer ensuite à l’ohm issu de l’effet Hall quantique pour en déduire RK.

Résumé et résultats

L’objectif initial de ce projet était la mesure directe de la constante phénoménologique de von Klitzing RK en unités SI par application du théorème de Lampard. Avant 2017, cette détermination permettait de valider l’égalité théorique de RK et du rapport /e2 (h étant la constante de Planck et e la charge de l’électron) déduit jusqu’alors de la mesure de la constante de structure fine α par d’autres méthodes expérimentales issues de la physique atomique et des calculs d’électrodynamique quantique (avec /e2 = μ0·/2α où μ0 est la perméabilité du vide et c la vitesse de la lumière). La détermination de α pouvant être effectuée avec une incertitude bien inférieure à celle avec laquelle est effectuée celle de RK, l’incertitude avec laquelle est vérifiée l’égalité RK = /e2 correspond principalement à l’incertitude sur la détermination de RK. Celle-ci devait donc être réalisée avec la meilleure exactitude possible. C’est pourquoi l’incertitude visée pour l’étalon calculable de capacité est de l’ordre de 1×10-8.

La révision du SI en 2018[1] a conduit à la fixation de la valeur numérique de h et de e et en conséquence, celle de RK = /e2. L’objectif du projet porte désormais uniquement sur la réalisation du farad à partir de l’étalon calculable de capacité de Thomson-Lampard. À l’issue de ce projet, cet étalon pourra être utilisé pour déterminer, non plus RK, mais la constante de structure fine α et les constantes du vide (ε0, µ0 et Z0) avec une incertitude voisine de 1×10-8, au travers d’une comparaison d’étalonnages de capacité de 10 pF et 100 pF réalisés à partir de l’étalon de Lampard et à partir de l’effet Hall quantique.

De façon concrète, le travail engagé dans ce projet est la construction d’un nouvel étalon calculable de capacité de type Thompson-Lampard et l’amélioration de la chaîne de mesure de capacité associée.

Cet étalon repose sur le théorème d’électrostatique[2] énoncé en 1956 par A. Thompson et D. Lampard. Il s’agit d’un nouveau montage pour répondre à ces défis ultimes en termes d’incertitude de mesure car le laboratoire national français a déjà conçu et mis en œuvre plusieurs versions dont la première remonte à 1960. Les principales caractéristiques de ce nouvel étalon sont les suivantes :

  • Il est composé de 5 électrodes cylindriques positionnées verticalement ;
  • Un écran mobile peut être déplacé au centre de la cavité formée par les 5 électrodes ;
  • Une machine à mesurer la position des électrodes est intégrée à l’étalon ;
  • Un ajustement sub-micrométrique a été conçu pour régler indépendamment la position de chaque électrode ;
  • Le positionnement latéral de la garde mobile est garanti par la qualité de la cylindricité de l’entrefer, donc des électrodes ;
  • L’ensemble (électrodes et instrumentation) est placé dans une enceinte pour créer les conditions de mesure sous vide.

Dans la configuration, où les électrodes sont parfaitement identiques et positionnées aux sommets d’un pentagone régulier, les capacités linéiques γ entre deux électrodes opposées sont égales. L’écran mobile permet de faire varier les valeurs des capacités croisées en fonction de sa position dans la cavité centrale. Finalement, une variation de capacité (∆C) est réalisée et l’écart de capacité mesuré est directement proportionnel au déplacement de l’écran (∆L) dans la cavité cylindrique centrale : ∆C = γ · L.

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Photo mécanique du Lampard
Fig.1 – Vue d’ensemble du montage de l’étalon calculable de capacité.

Les principaux défis de réalisation de cet étalon résident dans la fabrication mécanique des électrodes (dimensions et état de surface) et dans leur positionnement (parallélisme) à quelques dizaines de nanomètres près. Un dispositif optique de mesure interférométrique a été ajouté au système pour mesurer in situ le déplacement de l’écran mobile (∆L). Le centrage de la garde mobile constitue la principale composante d’incertitude. Elle doit être centrée dans les deux positions « entrée » et « sortie » à mieux que 50 nm sur la distance entre elle et chacune des 5 électrodes. Le déplacement choisi au LNE est tel que la variation de capacité générée soit de l’ordre de 0,5 pF.

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Dessin de positionnement de la garde du Lampard
Fig.2 – Illustration du déplacement de la garde dans la cavité formée par les 5 électrodes de l’étalon de capacité.

L’étalon calculable a été monté dans sa version définitive. Sa caractérisation métrologique se poursuit : linéarité, impédances de fuite, coefficient de fréquence, de tension. À l’issue de ces mesures, un étalonnage de capacité 10 pF et 100 pF pourra être réalisé avec incertitude de l’ordre de 1×10-8.

Ces résultats seront comparés aux mêmes étalonnages réalisés à partir de l’effet Hall quantique et du pont de quadrature, afin de valider la cohérence des deux voies de réalisation du farad recommandées par le CCEM pour la mise en pratique des unités électriques du SI, et ce avec une exactitude relative de quelques 10-8.

La réalisation primaire du farad à partir de l’étalon de Thompson-Lampard, au niveau de 1×10-8 est à ce jour aussi compétitive que la réalisation à partir de l’étalon quantique de résistance fondé sur l’effet Hall quantique.

 

Références :

[1]  « Le Système international d’unités (SI) / The International System of Units (SI) », BIPM. 9e édition, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0.

[2]  THOMPSON A.M. and LAMPARD D.G., “A new theorem in electrostatics with applications to calculable standards of capacitance”, Nature, 1956, 177, 888-890, DOI: 10.1038/177888a0.

 

 

Impacts scientifiques et industriels

  • Détermination directe de RK et vérification expérimentale de l’égalité théorique RK = h/e2 ;
  • Contribution du LNE à la révision du SI en 2018 ;
  • Traçabilité des mesures de capacités (farad) indépendante des mesures de résistance (ohm).

Partenaires/Collaborations

  • NMIA, Institut national de métrologie de l’Australie ;
  • Partenaires du projet européen EMRP AIM QuTE.

Publications et communications

 

THÉVENOT O., IMANALIEV A., DOUGDAG K. and PIQUEMAL F., “Progress report on the LNE Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM 2020, 24-28 August 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191720.

CALLEGARO L. et al., “The EMPIR Project GIQS: Graphene impedance quantum standard”, CPEM 2020, 24-28 August 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191743.

