Mise en œuvre et caractérisation d’une machine de mesure de position de grande exactitude dans le cadre de la réalisation d’un condensateur de Thompson-Lampard

Réf : CSI/INSTRU/DMSI

Contexte :

Dans le contexte d’un travail coopératif mondial devant aboutir à la refonte du Système International d’unités (SI), le Laboratoire national de métrologie et d’essais développe des dispositifs expérimentaux permettant de mesurer la valeur de constantes fondamentales et de vérifier la validité de relations théoriques les reliant entre elles, jusqu’à des niveaux d’incertitudes très faibles.
La comparaison des résultats obtenus à l’aide des dispositifs du LNE à ceux provenant de différents laboratoires nationaux de métrologie à travers le monde doit conduire, à terme, à un consensus international sur la base duquel seront redéfinies certaines unités à partir des constantes mesurées (unités de base) et mises en pratique certaines autres, dérivées des relations vérifiées (unités dérivées).
L’équipe au sein de laquelle sera effectué le stage proposé travaille sur la détermination directe de la constante phénoménologique de von Klitzing R_K actuellement utilisée pour la conservation de l’ohm à partir de l’effet Hall quantique. Cette détermination doit permettre de vérifier la validité de la relation théorique R_K=h/e² (où h est la constante de Planck et e la charge de l’électron) avec une incertitude relative visée de 10^-8 au plus.
A ce jour, la mesure directe la plus exacte de R_K repose sur la comparaison d’un étalon calculable de capacité à un étalon quantique de résistance par l’intermédiaire de ponts de comparaison d’impédances de très grande exactitude. Afin d’atteindre le niveau d’incertitude recherché, le LNE développe actuellement un nouveau condensateur calculable. La conception de ce condensateur particulier, comportant cinq électrodes fixes et une électrode mobile, doit permettre de s’approcher au mieux des conditions de réalisation du théorème d’électrostatique de Thompson-Lampard, dont l’application permet de calculer exactement la valeur de sa capacité linéique.
Parallèlement à ce développement, une amélioration des ponts de comparaison et des impédances de transfert étalons utilisés est effectuée. Le temps nécessaire à la conception, à la réalisation et à la caractérisation des différents dispositifs devrait conduire à une mesure de R_K aux alentours de 2013-2014.

Missions :

Le condensateur du LNE est constitué d’électrodes cylindriques disposées verticalement aux sommets d’un pentagone régulier. Pour espérer atteindre l’incertitude relative de 10^-8 recherchée, leur défaut de cylindricité doit être inférieure à 100 nm et leur positionnement effectué à mieux que 50 nm. Il est prévu de contrôler la position de chacune des électrodes dans l’étalon à l’aide d’un dispositif de mesure original, intégré au condensateur, permettant de mettre en œuvre une mesure par multi-retournement. Cette technique de mesure permet en particulier de s’affranchir des erreurs systématiques induites par le dispositif de mesure. Le candidat participera à la mise en place, à la caractérisation, et aux premières mesures de positionnement des électrodes dans l’étalon. Ce travail permettra de valider la méthode, le dispositif, et d’apporter d’éventuelles améliorations.

Profil :

Etudiant en dernière année d’école d’ingénieur ou en Master 2, orienté capteurs, mesure et instrumentation, informatique industrielle.

Connaisances en mécanique, capteurs, instrumentation et bonne maîtrise du logiciel de programmation Labview.

Lecture de documents en anglais (technique).

Indemnités :

967€ brut mensuel pour un étudiant en Master 2 + prime sur avis du tuteur

Durée : 3 à 6 mois

Lieu : Trappes (78)