1 / 38

Cyril Lemarchand Laboratoire de Physique des Lasers Directeur de thèse : Christophe Daussy

Mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser: vers une contribution au futur Système International d’unités. Cyril Lemarchand Laboratoire de Physique des Lasers Directeur de thèse : Christophe Daussy. Plan. Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008

willis
Download Presentation

Cyril Lemarchand Laboratoire de Physique des Lasers Directeur de thèse : Christophe Daussy

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser: vers une contribution au futur Système International d’unités Cyril Lemarchand Laboratoire de Physique des Lasers Directeur de thèse : Christophe Daussy

  2. Plan • Introduction • Mesure de kB au LPL : état des lieux en 2008 • Amélioration de la mesure • Conclusions et perspectives • Introduction • Mesure de kB au LPL : état des lieux en 2008 • Amélioration de la mesure • Conclusions et perspectives

  3. Pourquoi mesurer kB ? • Refonte du Système international d’unités • S’affranchir de tout objet macroscopique • Redéfinir certaines unités en fixant la valeur de constantes fondamentales • Échéance : 2015 1983 c h Kilogramme étalon NA kB Point triple de l’eau e

  4. Etat de l’art en 2008 (1) (1,7 x 10-6) R = 8,314 472(15) J.mol-1.K-1 avec NA= 6,022 141 79(30) x1023 mol-1 (5 x 10-8) kB = 1,380 650 4(24) ×10-23 J.K-1(1,7 x 10-6)(CODATA 2006) Mesure de R Deux mesures Une méthode Thermométrie acoustique à gaz (AGT) Colcloughet al., 1979 Moldoveret al., 1988

  5. Etat de l’art en 2008 (2) • Méthodes variées • Incertitude relative compétitive Objectifs : 1,8 x 10-6 (1988) • Thermométrie acoustique à gaz (AGT) • Thermométrie à gaz par mesure de la constante diélectrique (DCGT) • Thermométrie à gaz par mesure de l’indice de réfraction (RIGT) • Thermométrie à élargissement Doppler (DBT) • Proposée par Ch. J. Bordé en 2000 15 x 10-6 (2008) 9,1 x 10-6 (2007)

  6. Plan • Introduction • Mesure de kB au LPL : état des lieux en 2008 • Amélioration de la mesure • Conclusions et perspectives

  7. Principe de la méthode DBT Cellule d’absorption L Détecteur Laser Loi de Beer-Lambert : D • Elargissement Doppler (Gaussienne de largeur ΔD) • Elargissement homogène (Lorentzienne) • Rétrécissement Dicke(Diffusion) • Structure hyperfine • … α() 0 Fréquence() • Enregistrement du profil d’absorption • Modélisation du profil d’absorption • Contrôle et mesure de la température

  8. Montage expérimental Grande accordabilité et balayage en fréquence Contrôle de l’intensité du laser Polariseur Laser CO2 stabilisé en fréquence nBL-, nBL+ nL MEO 8-18 GHz nL Asservissement en intensité CFP ISL=1GHz Contrôle de la fréquence du laser Synthétiseur AM@ f1 nBL- λ/4 Voie de référence (A) nBL- Thermostat @ 273,15 K Contrôle de la température du gaz Voie sonde (B) NH3 NH3 nBL- Détection synchrone @ f1 Détection synchrone @ f1

  9. Forme de raie d’absorption : Absorbance intégrée (NNH3) : profil de raie normalisé Elargissement Doppler Collisions déphasantes Dépendance en vitesse des taux de relaxation Rétrécissement Dicke • = 0 x p • avec 0 ̴ 100 kHz /Pa (HWHM) • → (v) ΔD ̴ 50 MHz =0 x p avec 0 ̴ 15 kHz /Pa δ →δ(v) δ=δ0 x p avec δ0 ̴ 2 kHz /Pa Hypothèses de collisions « douces » ou « fortes » Expressions analytiques (v)= .f[m] Profil gaussien IG (0, ΔD) Profil lorentzien IL (0, , δ) δ(v) =δ.f[n] Profil de Voigt IV (0,ΔD,, δ) Profil de Galatry(collisions « douces »)  IG (0,ΔD,, δ, G) Profil de Voigt dépendant des vitesses ISDV (0,ΔD,, δ, m, n) Profil de Rautian(collisions « fortes ») IR (0,ΔD,, δ, R)

  10. La méthode DBT en 2008 • Effets systématiques non testés : • Structure hyperfine de la raie • Saturation de la transition • Composition du gaz • …. • Limites de l’expérience : • Rapport signal à bruit • Contrôle en température • Modélisation du profil de raie

  11. Plan • Introduction • Mesure de kB au LPL : état des lieux en 2008 • Amélioration de la mesure • Réduction de l’incertitude statistique • Etude des effets systématiques • Conclusions et perspectives • Introduction • Mesure de kB au LPL : état des lieux en 2008 • Amélioration de la mesure • Réduction de l’incertitude statistique • Etude des effets systématiques • Conclusions et perspectives

  12. Contrôle de la ligne de base 1.015 Bruit < 3‰ @ t = 40 s 1.000 Intensité • Nouveaux montage optique : • Stabilisation • Filtrage en fréquences spatiales 0.985 -125 0 125 Fréquence absolue (MHz) – 28 953 694 MHz Filtrage sur la voie sonde Filtrage en sortie de la CFP • Fluctuations temporelles < 3 ‰ sur 24 h • Temps d’optimisation quotidien réduit d’un facteur 6

  13. Automatisation de l’expérience • Réduction du temps d’acquisition d’un spectre de 24% • Augmentation de l’autonomie des photodétecteurs d’un facteur 8 • Acquisition jour et nuit Temps d’acquisition quotidien augmenté d’un facteur 3