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era”, C.R. Physique, Académie des sciences, 2019, 20, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

THÉVENOT O., THUILLIER G. et PIQUEMAL F., “Mechanical improvements and investigations on the LNE new Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM-2018, juillet 2018, Paris, France, DOI : 10.1109/CPEM.2018.8501107.

THÉVENOT O., THUILLIER G., SINDJUI R., KHAN M.S., SÉRON O. and PIQUEMAL F., “Progress report on the determination of RK at LNE”, CPEM-2016, 10-15 July 2016, Ottawa, Canada, DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540714.

PIQUEMAL F., GOURNAY P. et THEVENOT O., Electrical determinations of the fine structure constant and impact on the SI”, Fundamental constants Meeting 2015 (IUPAP, Codata), 1-6 février 2015, Elteville, Allemagne.

SINDJUI R., THEVENOT O., GOURNAY P., THUILLIER G., SERON O., KHAN S. et PIQUEMAL F., Improvement of the measurement chain linking the farad to the ohm”, 17e Congrès international de métrologie (CIM), Paris, France, 21-24 septembre 2015, DOI: 10.1051/metrology/20150012003.

SINDJUI R., GOURNAY P., THEVENOT O. et Thuillier G., “Fabrication of a standard two-stage autotransformer at LNE”, CPEM-2014, 24-29 août 2014, Rio de Janeiro, Brésil, DOI: 10.1109/CPEM.2014.6898513.

THUILLIER G., THEVENOT O. et GOURNAY P., “Progress on the LNE calculable capacitor”, CPEM-2014, 24-29 août 2014, Rio de Janeiro, Brésil, IEEE, DOI: 10.1109/CPEM.2014.6898468.

GOURNAY P., THÉVENOT O. et THUILLIER G., “Progress on the LNE Thompson-Lampard capacitor project”, CPEM-2012, 1–6 juillet 2012, Washington DC, États-Unis, DOI: 10.1109/CPEM.2012.6250948.

GOURNAY P., THÉVENOT O., DUPONT L., DAVID J.-M. et PIQUEMAL F. “Toward a determination of the fine structure constant at LNE by means of a new Thompson-Lampard calculable capacitor”, Canadian Journal of Physics, 2011, 89, 1, 169-176, DOI: 10.1139/P10-066.

GOURNAY P. et al., “Progress on the von Klitzing constant determination at LNE”, CPEM-2010, 13-18 juin 2010, Daejeon, Corée du Sud.

GOURNAY P. et al., “Design of the new LNE calculable capacitor”, CPEM 2010, 13-18 juin 2010, Daejeon, Corée du Sud.

THEVENOT O. et al., “Realization of the new LNE Thompson-Lampard electrode set”, CPEM 2010, 13-18 juin 2010, Daejeon, Corée du Sud.

LAHOUSSE L., THÉVENOT O., GOURNAY P. et DAVID J., “Mechanical improvements for the new LNE calculable cross capacitor”, 9th International conference EUSPEN, San Sebastian, Espagne, 2-5 juin 2009.

CONSÉJO C., THÉVENOT O., LAHOUSSE L. PIQUEMAL F. et DAVID J.-M., “Improvements of the measurement chain for a determination of the von Klitzing constant RK”, IEEE Trans. Inst. Meas., 2009, 58, 902, DOI: 10.1109/TIM.2008.2008845.

THEVENOT O., CONSEJO C., BOUNOUH A., DAVID J.-M., CUQ M. et NOIRÉ P., “Toward a determination of RK at LNE with a new Thompson-Lampard calculable capacitor”, CPEM-2008, juin 2008, Boulder, Etats-Unis.

THEVENOT O., LAHOUSSE L., CONSEJO C., DAVID J.-M., LELEU S., PIQUEMAL F., “Toward a determination of RK in term of the new LNE calculable cross capacitor”, VII Simposio Internacional de Metrología, 2008, Santiago de Querétaro, Mexique.

THEVENOT O., CONSEJO C., BOUNOUH A., DAVID J.-M., CUQ M. et NOIRÉ P., “A new apparatus for cylindricity measurement with uncertainty less than 25 nm”, EUSPEN 2007, 20-24 mai 2007, Brême, Allemagne.

THEVENOT O., CONSEJO C., LAHOUSSE L., LACUEILLE J.-C., DAVID J.-M. et LELEU S., “Development of a new calculable capacitor for a determination of the von Klitzing constant at an uncertainty of one part in 108”, International school quantum metrology and fundamental constants,1-12 oct. 2007, Les Houches, France.

THEVENOT O., CONSÉJO C., BOUNOUH A., LACUEILLE J.-C., DAVID J.-M., NOIRÉ P., CUQ M., DIOLEZ G. et ROUX T., “Application of the dissociated metrological structure for the cylindricity measurement of calculable cross-capacitor electrodes”, CPEM-2006, 9-14 juillet 2006, Turin, Italie.

Projets connexes

Projet européen Euramet/EMRP-2012 AIM QuTE, Automated impedance metrology extending the quantum toolbox for electricity

Projet européen Euramet/EMPIR-2019 GIQS, Graphene impedance quantum standard

Ce projet a pour but de réaliser l’ampère selon la nouvelle définition entrée en vigueur en 2019. L’idée est de construire un étalon quantique de courant électrique qui intègre un étalon quantique de résistance et un étalon quantique de tension pour réaliser directement la loi d’Ohm. L’objectif est également de disposer d’un étalon de courant programmable, facile à mettre en œuvre et directement exploitable pour assurer la traçabilité des étalonnages des laboratoires aux étalons nationaux.

Objectifs

Développer une traçabilité de l’ampère telle que définie dans le SI (26e CGPM 2018), à partir des étalons quantiques de résistance et de tension électrique, c’est-à-dire établir une relation directe entre l’étalon quantique de l’ampère et la charge élémentaire ;

Réaliser un générateur quantique de courant programmable (PQCG) et un ampèremètre quantique programmable (PQA) à partir d’un étalon quantique de courant programmable (PQCS), fondé sur l’application de la loi d’ohm aux étalons quantiques de résistance et de tension en mettant en œuvre la technique de multiple connexion de l’EHQ et le comparateur de courant cryogénique ;

Réaliser et mesurer des courants de 1 μA à 10 mA, avec une incertitude inférieure à 1×10-8 en valeur relative, soit améliorer de deux ordres de grandeur les mesures déclarées jusque-là et générer des courants supérieurs de 106 à 107 fois ceux produits par des pompes à électrons.

