Electricité-magnétisme

• métrologie électrique fondamentale
• métrologie appliquée basse fréquence
• métrologie appliquée haute fréquence

Dans la perspective d’une nouvelle redéfinition du SI qui pourrait être basée uniquement sur des constantes fondamentales, plusieurs études sont entreprises par le LNE. Par ailleurs, pour répondre aux besoins croissants des industriels et des laboratoires de recherche en terme d'incertitude de plus en plus faible, mais aussi pour permettre des raccordements aux étalons nationaux plus adaptés et plus performants, un certain nombre d'études sont initiées.

Métrologie électrique fondamentale

L’étalon quantique de courant électrique

Actuellement, la réalisation de l’ampère ne s’effectue pas directement, mais à partir des étalons de résistance et de force électromotrice en appliquant la loi d’ohm. C’est pourquoi, afin d’améliorer l’incertitude de la réalisation, le LNE développe un étalon quantique de courant électrique à partir de dispositifs dont le fonctionnement repose sur l’association de l’effet tunnel mono-électronique SET (Single Electron Tunneling) et du blocage de coulomb. Pour réaliser un étalon quantique de courant, il faut que les dispositifs soient capables de créer un courant I dont on contrôle, au moyen d’une fréquence déterminée f, le passage des électrons un par un (I = e·f). Ces dispositifs, appelés pompes à électrons de type R, sont constitués de trois jonctions tunnel mises en série, de deux condensateurs de grille permettant le passage ou non d’un électron par contrôle du niveau de Fermi, et d’une résistance placée à chaque extrémité du dispositif pour diminuer les erreurs dues à l’effet tunnel concomitant.

Du fait que le blocage de coulomb disparaît au dessus de 3 K, la mesure du courant produit s'effectue en fixant la pompe de type R et le câblage de mesure sur un réfrigérateur à dilution. L'amplification du courant est basée sur l'emploi d'un comparateur cryogénique de courant continu (4C).

Un nouveau réfrigérateur à dilution, plus performant, permettra de tester de nouvelles configurations de 4C.

Le triangle métrologique

Le renforcement de la confiance accordée aux relations entre les constantes R_K et K_J d'une part, et la constante de Planck h et la charge de l'électron e d'autre part, constitue une étape indispensable avant d'envisager une redéfinition des unités électriques à partir des constantes fondamentales de la physique.

L'objectif de l'étude dite du "triangle métrologique" est de vérifier avec une incertitude de 10^-8, la cohérence des constantes fondamentales R_K, K_J et Q_X dont les valeurs devraient être respectivement h/e², 2e/h, et e. De façon expérimentale cela revient à vérifier que le produit R_K.K_J.Q_X a pour valeur 2. La mise en oeuvre pratique consiste à réaliser la loi d'ohm à partir des étalons quantiques de résistance, de force électromotrice, et de courant.

Schéma du triangle métrologique (f₁, f₂ : fréquence HF d’irradiation des jonctions Josephson ; n₁, n₂, i : facteurs numériques)

Etalons quantiques de tension alternative : les réseaux de jonctions Josephson programmables de type binaire et les réseaux de jonctions Josephson à commande impulsionnelle.

Le LNE a adopté deux approches pour la réalisation d'étalons quantiques de tension alternative. Ces deux approches s'appuient sur la mise en réseaux de jonctions Josephson (RJJ) dont les caractéristiques courant - tension sont non hystérétiques et reposent sur l'idée de transformer les RJJ en convertisseur analogique/numérique de haut niveau de précision.

Ces deux approches sont d'une part les études de réseaux de jonctions Josephson programmables et, d'autre part, les études de réseaux de jonctions Josephson à commande impulsionnelle.

a. Les réseaux de jonctions Josephson programmables

Les réseaux de jonctions Josephson programmables sont constitués de plusieurs jonctions Josephson mises en série et réparties en séquences binaires (segments). Sous l'effet d'une irradiation hyperfréquence et d'un courant de polarisation, chaque segment peut être séparément polarisable sur une marche de tension déterminée. La tension de sortie du réseau correspond à la somme des tensions délivrée par chaque segment. Enfin, l'automatisation de la commande de chaque source de courant permet de générer une tension alternative de haut niveau de précision.

Réseau de jonctions Josephson

b. Les réseaux de jonctions Josephson à commande impulsionnelle

Les réseaux de jonctions Josephson à commande impulsionnelle utilisent la technique de conversion numérique/analogique Delta-Sigma. Les réseaux sont polarisés par des trains d'impulsions à très haut débit, dont la moyenne temporelle représente le signal arbitraire basse fréquence que l'on souhaite générer. Les réseaux répondent alors par des impulsions de tension. Après filtrage de la tension de sortie du réseau, on obtient le signal basse fréquence désiré avec une précision reliée à celle de l'effet Josephson.

Etalons quantiques de résistance : les QHARS

Les étalons de résistance sont mises en oeuvre dans des barres de Hall se qui restreint en général les valeurs de résistances aux valeurs correspondantes à celles de R_K/2 et R_K/4. L'association de plusieurs barres de Hall en série ou en parallèle permet d'étendre les valeurs de résistances, tout en gardant des incertitudes faibles. Le LNE a conçu ces dispositifs nommés QHARS (Quantum Hall Array Resistance Standards) et a validé l'obtention de résistances dont les valeurs sont comprises entre 100 Ω et 1,29 MΩ.

