Developpement et exploitation d'un banc de mesure magnétique environnemental d'échelle hectométrique au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel

Development and operation of an environmental magnetic measuring bench of hectometric scale at the LSBB in Rustrel

• Auteur / Autrice : Clément Dezord
• Direction : Gilles Micolau, Arnaud Mesgouez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques
• Date : Soutenance le 16/11/2023
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnement Méditerranéen et Modélisation Agro-Hydrosystèmes (Avignon) - Laboratoire Souterrain à Bas Bruit
• Jury : Président / Présidente : Amélie Litman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Lefeuve-Mesgouez, Mickaël Petit, Christophe Coillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bocquet, Philippe Maurine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Capteurs (technologie)

Appareils et instruments scientifiques

Simulation, Méthodes de

Électrocinétique (effets d'interface)

Raspberry Pi (ordinateur)

Arduino (microcontrôleur)

acoustique - antenne

Mots clés libres

Antenne boucle géante

Association Arduino–Raspberry Pi

Technologie intermédiaire

Modèle électrocinétique

Instrumentation

Capteur magnétique

Physics

Electronics

Experimental development

Antenna

Modelling

Résumé

Ce manuscrit présente l’instrumentation d’une antenne boucle géante – située au laboratoire souterrain à bas bruit (LSBB) de Rustrel – en vue de l’intégrer dans un banc de mesures environnementales, fiable dans un environnement hostile, aisément versatile et télécommandable. Ce dispositif, construit en technologies intermédiaires et disponible en open source, se veut évolutif afin de répondre aux différentes communautés scientifiques opérant sur place. La conception, la démonstration de sa fonctionnalité et de sa sensibilité sont abordées dans cet ordre. Sa structure repose sur une solution originale basée sur la communication en Python entre un Raspberry PI et des cartes Arduino qui pilotent des relais et instruments de mesures. Deux modes de fonctionnement ont été implémentés. Le premier permet le suivi dans le temps de l’impédance électrique de la boucle sur une gamme de fréquences de 5 décades tandis que le second assure l’acquisition de la tension induite aux bornes de la boucle. L’exploitation de ce banc de mesure s’est principalement concentrée sur le premier mode. Différents protocoles de mesures ont été élaborés et mis à l’épreuve sur plus de deux ans de mesure démontrant l’efficacité et la viabilité du dispositif. Une modélisation de la boucle, en régime quasi stationnaire et se basant sur quatre paramètres est proposée. Elle a permis l’identification et la réduction du nombre des paramètres pertinents décrivant l’évolution temporelle du comportement électrique de cette boucle géante. La sensibilité de la boucle à son environnement immédiat a été démontrée. La démarche scientifique adoptée ici, consistant à transformer un dispositif existant en un instrument inédit, laisse par ailleurs la place à de nombreuses perspectives. Plusieurs d’entre elles ont été étudiées en vue de leur déploiement.

This manuscript presents the instrumentation of a giant loop antenna – located at the Rustrel low-noise underground laboratory (LSBB). This giant loop is intended to be integrated into a environment measurement system that is reliable in a harsh environment, easily versatile and remotely controllable. This device, made of adapted and open-source technologies, is intended to be scalable for the needs of various scientific communities working on site. The design, functionality and sensitivity of this device are presented and discussed. Its structure is based on an original solution via Python communication between a Raspberry PI and Arduino boards that control relays and measuring devices. Two operating modes have been implemented. The first mode monitores the loop’s electrical impedance over a frequency range of 5 decades, while the second acquires the voltage induced at the loop’s terminals. We mainly focused on the first mode during the exploitation of the measurement system. Various measurement protocols have been developed and tested over more than two years, demonstrating the effectiveness and the viability of the system. Consequently, an electrokinetic model based on four parameters was created. It allowed us to identify and reduce the number of relevant parameters describing the temporal evolution of the electrical behavior of this giant loop. The sensitivity of the loop to its immediate environment has been demonstrated. The scientific approach consisting of transforming an existing device into a new instrument opens up new possibilities. Some have been listed and are intended to be deployed in the near future.