Résumé et résultats

L’ampère est l’une des 7 unités de base du Système international d’unités, servant de référence aux mesures des grandeurs électriques. Depuis 1948, sa définition reliait l’unité aux unités mécaniques classiques (mètre, kilogramme et seconde). Avant le 20 mai 2019, la définition de l’ampère ne pouvait pas être réalisée (mise en pratique) avec le niveau d’incertitude requis pour les besoins de mesure. C’est pourquoi, en pratique, l’ampère était réalisé, depuis une trentaine d’années, en exploitant la loi d’Ohm appliquée à des étalons de tension et de résistance raccordés aux étalons quantiques obtenus par une mise en œuvre de l’effet Josephson et de l’effet Hall quantique, respectivement. Les meilleures incertitudes déclarées par les laboratoires nationaux de métrologie, dans la gamme 1 μA à 10 mA, étaient supérieures à 10-6 en valeur relative.

En 2018 les valeurs numériques de la constante de Planck h et de la charge élémentaire e dans le SI ayant été fixées, la constante de Josephson (KJet la constante de von Klitzing (RK) ont dès lors eu également des valeurs exactes (sans incertitude) puisque : KJ = 2e/h et RK = h/e2.

Le projet est né dans le contexte de cette évolution des définitions du SI et du besoin d’effectuer les mesures de référence au meilleur niveau métrologique. Et dès 2014 l’idée s’est concrétisée au LNE de développer une traçabilité directe de l’ampère à partir des étalons quantiques de résistance et de tension, soit d’établir une traçabilité au produit KJR, où l’étalon quantique de courant est la mise en pratique de la nouvelle définition de l’ampère fondée sur la charge élémentaire.

Le principe a été décrit en détail par Poirier et coll. en 2014 dans Journal of Applied Physics.

En pratique, la réalisation de cet étalon quantique de l’ampère s’appuie sur le développement d’un générateur quantique de courant programmable (PQCG) et d’un ampèremètre quantique programmable (PQA) à partir d’un étalon quantique de courant programmable (PQCS), fondé sur l’application de la loi d’Ohm aux étalons quantiques de résistance et de tension en mettant en œuvre la technique de multiple connexion de l’EHQ et le comparateur de courants cryogénique.

L’incertitude visée, sur la réalisation et la mesure de courant dans la gamme allant de 1 μA à 10 mA, est inférieure à 1×10-8 en valeur relative. Associés au développement d’étalons de courant secondaires exploitables pour les étalonnages, le PQCG et le PQA constitueront les éléments primaires d’une nouvelle traçabilité de l’ampère qui, s’appuyant sur des étalons de résistance en graphène et de tension Josephson refroidis par des réfrigérateurs sans hélium, pourra être économe et pratique.

Le principe de l’étalon quantique de courant programmable (PQCS : Programmable Quantum Current Standard) est donc de réaliser un courant s’exprimant comme : I = nfJ / (RKJ), où est un entier représentant le numéro du plateau de Hall, nJ le nombre de jonctions Josephson et fJ est la fréquence Josephson, étalon qui conserve la précision quantique des étalons de tension et de résistance.

Il s’agit donc de mettre au point un circuit électrique original permettant d’appliquer, sans erreur, la loi d’Ohm aux étalons quantiques de résistance et de tension qui reposent sur l’effet Hall quantique et l’effet Josephson. Les travaux sont menés également dans le cadre du projet collaboratif européen Euramet/EMPIR e-SI-Amp.

Dès 2016, les premiers essais de faisabilité du principe ont permis de générer des courants dont les intensités, de quelques microampères (µA) à un milliampère (mA), sont reliées à la charge élémentaire avec une incertitude relative de dix parties par milliard (soit 10-8). Les résultats ont été publiés en décembre 2016 par J. Brun-Picard et coll. dans la revue PRX de l’American Physical Society.

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Schéma réalisation ampère quantique
Fig.1 - Représentation schématique du principe de la première réalisation d’un étalon quantique de courant directement relié à la constante de Josephson et la constante de von Klitzing.

Le PQCG a été mis au point et son fonctionnement a été démontré. Sa précision a été vérifiée en opposant la chute de tension due au courant du PQCG à travers une résistance calibrée à la tension d'un autre PJVS utilisé comme référence. L'incertitude cible de 10-8 a été atteinte. Le PQCG a en effet permis l'étalonnage d'un ampèremètre du commerce sur les calibres de 10 mA à 1 µA avec des incertitudes inférieures à 3×10-7. Les résultats ont été publiés par J. Brun-Picard et coll. dans la revue PRX.

La nouvelle version du PQCG est en cours de conception et la fabrication d'instruments spécifiques a débuté. Un nouveau comparateur de courant cryogénique (CCC) destiné à la mise en œuvre de la triple connexion à l'étalon quantique de résistance est également en cours de réalisation.

De plus, dans le cadre du JRP e-SI-Amp, une comparaison avec un amplificateur de très faible courant (ULCA) fabriqué par la PTB a été effectuée pour un courant de 50 µA. Les résultats indiquent un accord à 3×10-7 (article de synthèse en préparation).

Impacts scientifiques et industriels

  • Réalisation de la définition de l’ampère de 2018, unité de base du SI, où les valeurs des constantes RK et KJ sont fixées respectivement à h/e2 et 2e/h, sous la forme d’un étalon quantique de courant programmable ;
  • Réalisation d’un étalon quantique de courant avec une incertitude de 1×10-8 ;
  • Utilisation d’un étalon de courant reproductible dans n’importe quel laboratoire, comparable avec des incertitudes grandement réduites ;
  • Ouverture vers de nouvelles applications de l’étalon de courant, comme la réalisation de ponts de comparaison d’étalons quantiques de résistance aussi précis et exact que le pont de Wheatstone EHQ ;
  • Exploitation du principe ou de l’étalon pour réaliser le triangle métrologique, en étalonnant les pompes à électrons des laboratoires nationaux ;
  • Amélioration de la dissémination des références électriques, avec un étalon de courant pratique, transportable et peu coûteux et réalisation d’un trio d’étalons quantiques pratiques (résistance, tension et courant).