  14. Conditions d’enregistrement et d’ajustement • Extension de la plage de pression • Prise en compte de l’incertitude de mesure

  15. Résultats ̴ 7000 spectres ΔD Incertitude statistique sur kB : 6,4x10-6 ( ̴ 70 h d’acquisition)

  16. Plan • Introduction • Mesure de kB au LPL : état des lieux en 2008 • Amélioration de la mesure • Réduction de l’incertitude statistique • Etude des effets systématiques • Conclusions et perspectives

  17. Etude des effets systématiques ? ?

  18. Contrôle et mesure de la température du gaz Enceinte Pont thermique 1 m Ecran thermique T/T Filtres interférentiels Sonde thermique Inhomogénéités sur les dimensions de la cellule ΔT(x,y,z)/T ≤ 5x10-6 50 cm • Stabilité temporelle améliorée d’un facteur 8 • Inhomogénéités réduites d’un facteur 5 Stabilité temporelle ΔT(t)/T < 1x10-6 5,6 cm • Contrôle et mesure de la température du gaz au niveau de 1,07x10-6

  19. Etude des effets systématiques ? ?

  20. Ajustement numérique • Nombre de paramètres libres maximum : 5 • Profil de Galatry • ptotale= ppartielle ΔD  , ,… Rapport signal à bruit Lié au coefficient de diffusion IV (0,ΔD,, δ) IG (0,ΔD,, δ, G) IR (0,ΔD,, δ, R) ISDV (0,ΔD,, δ, m, n) = 0 x p 0: tel que ΔD soit indépendant de la pression G = 0G x p 0G : d’après mesures du coefficient de diffusion A0: de manière à reproduire l’échelle en pression A=A0 x p

  21. Composition du gaz • ptotale= ppartielle ? • Nouvelle série de mesure • Basses pressions: 0,15 Pa à 0,8 Pa • 5 paramètres libres: ΔD fixée d’après la température,  et A libres • Augmentation de la plage de balayage (nouvelle CFP) Ptotale ppartielle •  et A doivent être ajustés → 6 paramètres libres • Conditions de pression : 1 à 2 Pa

  22. Etude des effets systématiques Pression [1 Pa-2 Pa] 6 paramètres libres ? ?

  23. Structure hyperfine de 14NH3 Spin nucléaire de 14N : IN=1 Spin total des atomes d’hydrogène: I=3/2 78 transitions hyperfines

  24. Enregistrement de la structure hyperfine

  25. Analyse de la structure hyperfine 10 % Absorption linéaire 45 % 45 % x2000 Absorption saturée • Si la structure hyperfine n’est pas prise en compte • ΔD surestimée de 4,35x10-6

  26. Etude des effets systématiques Pression [1 Pa-2 Pa] 6 paramètres libres ? ?

  27. Etude de la forme de raie • Voigt • Voigt dépendant des vitesses Résidu Résidu 2 ‰ 2 ‰ 1,75 Pa 17,5 Pa 500 MHz 500 MHz • Galatry • Rautian ΔD fixée+spectres moyennés (24) Résidu Résidu 2 ‰ 2 ‰ 500 MHz 500 MHz

  28. Etude de la forme de raie : bilan • Modèle le mieux adapté aux données expérimentales : • Estimation des paramètres collisionels : ISDV (0,ΔD,, δ, m, n)  =120(3) kHz/Pa (2,5%) δ =1,2(1) kHz/Pa (8%) m =0,360(9) (2,5%) n=-3,8(3) (8 %) • Incertitude sur m et n •  Contribution à l’incertitude sur kB: 1,8x10-6

  29. Etude des effets systématiques Pression [1 Pa-2 Pa] 6 paramètres libres Voigt dépendant des vitesses

  30. Etude des effets systématiques Pression [1 Pa-2 Pa] 6 paramètres libres Voigt dépendant des vitesses

  31. Plan • Introduction • Mesure de kB au LPL : état des lieux en 2008 • Amélioration de la mesure • Conclusions et perspectives

  32. Mesure de kB en 2012 • Réduction de l’incertitude statistique : 6,4x10-6 (70 h d’acquisition) • Incertitude sur la correction due aux effets systématiques : 2,1x10-6 • Mesure de kB avec une incertitude < 10x10-6 DBT 2013

  33. La méthode DBT en 2012

  34. Perspectives Nouvelle mesure de kB Développement d’un nouveau spectromètre Modélisation des collisions Mesure de ΔD à température variable Cellule courte (3 cm) Sources QCL Thermostat à température variable • Augmentation de la pression jusqu’à 200 Pa • Meilleure détermination des paramètres collisionnels • Réduction du temps d’acquisition • Augmentation de l’intensité disponible • Accordabilité de plusieurs GHz • Mélange eau-éthanol • Température variable de -10°C à +10°C • Estimation de kB à partir de

  35. Merci ! • A l’équipe MMTF : • Permanente : Anne Amy-Klein Christian J. Bordé Christian Chardonnet Christophe Daussy Vincent Roncin Frédéric Du Burck Benoît Darquié Olivier Lopez

  36. Merci ! • A l’équipe MMTF : • Non permanente : Khélifa Djerroud MeriamTriki Bruno Chanteau Clara Stoeffler Hichem Mezaoui Sinda Mejri Sean Tokunaga Papa LatTabaraSow Frédéric Auguste Alexander Shelkovnikov Anthony Bercy Alexis Godeau FethallahThaleb

  37. Merci ! • Aux services du LPL : • Administratif • Mécanique • Optique • Electronique • Informatique • A toutes les personnes du laboratoire • A mes proches

More Related