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Mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser: vers une contribution au futur Système International dunités Cyril Lemarchand Laboratoire.

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Présentation au sujet: "Mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser: vers une contribution au futur Système International dunités Cyril Lemarchand Laboratoire."— Transcription de la présentation:

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

2 Plan Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008 Amélioration de la mesure Conclusions et perspectives 2 Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008 Amélioration de la mesure Conclusions et perspectives

3 Pourquoi mesurer k B ? 3 Saffranchir de tout objet macroscopique Redéfinir certaines unités en fixant la valeur de constantes fondamentales Échéance : 2015 c e NANA 1983 Refonte du Système international dunités Kilogramme étalon Point triple de leau h kBkB

4 Etat de lart en 2008 (1) 4 N A = 6, (30) x10 23 mol -1 R = 8, (15) J.mol -1.K -1 (1,7 x ) (5 x ) avec k B = 1, (24) × J.K -1 (1,7 x ) (CODATA 2006) Mesure de R Deux mesures Une méthode Colclough et al., 1979 Moldover et al., 1988 Thermométrie acoustique à gaz (AGT)

5 Etat de lart en 2008 (2) 5 Méthodes variées Incertitude relative compétitive Objectifs : 15 x ,1 x Thermométrie acoustique à gaz (AGT) Thermométrie à gaz par mesure de la constante diélectrique (DCGT) Thermométrie à gaz par mesure de lindice de réfraction (RIGT) Thermométrie à élargissement Doppler (DBT) Proposée par Ch. J. Bordé en ,8 x (1988) (2008) (2007)

6 Plan Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008 Amélioration de la mesure Conclusions et perspectives 6

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

8 Montage expérimental 8 Contrôle de la fréquence du laser Contrôle de lintensité du laser Grande accordabilité et balayage en fréquence NH 3 BL-, BL+ L Laser CO 2 stabilisé en fréquence Asservissement en intensité Polariseur Voie sonde (B) 273,15 K L BL- Voie de référence (A) Détection f 1 CFP ISL=1GHz MEO 8-18 GHz Synthétiseur f 1 λ/4 BL- Contrôle de la température du gaz NH 3

9 Forme de raie dabsorption 9 Elargissement Doppler Collisions déphasantes Rétrécissement Dicke Dépendance en vitesse des taux de relaxation Δ D ̴ 50 MHz g = 0 x p avec 0 ̴ 100 kHz /Pa (HWHM) δ= δ 0 x p avec δ 0 ̴ 2 kHz /Pa = 0 x p avec 0 ̴ 15 kHz /Pa (v) δ δ(v) Profil gaussien I G ( 0, Δ D ) Profil lorentzien I L ( 0,, δ ) Profil de Voigt I V ( 0, Δ D,, δ ) Profil de Galatry (collisions « douces ») I G ( 0, Δ D,, δ, G ) Profil de Rautian (collisions « fortes ») I R ( 0, Δ D,, δ, R ) Profil de Voigt dépendant des vitesses I SDV ( 0, Δ D,, δ, m, n) : profil de raie normalisé : Absorbance intégrée ( N NH 3 ) Hypothèses de collisions « douces » ou « fortes » (v)=.f[ m ] δ(v) = δ.f[ n ] Expressions analytiques

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

11 Plan Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008 Amélioration de la mesure – Réduction de lincertitude statistique – Etude des effets systématiques Conclusions et perspectives 11 Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008 Amélioration de la mesure – Réduction de lincertitude statistique – Etude des effets systématiques Conclusions et perspectives

12 12 Contrôle de la ligne de base Nouveaux montage optique : – Stabilisation – Filtrage en fréquences spatiales Intensité Fréquence absolue (MHz) – MHz Filtrage sur la voie sonde Filtrage en sortie de la CFP Fluctuations temporelles < 3 sur 24 h Temps doptimisation quotidien réduit dun facteur 6 Fluctuations temporelles < 3 sur 24 h Temps doptimisation quotidien réduit dun facteur 6 Bruit < t = 40 s

13 Automatisation de lexpérience 13 Réduction du temps dacquisition dun spectre de 24% Augmentation de lautonomie des photodétecteurs dun facteur 8 Acquisition jour et nuit Temps dacquisition quotidien augmenté dun facteur 3

14 Conditions denregistrement et dajustement 14 Extension de la plage de pression Prise en compte de lincertitude de mesure

15 Résultats 15 ̴ 7000 spectres Δ D Incertitude statistique sur k B : 6,4x10 -6 ( ̴ 70 h dacquisition) Incertitude statistique sur k B : 6,4x10 -6 ( ̴ 70 h dacquisition)

16 Plan 16 Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008 Amélioration de la mesure – Réduction de lincertitude statistique – Etude des effets systématiques Conclusions et perspectives

