Mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser : vers une contribution au futur Système International d’unités

par Cyril Lemarchand

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Christophe Daussy.

Soutenue en 2012

à Paris 13 .


  • Résumé

    Ce manuscrit présente l’expérience développée dans l’équipe MMTF du Laboratoire de Physique des Lasers avec pour objectif de contribuer à la redéfinition du Système International d’unités en mesurant la constante de Boltzmann, kB, par spectroscopie laser. La méthode utilisée est fondée sur la spectroscopie d’absorption linéaire d’un gaz d’ammoniac maintenu à température constante. La constante de Boltzmann est déduite de la mesure de température du gaz et de la largeur du profil d’absorption enregistré. Des expériences de 1ère et 2ème génération ont d’ores et déjà permis d’atteindre une incertitude statistique de 38x10⁻⁶ sur la mesure de kB. Dans ce mémoire, nous décrivons les améliorations apportées au dispositif expérimental pour réduire l’incertitude de mesure au niveau de quelques 10⁻⁶. Nous mettons à profit ces développements expérimentaux et utilisons une nouvelle procédure d’ajustement des données expérimentales pour réduire l’incertitude statistique de mesure au niveau de 6,4x10⁻⁶. Nous effectuons par la suite une étude complète des effets systématiques susceptibles d’affecter la mesure de kB. Nous décrivons notamment le dispositif expérimental mis en place pour analyser la structure hyperfine de NH3. Nous évaluons entre autres l’impact de la composition du gaz, de la saturation de la transition, et de la modulation du faisceau laser. Enfin, nous menons une étude poussée de la modélisation des collisions entre molécules. Au final, le budget d’incertitude global sur les effets systématiques est réduit au niveau de 2,1x10⁻⁶. L’ensemble des résultats obtenus et les perspectives envisagées ouvrent la voie vers une mesure optique de k avec une incertitude de quelques 10⁻⁶.

  • Titre traduit

    Measurement of the boltzmann constant by laser spectroscopy : towards a contribution to the international system of units


  • Résumé

    We detail in this manuscript the experiment developed in the MMTF team of the Laboratoire de Physique des Lasers, whose aim is to contribute to the redefinition of the International System of units through the measurement of the Boltzmann constant, kB, by laser spectroscopy. The method used is based on the linear absorption spectroscopy of an ammonia gas maintained at constant temperature. The Boltzmann constant is deduced from the gas temperature measurement and the width of the recorded absorption profile. First and second generation experiments already led to a 38x10⁻⁶ statistical uncertainty on the measurement of kB. In this manuscript, we describe how we improved the experimental set-up to reduce the measurement uncertainty to a fewx10⁻⁶ level. We make profit of these experimental improvements and fit the data in a new way to reduce the measurement statistical uncertainty to a 6. 4x10⁻⁶ level. Then, we carry out a complete study of systematic effects that could affect the Boltzmann constant measurement. We notably describe the experimental set-up built to analyze NH3 hyperfine structure. Among other things, we evaluate the impact of the gas composition, the transition saturation, and the laser beam modulation. Finally, we deeply study how to model collisions between molecules. In the end, the global uncertainty budget on systematic effects is reduced to a 2. 1x10⁻⁶ level. All the obtained results and future prospects pave the way to an optical measurement of kB with an accuracy of a few 10⁻⁶.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (216 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 207-216

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  • Bibliothèque : Université Paris 13 (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis). Bibliothèque universitaire. Section Sciences.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TH 2012 019
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