Mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser : vers une redéfinition du kelvin

par Khelifa Djerroud

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Christophe Chardonnet.

Soutenue en 2008

à Paris 13 .

mots clés

• Spectroscopie laser
• Système métrique

Résumé

Ce manuscrit présente l'expérience développée dans l'équipe HOTES avec pour objectif la première mesure de la constante de Boltzmann, Kg, par une méthode original de spectroscopie laser. Le principe de cette méthode consiste à enregistrer le profil d'absorption linéaire d'un gaz d'ammoniac, maintenu à température T controlée et mesurée. La constante de Boltzmann est déduite de la largeur à mi-auteur du profil enregistré. Une première mesure de kg par cette technique a étè ainsi réalisée avec une incertitude relative de 1. 9 x 10(-4). Dans ce memoire nous descrivons l'ensemble des améliorations apportées au premier dispositif expérimental dans le but de réduire l'incertitude de mesure. Nous détaillerons les développements expérimentaux réalisés et qui ont permis de réduire le bruit ainsi que le temps d'acquisition des spectres et d'améliorer le contrôle en intensité du faisceau laser. Nous décrivons également les options retennues pour assurer un contrôle en température du gaz au niveau du ppm. Sur le plan thèorique, notre expérience nécessite une analyse très poussée de la forme de raie. Une partie de ce travail de thèse est dinc consacrée à l'exposé des solutions retenues pour améloirer la technique d'analyse des données. Grace à l'ensemble de ces développements, nous sommes parvenus à réduire d'un ordre de grandeur l'incertitude statistique sur la mesure de k(B) par spectroscopie laser par rapport à la première expérience. Enfin, nous proposons plusieurs voies d'amelioration pour parvenir à notre objectif final, une mesure de k(B) au niveau du ppm

Titre traduit

Measurement of the Boltzmann constant by laser spectroscopy : towards a redefinition of the kelvin

Résumé

We detail an experiment developed in the HOTES group whose aim is the measure of the Boltzmann constant, k(B), by laser spectroscopy. The principle of this method consists in recording the linear absorption profile in a vapour of ammonia at a controlled and measured temperature T. The Boltzmann constant is deducted from the width at half maximum of the recorded profile. A first measure of k(B) by this technique has already been carried out by our group with a fractional uncertainty of 1. 9x 10 (-4). In this document, we describe how we modified and improved rthe experimental set up in order to reduce noise, reduce acquisition time of spectra and improve the laser intensity control. We also detail how we managed to monitor gas temperature at the ppm level. From a theoretical perspective, our experiment requireds a very thorough analysis of the line shape. Part of this work is thus devoted to the description of the techniques used to improve the analysis process. With all these improvements, we managed to reduce 10 times the statistical uncertainty of k(B) measured by spectroscopy compared to the first experiment. Finally, we propose several ways to achieve our ultimate goal, a measure of k(B) at the ppm level