Partenaires/Collaborations

  • NPL, National Physical Laboratory, United Kingdom
  • PTB, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Germany
  • TUBITAK, Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu, Turkey
  • VTT, Teknologian tutkimuskeskus, Finland
  • Aalto, Aalto-korkeakoulusäätiö, Finland
  • CEA, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, France
  • UCAM, University of Cambridge, United Kingdom
  • UoS, University of Southampton, United Kingdom
  • KRISS, Korea Research Institute of Standards and Science, Republic of Korea

Publications et communications

Djordjevic S., Poirier W., Drung D., and Götz M., “Comparison of the programmable quantum current generator and an Ultrastable Low-Noise Current Amplifier”, CPEM 2020, 24-28 Aug. 2020, Denver, Colorado, USA, DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191863.

DJORDJEVIC S., POIRIER W., SCHOPFER F. et THÉVENOT O., « Les étalons électriques quantiques », Les reflets de la physique, SFP, 2019, 62, 25-28, DOI: 10.1051/refdp/201962011.

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era”, Comptes Rendus de l’Académie des sciences - Physique, 2019, 20, 1-2, 92-128, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

AZIB J., BRUN-PICARD J., SCHOPFER F., POIRIER W. and DJORDJEVIC S., “Towards an improved programmable quantum current generator”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501115.

BRUN-PICARD J., « Une nouvelle génération d'étalons quantiques fondée sur l'effet Hall quantique », Thèse de doctorat de sciences, Université Paris-Saclay, Orsay, Spécialité : Physique, soutenue le 7 décembre 2018, https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01973021v1.

BRUN-PICARD J., DAGHER R., MAILLY D., NACHAWATY A., JOUAULT B., MICHON A., POIRIER W. and SCHOPFER F., “Quantum Hall resistance standard in Graphene grown by CVD on SiC: State-of-the-Art of the Experimental Mastery”, CPEM 2018, Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501087.

JECKELMANN B.and PIQUEMAL F., “The elementary charge for the definition and realization of the ampere”, Annalen der Physik, 2018, 531, 5, 1800389, DOI: 10.1002/andp.201800389.

POIRIER W., LEPRAT D., SCHOPFER F., “Towards 10-10 accurate resistance bridge at LNE”, CPEM 2018, Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501068.

BRUN-PICARD J., DJORDJEVIC S., LEPRAT D., SCHOPFER F. and POIRIER W., “Practical quantum realization of the Ampere from the elementary charge”, Physical Review X, 2016, 6, 041051, DOI: 10.1103/PhysRevX.6.041051.

BRUN-PICARD J., LEPRAT D., SCHOPFER F., DJORDJEVIC S.and POIRIER W., “Towards a programmable quantum current generator”, CPEM 2016, Ottawa, Canada, 10-15 July 2016, DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540625.

DRUNG D., KRAUSE C., GIBLIN S.P., DJORDJEVIC S., PIQUEMAL F., SÉRON O., RENGNEZ F., GÖTZ M., PESEL E. et SCHERER H., “Validation of the ultrastable low-noise current amplifier as travelling standard for small direct currents”, Metrologia, 2015, 52, 756-763, DOI: 10.1088/0026-1394/52/6/756.

POIRIER W., LAFONT F., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. et DEVOILLE L., “A programmable quantum current standard from the Josephson and the quantum Hall effects”, Journal of Applied Physics, 115, 2014, 044509, DOI: 10.1063/1.4863341.

SCHERER H., GIBLIN S.P., JEHL X., MANNINEN A., PIQUEMAL F. et RITCHIE D.A., “Introducing Joint Research Project « Quantum Ampere » for the realisation of the new SI ampere”, EPJ Web of Conferences, EDP Sciences, 2014, 77, 0004, DOI: 10.1051/epjconf/2014770004.

Projets connexes

Dans le domaine des mesures électriques, les mesures d'impédance jouent un rôle très important puisqu'elles sont largement utilisées dans différents domaines de la science et de l’ingénierie. Le rôle principal de la métrologie des impédances est la réalisation des unités d'impédance : l'ohm (Ω), le farad (F), le henry (H) et leurs échelles associées. Ces trois unités sont reliées les unes aux autres par l’intermédiaire de la seconde (s) : 1 Ω = 1 H/s = 1 s/F. Par conséquent, une unité peut être utilisée pour réaliser les deux autres en utilisant différents ponts de comparaison fonctionnant en courant alternatif. Les chaînes de traçabilité des mesures d’impédance, reliant l’étalon calculable de capacité ou l’étalon quantique de résistance, mettent en jeu une succession de comparaisons d’impédance réalisées actuellement au LNE à l’aide de ponts analogiques. Ce projet vise à simplifier ces longues chaînes de comparaison, à améliorer les incertitudes de mesure et à élargir les possibilités de mesure d’impédance en mettant en œuvre des ponts numériques de comparaison.

Objectifs

Développer des ponts d'impédance numériques pour réaliser et automatiser les mesures d'impédance sur l'ensemble du plan complexe, dans la gamme de fréquences comprise entre 60 Hz et 20 kHz et avec des incertitudes jamais atteintes pour ces mesures.

Dresser un état de l’art des ponts Josephson et tester la faisabilité d’un type d’architecture de pont numérique intégrant des dispositifs Josephson pour générer des rapports de tension.

Développer des étalons de capacité ultra stables à diélectrique en silice fondue de 1 pF à 1 000 pF.

Résumé et résultats

Les méthodes employées aujourd’hui au LNE pour assurer la traçabilité des mesures d’impédance au SI mettent en œuvre des ponts de comparaison à transformateurs. Ces systèmes sont complexes et ne permettent d’obtenir les meilleures incertitudes que pour un nombre restreint de valeurs et de natures d’impédance. Le développement de ponts numériques pour réaliser des échelles d'impédance utilisant comme point de départ l’impédance d’une résistance déterminée à partir d’une résistance étalonnée à partir de l’effet Hall quantique ou d’un condensateur dont la capacité aura été déterminée au moyen d’un condensateur calculable améliorera la chaîne de traçabilité, en termes d’accessibilité, de ressources et permettra d’élargir la gamme des impédances mesurées.

