Thèse soutenue

Réalisation et détermination des caractéristiques métrologiques d'un étalon primaire transportable, à réseau de jonctions Josephson, délivrant une tension continue de 10 V

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Auteur / Autrice : Stéphane Solve
Direction : Marc Himbert
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Systèmes physiques en Métrologie
Date : Soutenance en 2008
Etablissement(s) : Paris, CNAM

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Depuis 1994, le Bureau international des poids et mesures (BIPM) organise et coordonne des comparaisons bilatérales directes, de références de tension continue primaires à effet Josephson, à 10 V, sur site, avec les laboratoires nationaux de métrologie des Etats membres du BIPM. La section Electricité du BIPM remplit ainsi ses missions de réalisation et de dissémination de l’unité des forces électromotrices et des différences de potentiels du SI : le volt. Depuis le 1er janvier 1990, la représentation de cette unité est fondée sur la recommandation du Comité Consultatif d’Electricité et Magnétisme (CCEM) du Comité international des poids et mesures (CIPM), à partir de la relation Josephson :U = n  f / KJ-90, où n est un nombre entier, et U, la tension aux bornes d’un réseau de jonctions Josephson lorsque celui-ci est irradié par une source de polarisation radiofréquence de fréquence f. KJ-90 est la valeur conventionnelle de la constante de Josephson adoptée par le CCEM telle que :KJ-90 = 483597,9 GHz / V. Suite à l’intérêt manifesté par les laboratoires pour participer à ces comparaisons, la réalisation d’un nouvel étalon Josephson voyageur à 10 V, dans les laboratoires du BIPM, a été décidée en 2004. Ce manuscrit présente la démarche et la description des travaux scientifiques réalisés pour la construction de l’étalon voyageur autour d’un réseau à jonctions Josephson hystérétiques SIS (Supraconducteur / Isolant / Supraconducteur) comportant 20 000 jonctions en série et fonctionnant à des fréquences de polarisation comprises dans un intervalle de 72 GHz à 78 GHz. Un paramètre critique au fonctionnement de ce type de réseau est leur sensibilité avérée aux conditions d’environnement électromagnétique dans lesquels ils opèrent. Ainsi la protection du réseau contre les sources de bruit externes a largement été prise en considération dans la construction de la référence de tension continue. Les problèmes d’encombrement et de poids ont été résolus, en particulier, en testant avec succès un guide d’onde escamotable et en étudiant une source de polarisation radiofréquence compacte. Une source de polarisation continue capable de sélectionner rapidement une marche de Shapiro du réseau préalablement sélectionnée, a également été construite. Chacun des instruments constituant l’étalon voyageur a été étudié en détail indépendamment les uns des autres, avant d’être assemblé autour du réseau. La caractérisation métrologique de l’étalon voyageur a été réalisée par comparaison avec la référence de tension continue primaire du BIPM. Une différence de tension inférieure à 1 nV a été mesurée. Ce résultat a été validé par l’élaboration d’un bilan d’incertitude dont chaque composante a été l’objet d’expériences destinées à en évaluer au mieux l’implication sur l’exercice de comparaison. Les composantes prépondérantes apparaissent être liées à la justesse de la chaîne de mesure, à l’effet des forces thermo-électromotrices non compensées et dérivantes, aux tensions résiduelles au niveau des inverseurs de polarité ainsi qu’aux phénomènes d’interférences électromagnétiques au niveau du détecteur de zéro.