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

par Stéphane Solve

Thèse de doctorat en Systèmes physiques en Métrologie

Sous la direction de Marc Himbert.

Soutenue en 2008

à Paris, CNAM .


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Realization and metrological characterization of a transportable primary standard based on an array of Josephson junctions providing a DC voltage of 10 V


  • Résumé

    Since 1994, the International Bureau of Weighs and Measures (BIPM) has organized and coordinated a program of on site, 10 V, direct, bilateral comparisons of primary DC Voltage Standards based on the Josephson Effect with the national metrology institutes of the Member States of the BIPM. The BIPM electricity section thus fulfils its missions consisting of realizing and disseminating the unit of electromotive forces of the SI: the volt. Since the 1st January 1990, the representation of this unit is based upon the recommendation of the Consultative Committee on Electricity and Magnetism (CCEM) and the International Committee of Weights and Measures (CIPM) involving the Josephson relationship:U = n  f /KJ-90, where, n is an integer, and U, the voltage provided by an array of Josephson junctions when it is irradiated by a radiofrequency signal of frequency f. KJ-90 is the conventional value of the Josephson constant adopted by the CCEM:KJ-90 = 483597. 9 GHz / V This manuscript presents the approach and the description of the scientific work carried out for the realization of the transfer standard built around an array of 20 000 Josephson junctions in series working at frequencies comprised in the interval from 72 GHz to 78 GHz. A critical parameter of these arrays is their effective sensitivity in regards to the electromagnetic environment in which they are operated. The protection of the array against sources of external noise has been largely taken into consideration. Size and weight problems have been considered, in particular, by successfully testing a removable waveguide and by studying a compact radiofrequency source. A DC biasing source capable of rapidly selecting a designated Shapiro step of the array has also been set up. Each part of the transfer standard has independently been carefully studied before being assembled with the array. The metrological characterization of the transfer standard has been carried out by comparison against the BIPM primary Voltage Standard. A voltage difference below 1 nV has been measured. This result is consistent with its uncertainty budget for which each component and its effect on the whole system has been evaluated by performing dedicated experiments. The major uncertainty components are linked to the overall accuracy of measurement setup: the effect of non-compensated drifting thermal electromotive forces, residual voltages across polarity reversal switches, as well as the effect of electromagnetic interference phenomena on the null-detector.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (208 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 198-208

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Conservatoire national des arts et métiers (Paris). Bibliothèque Centrale.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : Th A 720
  • Bibliothèque : Conservatoire national des arts et métiers (Paris). Bibliothèque Centrale.
  • Disponible sous forme de reproduction pour le PEB
  • Cote : Th A 720 double
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.