Ce projet vise à développer des ponts de comparaison en deux et quatre paires de bornes en collaboration avec le CMI (laboratoire national de métrologie de la République Tchèque), permettant de réaliser une chaine de traçabilité au SI des mesures d’impédance sur une bande de fréquence allant de quelques dizaines de Hz à quelques dizaines de kHz, pour tout type d’impédance. Ces nouveaux systèmes permettraient d’assurer la traçabilité des impédances au SI avec des incertitudes comparables voire meilleures dans certaines conditions que celles atteignables aujourd’hui avec les ponts à transformateur. Ces ponts numériques contenant la plupart des briques élémentaires d'un pont d'impédance quantique conçu sur la base de l’étalon de tension de Josephson, le projet permettra aussi de concevoir une architecture de pont quantique.

Par ailleurs, fort de l’expérience acquise dans la fabrication de condensateurs de très faibles valeurs de capacité, développés dans le cadre du projet européen Euramet/EMRP AimQuTE, de nouveaux étalons ultra stables à diélectrique en silice fondue de capacité de 10 pF à 1 nF vont être développés au cours de ce projet RNMF, en collaboration avec le BIPM, pour améliorer la chaîne de mesure permettant de relier le farad à l’ohm.

Impacts scientifiques et industriels

  • Existence d’une chaîne de traçabilité au SI de la mesure d’impédance à partir de l’effet Hall quantique sur une bande de fréquence allant de quelques dizaines de hertz à quelques dizaines de kilohertz ;
  • Réponse aux attentes des utilisateurs en matière de traçabilité des inductances, pour des valeurs de 1 µH à 1 mH de 40 Hz à 20 kHz (mesures limitées à 1 kHz actuellement) et ceci au meilleur niveau métrologique ;
  • Possibilité d’effectuer des étalonnages au LNE d’impédances électriques sur tout le plan complexe ;
  • Mise à disposition de condensateurs étalons ultra stables pour répondre aux besoins exprimés par de nombreux laboratoires nationaux de métrologie ;
  • Participation à plus long terme à la réalisation du multimètre quantique en disposant d’un pont quantique d’impédance conduisant au développement d’un étalon quantique d’impédance en synergie avec d’autres projets menés en métrologique électrique quantique comme le projet visant à exploiter les propriétés du graphène pour réaliser des étalons quantiques (cf projet du RNMF « Effet Hall quantique dans le graphène pour la métrologie »).

Publications et communications

Ralph SINDJUI, « Réalisation et caractérisation de dispositifs de mesure associés à la détermination de la constante de von Klitzing à partir d’un condensateur calculable étalon dit de Thompson-Lampard », Thèse de doctorat de sciences de l’Université Paris-Saclay, Versailles, Génie électrique et métrologie, soutenue le 1er juillet 2016, TEL-01480637v1.

G. Trapon, O. Thévenot, J.-C. Lacueille et W. Poirier, “Determination of the von Klitzing constant RK in terms of the BNM calculable capacitor - Fifteen years of investigations”, Metrologia, 2003, 40, 4, 159–171, DOI: 10.1088/0026-1394/40/4/304.

F. Delahaye, A. Fau, D. Dominguez et M. Bellon, “Absolute determination of the Farad and the Ohm, and measurement of the quantized Hall resistance RH(2) at LCIE”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 1987, vol. IM–36, 2, 205–207.

Partenaires

  • CMI, Institut national de métrologie de la République Tchèque)
  • Partenaires du projet européen JRP GIQS (Graphene Impedance Quantum Standard, 2019-2022).
  • BIPM

Projets connexes

  • EURAMET/EMPIR GIQS, Graphene Impedance Quantum Standards (JRP GIQS)
  • Projet RNMF « Étalon calculable de Thompson-Lampard »

Ce projet porte sur les mesures de puissance moyenne de signaux électriques de haute fréquence (RF et micro-onde). Il vise à consolider et étendre la traçabilité des mesures de puissance jusqu’à la bande de fréquences terahertz (170 GHz dans ce projet). Compte tenu de la raréfaction des sondes de puissance bolométriques et de la difficulté d’approvisionner des sondes thermoélectriques compatibles avec la référence primaire française (microcalorimètre), le LNE souhaite développer des sondes de puissance HF, de technologie thermoélectrique, pour les intégrer dans de nouveaux bancs de référence primaire (microcalorimètre) et secondaire (bancs d’étalonnage en puissance HF) qui sont développés également dans le cadre de ce projet.

Objectifs

Concevoir et mettre en œuvre de nouvelles sondes thermoélectriques de puissance adaptées aux connecteurs 1,85 mm [DC – 67 GHz] et aux guides d’onde rectangulaires [50 GHz – 170 GHz] ;

Concevoir et mettre en œuvre de nouveaux étalons primaires (microcalorimètres) ;

Concevoir et mettre en œuvre de nouveaux bancs de transfert de puissance HF (coaxial et guide d’onde rectangulaire) pour l’étalonnage sur la bande de fréquences du DC à 170 GHz ;

Améliorer les incertitudes de mesure de puissance HF et étendre les capacités de mesure sur un très large domaine de fréquence allant jusqu’à la bande térahertz.

Résumé et résultats

De nombreuses applications utilisent aujourd’hui des ondes électromagnétiques dans le domaine millimétrique du spectre (typiquement jusqu’à 100 GHz) et, de plus en plus, dans la bande térahertz des fréquences (typiquement de 100 GHz à 30 THz), par exemple le nouveau format de communication 5G en cours de déploiement, les portiques de sécurité mis en œuvre dans les gares ou les aéroports, les véhicules autonomes en phase de test ou les mesures de radiométrie spatiale.

Le niveau de puissance du signal de sortie d’un système ou d’un composant radiofréquence (RF) est un paramètre critique pour la phase de conception des équipements de communication et constitue un critère important pour la performance de ces équipements RF.

Pour mesurer cette puissance RF ou microonde, différents instruments sont employés : un analyseur vectoriel ou un wattmètre et sa sonde. Le wattmètre associé à sa sonde de puissance est l’instrument le plus exact utilisé dans l’industrie. Les sondes de puissance utilisées jusqu’à présent par les industriels ou organismes de recherche sont des sondes à diode, à thermocouple ou à thermistance qui transforment l’énergie RF en une tension DC mesurable avec les meilleures incertitudes.

Les laboratoires nationaux de métrologie étalonnent ces wattmètres et ces sondes qui permettent de mesurer la puissance moyenne du signal RF ; cette puissance mesurée inclut la puissance de la porteuse et des harmoniques. Actuellement les aptitudes de mesure et d’étalonnage ne s’étendent pas au-delà de 110 GHz en Europe, c’est-à-dire au tout début de la bande térahertz des fréquences. Cela est devenu insuffisant pour répondre aux besoins correspondant aux nouveaux usages des signaux HF en pleine expansion.