17 Etude des effets systématiques 17 ? ? ? ?

18 Contrôle et mesure de la température du gaz 18 Inhomogénéités sur les dimensions de la cellule ΔT( x,y,z )/T 5x10 -6 Inhomogénéités sur les dimensions de la cellule ΔT( x,y,z )/T 5x10 -6 Stabilité temporelle ΔT( t )/T < 1x10 -6 Stabilité temporelle ΔT( t )/T < 1x10 -6 Stabilité temporelle améliorée dun facteur 8 Inhomogénéités réduites dun facteur 5 Stabilité temporelle améliorée dun facteur 8 Inhomogénéités réduites dun facteur 5 Contrôle et mesure de la température du gaz au niveau de 1,07x10 -6 T/T 1 m Pont thermique Sonde thermique Filtres interférentiels Enceinte Ecran thermique 50 cm 5,6 cm

19 Etude des effets systématiques 19 ? ? ? ?

20 Ajustement numérique 20 Nombre de paramètres libres maximum : 5 Profil de Galatry p totale = p partielle I G ( 0, Δ D,, δ, G ) I V ( 0, Δ D,, δ ) I SDV ( 0, Δ D,, δ, m, n) I R ( 0, Δ D,, δ, R ) = 0 x p G = 0 G x p A = A 0 x p 0 : tel que Δ D soit indépendant de la pression 0 G : daprès mesures du coefficient de diffusion A 0 : de manière à reproduire léchelle en pression Δ D,,… Rapport signal à bruit Lié au coefficient de diffusion

21 Composition du gaz Nouvelle série de mesure – Basses pressions: 0,15 Pa à 0,8 Pa – 5 paramètres libres: Δ D fixée daprès la température, et A libres – Augmentation de la plage de balayage (nouvelle CFP) 21 p totale = p partielle ? P totale p partielle et A doivent être ajustés 6 paramètres libres Conditions de pression : 1 à 2 Pa et A doivent être ajustés 6 paramètres libres Conditions de pression : 1 à 2 Pa

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

23 Structure hyperfine de 14 NH 3 23 Spin nucléaire de 14 N : I N =1 Spin total des atomes dhydrogène: I=3/2 78 transitions hyperfines

24 Enregistrement de la structure hyperfine 24

25 Analyse de la structure hyperfine 25 Si la structure hyperfine nest pas prise en compte Δ D surestimée de 4,35x10 -6 Si la structure hyperfine nest pas prise en compte Δ D surestimée de 4,35x10 -6 Absorption linéaire x2000 Absorption saturée 10 % 45 %

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

27 Etude de la forme de raie 27 Voigt Voigt dépendant des vitesses Rautian Galatry 1,75 Pa17,5 Pa Δ D fixée + spectres moyennés (24) Résidu 500 MHz

28 Etude de la forme de raie : bilan 28 Modèle le mieux adapté aux données expérimentales : Estimation des paramètres collisionels : I SDV ( 0, Δ D,, δ, m, n) δ =1,2(1) kHz/Pa (8%) n=-3,8(3) (8 %) =120(3) kHz/Pa (2,5%) m =0,360(9) (2,5%) Incertitude sur m et n Contribution à lincertitude sur k B : 1,8x10 -6 Incertitude sur m et n Contribution à lincertitude sur k B : 1,8x10 -6

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

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

31 Plan Introduction Mesure de k B au LPL : état des lieux en 2008 Amélioration de la mesure Conclusions et perspectives 31

32 Mesure de k B en Réduction de lincertitude statistique : 6,4x10 -6 (70 h dacquisition) Incertitude sur la correction due aux effets systématiques : 2,1x10 -6 Mesure de k B avec une incertitude < 10x DBT

33 La méthode DBT en

34 Perspectives 34 Nouvelle mesure de k B Développement dun nouveau spectromètre Réduction du temps dacquisition Augmentation de lintensité disponible Accordabilité de plusieurs GHz Réduction du temps dacquisition Augmentation de lintensité disponible Accordabilité de plusieurs GHz Sources QCL Mesure de Δ D à température variable Mélange eau-éthanol Température variable de -10°C à +10°C Estimation de k B à partir de Mélange eau-éthanol Température variable de -10°C à +10°C Estimation de k B à partir de Thermostat à température variable Augmentation de la pression jusquà 200 Pa Meilleure détermination des paramètres collisionnels Augmentation de la pression jusquà 200 Pa Meilleure détermination des paramètres collisionnels Modélisation des collisions Cellule courte (3 cm)

35 A léquipe MMTF : – Permanente : Merci ! 35 Christian Chardonnet Anne Amy-KleinChristian J. Bordé Christophe DaussyBenoît DarquiéFrédéric Du BurckVincent RoncinOlivier Lopez

36 A léquipe MMTF : – Non permanente : Merci ! 36 Meriam Triki Hichem Mezaoui Sinda MejriPapa Lat Tabara Sow Khélifa Djerroud Clara Stoeffler Bruno Chanteau Fethallah Thaleb Frédéric Auguste Alexis GodeauAnthony Bercy Alexander Shelkovnikov Sean Tokunaga

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

38 38


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