 
QHARS (Quantum Hall Array Resistance Standard)

Métrologie basse fréquence

Résistances calculables et pont de résistances

La connaissance du comportement en fréquence de résistances inconnues suppose leur comparaison à des étalons connus ou calculables. Pour permettre cette comparaison, l'instrumentation indispensable est un pont de comparaison dont le principal élément est un transformateur à double étage.

Par ailleurs, le LNE développe des résistances calculables coaxiales à couches minces. Elles sont constituées de deux structures concentriques conductrices. L'une d'elle est un bâtonnet de céramique cylindrique sur lequel une couche mince résistive a été déposée. Cette couche mince de quelques nanomètres d'épaisseur permet de s'affranchir de l'effet de peau. En outre, l'ajustage fin des valeurs de résistances est obtenu en déposant des contacts en or à chaque extrémité et en employant la gravure laser de traits sur toute la longueur des bâtonnets. L'autre, le conducteur externe, est réalisé en cuivre et laisse passer le retour du courant. Les paramètres de l'impédance se déduisent de calculs d'électromagnétisme.

Bâtonnets à couches résistives ultra minces pour la réalisation de résistances calculables

Transposition alternatif - continu

Des études sur la transposition alternatif/continu ont permis d'étendre le domaine des tensions jusqu'à 100 V pour un domaine de fréquences de 0,5 MHz à 100 MHz. Le banc est en cours de caractérisation.

De nouveaux convertisseurs sont en train d'être développés pour les plus basses fréquences (inférieures à quelques dizaines de Hz).

Convertisseurs thermiques fermé et ouvert

Mesure de déphasage

Un nouveau banc de mesure de déphasage en courant alternatif sinusoïdal (de 20 Hz à 20 kHz) basé sur des techniques d'échantillonnage et de traitement numérique est en cours de développement. Des étages d'entrée indispensables pour le raccordement des résistances en courant alternatif (du mΩ à quelques MΩ) et des capacités de forte valeurs (du mF à quelques F) ont été réalisées.
Ce banc est en cours de caractérisation.

Mesures de très faibles courants et de résistances de hautes valeurs

Un banc de mesure de résistances de hautes valeurs et de très faibles courants est en cours de finalisation. Ce banc est fondé sur la réalisation d'un pont à intégration de courant. Les premiers essais de caractérisation du pont à intégration de courant ont débuté avec des capacités étalons de valeurs 1,1 pF et 1 pF. Les premières mesures de sensibilité ont été effectuées.

Métrologie haute fréquence

Puissance en haute fréquence

Au LNE les étalons de puissance haute fréquence sont des wattmètres qui contiennent un élément résistif sensible à la température, dans lequel la puissance à mesurer est dissipée. La puissance haute fréquence est alors mesurée en prenant la valeur de la puissance en courant continu qui produit le même échauffement que le wattmètre. L'étalonnage d'un wattmètre consiste à déterminer son efficacité avec une incertitude connue et acceptable, et s'effectue au moyen d'un microcalorimètre. Actuellement le LNE développe un étalon calculable de puissance HF en s'appuyant sur différentes technologies (micro-ruban, coplanaire, diode RF, sonde thermocouple).

Paramètres de dispersion S

Les paramètres de dispersion S sont des rapports d'ondes exprimant les pertes de réflexion et de transmission dans des composants et dispositifs hyperfréquences actifs et passifs. Pour caractériser le module et la phase de ces paramètres, les laboratoires et les entreprises utilisent des analyseurs de réseaux vectoriels. Le LNE a développé des analyseurs de réseaux vectoriels, réflectomètre double six-portes pour réaliser des étalons hyperfréquences de référence dans une bande de fréquence comprise entre 90 MHz et 40 GHz (en fait répartis en 4 réflectomètres double six-portes : 90 MHz - 500 MHz, 500 MHz - 1GHz, 1 GHz - 18 GHz, 18 GHz - 40 GHz).
Un nouveau réflectomètre pour la bande de fréquences 75 GHz -110 GHz est en cours de réalisation. Par ailleurs, les analyseurs de réseaux vectoriels doivent être calibrés avant toute mesure au moyen d'une procédure reposant sur la mesure consécutive de composants étalons issus d'un kit de calibrage. Le rôle des Laboratoires nationaux de métrologie est de garantir la traçabilité au SI en raccordant les kits de calibrage des analyseurs de réseaux vectoriels. Ainsi, le LNE travaille sur la conception et la réalisation des étalons d'un kit de calibrage de référence, sur le développement de méthodes de calibrage appropriées (permettant d'obtenir une grande exactitude et de faibles incertitudes), sur le développement de méthodes de comparaisons (entre différents types de milieux de propagation afin de garantir la traçabilité des mesures des utilisateurs), et sur la mise en place d'une traçabilité des mesures de paramètres S. Ces travaux portent aussi bien sur les lignes planaires que sur les lignes coaxiales.

Double six-portes 18GHz-40 GHz