Image
Microcalorimètre, étalon de puissance HF
Fig.1 - Schéma d’un microcalorimètre, étalon primaire pour la mesure de puissance HF (la cuve d’eau n’est pas représentée).

Pour la mesure primaire de la puissance, le LNE a développé un microcalorimètre. C’est une enceinte thermique, isolée de l’extérieur, qui permet de mesurer des variations de température de l’ordre du millième de kelvin. Il est constitué, d’une cuve d’eau (tampon thermique, température stable et homogène), d’une ogive (protection des sondes de l’eau), thermocouples ou thermopile (pour mesurer l’échauffement entre la monture à étalonner et la tare), guide à parois minces (isolation thermique entre la sonde et les guides de liaison), guides de liaison (pour l’injection du signal HF).

Ce projet de recherche en métrologie vise donc à consolider et étendre la traçabilité des mesures de puissance moyenne jusqu’à des fréquences térahertz (170 GHz). Et, compte tenu de la raréfaction des sondes de puissance bolométriques et de la difficulté d’approvisionner des sondes de puissance thermoélectriques compatibles avec la référence primaire française (microcalorimètre), ce projet implique la réalisation de nouvelles sondes de puissance HF fondée sur la technologie thermoélectrique pour les intégrer dans de nouveaux bancs de référence primaire (microcalorimètre) et secondaire (bancs de transfert de puissance HF).

Impacts scientifiques et industriels

  • Réponses aux demandes croissantes d’étalonnage en puissance HF large bande en connecteur coaxial et globalement d’étalonnages dans la bande térahertz des fréquences ;
  • Réduction de la durée d’étalonnage des montures coaxiales large bande [DC - 67 GHz] ;
  • Extension des possibilités d’étalonnage en puissance HF en connectique coaxiale à 67 GHz (actuellement limitées à 50 GHz), en France et en Europe ;

  • Existence de nouveaux étalons primaires de puissances HF (microcalorimètres) et extension des possibilités d’étalonnage en guide d’onde à 170 GHz (actuellement 110 GHz), en France et en Europe ;

  • Amélioration des incertitudes d’étalonnage au plus haut niveau métrologique des montures en guide d’onde au-delà de 75 GHz ;

  • Simplification de la chaîne d’étalonnages avec une réduction du nombre annuel d’étalonnages nécessaires pour les montures coaxiales et du temps de mesure par fréquence avec le microcalorimètre, conduisant à une forte réduction du temps global d’étalonnage au plus haut niveau métrologique ;

  • De répondre à des demandes clients d’étalonnage en puissance dans le domaine térahertz.

Publications et communications

AHMAD S., CHARLES M., ALLAL D., NEGI P.S. and OJHA V.N., “Realization of 2.4mm coaxial microcalorimeter system as national standard of microwave power from 1 MHz to 50 GHz”, Measurement, 2018, 116, 106-113, DOI: 10.1016/j.measurement.2017.10.063.

ALLAL D., BELIÈRES D., LITWIN A. et CHARLES M., « Développement d’un microcalorimètre sur ligne coaxiale de 2,4 mm et des sondes de puissance associées », Revue française de métrologie, 2014, 33, 3-8, DOI: 10.1051/rfm/2014001.

CHARLES M., LITWIN L., POLETAEFF A. et ALLAL D., « Étalon de puissance radiofréquence pour les basses fréquences de 100 kHz à 1 GHz », Revue française de métrologie, 2012, 29, 25–30, DOI: 10.1051/rfm/2012001.

KAZEMIPOUR A. ZIADÉ F., ALLAL D., JENU M.Z.M. et BERGEAULT E., “Non-linear modeling of RF thermistor: application to bolometer mount calibration”, IEEE Trans. on Instrumentation and measurement, 2011, 60, 7, 2445-2448, DOI:10.1016/j.measurement.2017.10.063.

ZIADE F., BERGEAULT E., HUYART B. et KAZEMIPOUR A., “Realization of a calculable RF power standard in coplanar technology on Alumina substrate”, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, 2010, 58, 6, 1592-1598, DOI: 10.1109/TMTT.2010.2048256.

ZIADÉ F., BOURGHES M., KAZEMIPOUR A., BERGEAULT E. et ALLAL D., « Étalon calculable de puissance radiofréquence », Revue française de métrologie, 2009, 20, 3-8, RFM-20-Ziade.

Partenaires/Collaborations

  • PTB, Institut national de métrologie d’Allemagne
  • METAS, Institut national de métrologie de Suisse
  • Laboratoire GeePs de l’Ecole CentraleSupélec, Gif-sur-Yvette, France
  • Institut d'Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) de Lille

La biomasse est utilisée pour produire de l'électricité, de la chaleur ou des biocarburants pour le transport. Celle-ci peut bénéficier d'incitations soutenant les objectifs de l'UE en matière d'énergie renouvelable. Ces incitations sont calculées en fonction des valeurs calorifiques déclarées telles que spécifiées pour chaque type de biocarburant dans la directive 2009/28/CE du Parlement européen et du Conseil relative à la promotion de l’utilisation de l’énergie produite à partir de sources renouvelables. Cependant, ces valeurs sont basées sur des méthodes de mesure non traçables, de sorte que, à mesure que la consommation augmente, les inexactitudes intrinsèques peuvent représenter des montants financiers très élevés. De plus, le commerce est également pénalisé par des méthodes de mesure lentes de la teneur en énergie, qui sont également sujettes aux erreurs d'échantillonnage. Le projet vise à mettre en œuvre des méthodes métrologiques en ligne plus rapides et plus précises de la valeur calorifique des biocarburants solides et liquides. De nouvelles méthodes doivent être conçues pour déterminer la teneur en impuretés et en cendres, et des étalons de transfert pour mesurer l'humidité sont nécessaires.

