Développement et caractérisation d’un réfractomètre de type Fabry-Perot pour la mesure de la pression d’un gaz

Development and characterization of a Fabry-Perot refractometer for gas pressure measurement

• Auteur / Autrice : Amazigh Rezki
• Direction : Marc Himbert, Cécile Guianvarch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, nanosciences et métrologie. Milieux dilués et optique
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCM - Laboratoire commun de métrologie LNE Cnam - Laboratoire Commun de Métrologie LNE-Cnam
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Chassagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Himbert, Cécile Guianvarch, Luc Chassagne, Roberto Gavioso, Vincent Roncin, Bertrand Dubus, Jean-Pierre Wallerand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roberto Gavioso, Vincent Roncin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recherche

Matériaux

Mots clés libres

Réfractivité

Interféromètre Fabry-Perot

Coefficients du viriel

Métrologie des pressions

Thermodynamique

Capteur opto-Acoustique

Refractivity

Fabry-Perot interferometer

Virial coefficients

Pressure metrology

Thermodynamics

Opto-Acoustic sensor

Résumé

Ce mémoire traite du développement et de la caractérisation d’un réfractomètre de type Fabry-Perot à simple cavité fonctionnant à 532 nm, conçu pour la mesure de la pression de gaz purs entre 100 Pa à 100 kPa. L’objectif de ce nouvel instrument est d’améliorer les meilleures capacités actuelles de mesurage réalisées en France par des méthodes conventionnelles basées sur la mesure d’une force appliquée sur une surface. Dans un premier temps, les principes fondamentaux de la réfractométrie sont rappelés, en détaillant les relations entre la réfractivité d’un gaz pur, sa densité molaire et sa pression thermodynamique. Les valeurs des coefficients du viriel de densité et de réfractivité du gaz ainsi que leurs incertitudes ont été extrapolées à la longueur d’onde et température de travail du réfractomètre développé au LNE-Cnam. Après une description détaillée de la cavité Fabry-Perot, les mesures de ses paramètres intrinsèques et leurs incertitudes (coefficient de dilatation thermique, coefficient de déformation mécanique, dérive à long terme et intervalle spectral libre) sont présentées. Elles permettent de corriger les erreurs sur la mesure de pression liées aux déformations subies par la cavité pendant la procédure de mesure. Les méthodes de contrôle de la température au millikelvin, de la stabilisation de la pression du gaz ainsi que la procédure permettant de limiter les effets thermiques liés à la détente-compression du gaz sont exposées. Une caractérisation métrologique de l’instrument a permis d’établir un budget d’incertitude complet et d’identifier les améliorations à apporter pour atteindre le niveau d’incertitude des références nationales autour de la pression atmosphérique et les surpasser pour des pressions plus basses. La reproductibilité des mesures a été évaluée à 2,7 ppm. Une comparaison avec une balance de pression de référence PG7607 entre 30 kPa à 100 kPa montre un écart relatif inférieur à 8 ppm, qui est plus faible que les meilleures incertitudes actuelles. Enfin, cette thèse explore une application innovante de la réfractométrie pour la mesure de pression acoustique dans la gamme infrasonore, permettant ainsi d’établir une continuité entre les mesures de pression statique et acoustique, qui fait défaut à l’heure actuelle.

This thesis deals with the development and characterization of a single-cavity Fabry-Perot refractometer operating at 532 nm, designed to measure the pressure of pure gases between 100 Pa and 100 kPa. The aim of this new instrument is to improve on the best current measurement capabilities obtained in France by conventional methods based on the measurement of a force applied to a surface. First, the fundamental principles of refractometry are reviewed, detailing the relationships between the refractivity of a pure gas, its molar density and its thermodynamic pressure. The values of gas density and refractivity virial coefficients and their uncertainties have been extrapolated to the working wavelength and temperature of the refractometer developed at LNE-Cnam. After a detailed description of the Fabry-Perot cavity, measurements of its intrinsic parameters and their uncertainties (coefficient of thermal expansion, pressure-induced distortion coefficient, long-term drift and free spectral range) are presented. They make it possible to correct pressure measurement errors due to cavity deformations during the measurement procedure. Methods for controlling millikelvin temperature, stabilizing the gas pressure as well as limiting the thermal effects of gas expansion and compression are described. A metrological characterization of the instrument makes it possible to establish a complete uncertainty budget, and to identify the improvements needed to reach the level of uncertainty of the national references around atmospheric pressure and exceed them for lower pressures. Measurement reproducibility is assessed at 2.7 ppm. A comparison with a PG7607 reference pressure balance between 30 kPa and 100 kPa shows a relative deviation of less than 8 ppm, which is lower than the best current uncertainties. Finally, this thesis explores an innovative application of refractometry for measuring acoustic pressure in the infrasound range, enabling continuity between static and acoustic pressure measurements which is still missing nowadays.