Objectifs

Développer la mesure en ligne, traçables au SI, de la teneur en eau dans des biocarburants solides (pellets, plaquettes de bois) avec une incertitude inférieure à 5 %

Développer des méthodes améliorées d'échantillonnage des biocarburants (lorsque les méthodes en ligne ne peuvent pas être utilisées)

Développer des mesures de capacité calorifique, traçable au SI, utilisant des techniques de mesure en ligne du taux de cendre des biocarburants solides

Développer et valider des mesures d'impuretés, en ligne, des biocarburants liquides de sorte à en déduire la capacité calorifique

Disséminer les développements métrologiques obtenus dans le cadre de ce projet auprès des fournisseurs de matériels de mesure, des organismes de normalisation et des principaux acteurs de ce milieu

Résumé et premiers résultats

Les travaux menés par la métrologie française, en collaboration avec l’Institut Fresnel de l’Université d'Aix-Marseille, dans ce projet européen portent essentiellement sur les mesures de teneur en eau. Il est tout d’abord nécessaire de faire un examen du cadre métrologique. Cela passe par l’organisation d’une enquête auprès des utilisateurs finaux sur le besoin d'incertitude et les exigences pour l'étalonnage des équipements en ligne notamment pour les mesures d'humidité. Cette enquête doit permettre de définir les paramètres requis et les méthodologies métrologiques pour mesurer le pouvoir calorifique, la qualification et la quantification des mesures d'impuretés, de cendres et d'humidité. Sur la base des exigences métrologiques définies la ou les méthodes sur lesquelles la traçabilité doit être basée sera sélectionnée en exploitant les travaux du précédent projet européen Metefnet, ce qui orientera les travaux pour le développement des étalons de référence et de transfert de la métrologie française.

Impacts scientifiques et industriels

  • Un contrôle qualité amélioré des biocarburants liquides et solides, avec des mesures comparables
  • Un fonctionnement amélioré, une utilisation plus efficace du carburant, une consommation réduite et des émissions minimisées

Partenaires

  • CMI (CZ)
  • DTI (DK)
  • IMBiH (BA)
  • INM-RO (RO)
  • LNE-CETIAT (FR)
  • PTB (DE)
  • UME (TK)

Site internet du projet

Ce projet européen propose de développer les outils métrologiques nécessaires pour caractériser les nouvelles technologies photovoltaïques (PV) émergentes.

En particulier, les technologies basées sur de nouveaux matériaux (e.g. Perovskite Tandem on Silicon) apparaissent comme la nouvelle génération de modules PV présentant de meilleurs rendements de conversion par rapport aux technologies actuelles. Par ailleurs, de nouveaux modules PV dédiés à une utilisation à l’intérieur des bâtiments sont en train d’émerger. Aujourd’hui, on note l’absence de moyens de caractérisation de ces nouvelles technologies.

Objectifs

Réduction des incertitudes relatives aux cellules de références qui affectent le bilan d’incertitudes de toute la chaîne de traçabilité qui en découle.

Les normes internationales concernant la caractérisation de ces technologies PV émergentes seront développées.

Résumé et premiers résultats

La description du projet est disponible sur le site du programme EMPIR en suivant ce lien.

Partenaires

Ce projet est financé par le programme EMPIR et regroupe, entre autres, 5 instituts de métrologie (Finlande, Bosnie Herzégovine, France, Allemagne, Turquie).

L’étude de la variation de la réponse d’instrument de détection de neutrons en fonction de l’énergie est expérimentalement déterminée dans des champs neutroniques mono-énergétiques. Ces champs sont produits avec un faisceau de particules accélérées envoyées sur une cible neutrogène. La caractérisation de ces champs nécessite l’utilisation de détecteurs permettant de mesurer l’énergie des neutrons et leur fluence au point d’étalonnage. Les champs de neutrons mono-énergétiques générés au laboratoire LMDN de l'IRSN par l'accélérateur de particules AMANDE ont une énergie comprise entre 2 keV et 20 MeV avec un faisceau continu ou pulsé. Cette dernière caractéristique permet de mettre en œuvre la méthode du temps de vol comme étalon primaire pour déterminer l'énergie des champs de neutrons mono-énergétiques qui y sont générés. Cette méthode permet également de déterminer la distribution en énergie de la fluence neutronique dans ces champs.

Objectifs

Finalisation de la mise en place de la méthode du temps de vol pour les champs neutroniques supérieurs à 1 MeV avec le détecteur le mieux adapté (scintillateur liquide BC501A ou « Stilbène »)

Mise en place de la technique du temps de vol en-deçà du 1 MeV, avec détermination du détecteur le mieux adapté, définition de son système d'acquisition, caractérisation de sa réponse en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination et étude expérimentale de ses performances en temps de vol

Mise en œuvre finale du ou des détecteurs couplés avec son/ses système(s) d’acquisition les plus adaptés (électronique analogique ou numérique) pour l’établissement  des références en énergie et de la distribution en énergie de la fluence d’AMANDE

Résumé et premiers résultats

L’installation AMANDE du LNE-IRSN produit des champs de neutrons mono-énergétiques entre 2 keV et 20 MeV. La méthode de temps de vol a été choisie pour déterminer l’énergie de ces champs neutroniques de manière directe et absolue. Cette méthode consiste à mesurer le temps mis par les neutrons pour parcourir la distance entre la cible (leur lieu de création) et le détecteur et ne dépend ainsi essentiellement que de deux grandeurs :

  • Le temps écoulé entre la création des neutrons produits dans la cible et leur détection dans le détecteur ;
  • La distance entre la cible et ce détecteur.

La première grandeur est déterminable en utilisant le faisceau pulsé d’AMANDE où tous les neutrons sont générés en même temps dans la cible. Les grandeurs de temps, de distance et de masse sont traçables sur les étalons nationaux, ce qui permet d'obtenir une mesure primaire de l'énergie. L’incertitude attendue sur cette mesure est de l'ordre du pourcent. Cette méthode est réalisable à ce jour pour des énergies supérieures à 1 MeV avec un scintillateur liquide BC501A. Quelques études sont encore à finaliser pour obtenir non seulement l’énergie moyenne mais également la distribution en énergie des neutrons. L’utilisation d'un autre type de scintillateur (Stilbène) en lieu et place du BC501A et/ou d’un second détecteur est cependant nécessaire pour étendre le domaine d’application de la méthode du temps de vol en-deçà de 1 MeV.

La méthode du temps de vol permettra ainsi de raccorder tout type de spectromètre neutron sur les références en énergie. Cette méthode sera incluse à terme dans le dossier d’accréditation par le COFRAC de l’installation AMANDE.

Le projet de recherche consiste donc à :

  • déterminer quel(s) détecteur(s) est le mieux adapté en fonction de ses performances de discrimination entre les neutrons et les photons, de sa plage de sensibilité, de sa réponse en énergie, de sa réponse en temps et de ses autres caractéristiques intrinsèques ;
  • définir si un ou plusieurs détecteurs sont nécessaires pour couvrir, avec la méthode du temps de vol, l’ensemble de la gamme en énergie d’AMANDE ;
  • définir le système d'acquisition et de traitement des données le plus adéquat, en mutualisant et en homogénéisant autant que possible avec les systèmes existant ;
  • caractériser la réponse de (ou des) instrument(s) retenu(s) en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination, par un étalonnage en fluence traçable sur les références du LNE-IRSN ;
  • étudier expérimentalement les performances de la méthode du temps de vol, notamment en termes d'incertitude sur l'énergie du pic mono-énergétique, et comparer les valeurs obtenues aux valeurs théoriques obtenues par la cinématique des réactions nucléaires,
  • publier dans la revue Metrologia a minima sur l'étalon de référence en énergie, par la méthode du temps de vol, en dessous de 1 MeV.

 

Impacts scientifiques et industriels

Directement traçable sur les références nationales en temps, en longueur et en masse, la méthode du temps de vol pourra être considérée comme métrologiquement "primaire" pour l’énergie des neutrons avec une incertitude de l'ordre de 1 % sur l'énergie moyenne. Cette nouvelle référence primaire profitera à l’ensemble des industriels ayant besoin de réaliser des mesures d’énergies de neutrons (industrie nucléaire, radioprotection…).

Publications et communications

Cognet M-A and Gressier V., 2010, Development of a measurement reference standard for neutron energies between 1 MeV and 20 MeV using time of flight method at the AMANDE facility Metrologia 47 377–86.

Partenaires

Le CEA est un partenaire scientifique par le biais d’une thèse commune sur le scintillateur Stilbène.

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs de neutrons thermiques, c’est-à-dire dont l’énergie des neutrons est inférieure à 0,025 eV, comptent parmi ceux recommandés pour l’étalonnage des appareils de radioprotection. Depuis Mars 2015, la norme 21909, spécifique aux systèmes de dosimétrie neutron passifs, est en application. Cette norme préconise de réaliser, entre autres, des irradiations en champ thermique pour caractériser les propriétés intrinsèques des systèmes dosimétriques. L’édition de cette norme devrait accroître la demande en matière d’étalonnage en champ thermique. C’est dans ce contexte que le LNE-IRSN a décidé de mettre en place un nouveau champ de référence de neutrons thermiques.

Objectifs

Définir, par simulations Monte-Carlo, les caractéristiques des champs thermiques pouvant être obtenu avec l’accélérateur T400 (produisant des neutrons de 3 MeV),  couplé à un modérateur et choisir la configuration la plus satisfaisante selon différents critères préalablement définis

Conception et fabrication du bloc modérateur, son support métallique et le banc d’étalonnage associé

Caractériser expérimentalement le champ neutronique produit en terme de fluence et de distribution en énergie de celle-ci

 

Participer à la nouvelle comparaison CCRI(III)-K8

Résumé et premiers résultats

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs thermiques comptent parmi les points d’énergie recommandés pour les étalonnages des appareils de radioprotection. Le LNE-IRSN a décidé de mettre en place une nouvelle référence thermique, compte tenu de son expérience et de son savoir-faire en la matière acquise avec l’installation précédente, SIGMA, aujourd’hui à l’arrêt.

Ce nouveau champ thermique sera généré au moyen de l’accélérateur T400 de l’installation CEZANE de l’IRSN, couplé à un bloc de graphite, dont les dimensions seront à déterminer afin de satisfaire entre autres à des critères physiques, relatifs à la contribution maximale des neutrons thermiques aux débits de fluence et d’équivalent de dose ambiant, l’idéal étant d’atteindre un champ thermique pur en fluence et en équivalent de dose ambiant.

Ce projet couvre ainsi l’ensemble des actions relatives à la définition du modérateur jusqu’à la caractérisation expérimentale des champs neutroniques (T400 nu et champ thermique), une fois les éléments fabriqués et l’accélérateur T400 remis en service. Le projet sera réalisé sur trois ans, de 2018 à 2020, avec pour objectif une participation du LNE-IRSN, à partir de fin 2020, à l’exercice de comparaison internationale organisée par le Comité Consultatif des Rayonnements Ionisants sur les champs thermiques et pilotée par le LNE-IRSN dès 2019 (« Key-Comparisons CCRI(III)-K8-2019 »).

En 2018, les caractéristiques techniques du modérateur thermique ont été définies via une étude par simulations Monte-Carlo (matériaux, géométrie, dimensions). Suite à cette étude par simulations, une étude technique de réalisation a été lancée. En parallèle, l’accélérateur T400 a été remis en service. La fabrication du modérateur est prévue en 2019 ainsi que son intégration avec l’accélérateur T400. Le dispositif CARAT devrait être mis en service en 2020, après la caractérisation spectrométrique et dosimétrique du champ neutronique.

Impacts scientifiques et industriels

La mise en place d’un nouveau champ thermique s’inscrit dans le contexte des recommandations de la norme 21909. Le LNE-IRSN propose d’ores et déjà des prestations d’étalonnage avec des sources de neutrons isotopiques (252Cf et 241AmBe), ainsi qu’auprès d’AMANDE avec des champs neutroniques mono-énergétiques.

Grâce à la mise en place du dispositif thermique CARAT qui sera défini dans ce projet, le laboratoire sera en mesure d’étendre son offre de prestations et la compléter avec cette énergie d’étalonnage supplémentaire, ainsi que de participer aux mesures de la nouvelle comparaison CCRI(III).K-8.

Publications et communications

ISO 8529-1:2001 Reference neutron radiations — Part 1: Rayonnements neutroniques de référence -- Partie 1: Caractéristiques et méthodes de production

ISO 21909 Dosimètres individuels passifs pour les neutrons -- Exigences de fonctionnement et d'essai

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal field facility using Monte Carlo simulations, Rapport DRPH/SDE n°2007-14 (2007)

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal neutron field facility using Monte Carlo simulations, Radiation Protection Dosimetry, 126: 58-63 (2007)

R. Babut, Etude de conception par simulations Monte-Carlo d’un modérateur pour le T400, Rapport PSE-SANTE/SDOS/LMDN 2018-00064 (2018)

 

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

Image
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

Image
ENG-RI- 02 fig0
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.