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Séminaires CEA LIST 12:0 6 novembre 2014 Bruno CHAUVENET [CEA LIST]
LA MÉTROLOGIE au cœur des nouvelles technologies
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
LA MÉTROLOGIE est et a toujours été au cœur des nouvelles technologies
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
■ 3 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Plan
Métrologie : définition
De l’importance de partager les mêmes unités
De l’importance d’évaluer correctement les incertitudes
Histoire de la métrologie en 5 planches
A système international, organisation internationale
Le SI et son avenir
La diffusion du SI
La métrologie des rayonnements ionisants en 1 planche
Des domaines émergents : la nanométrologie
Conclusion
■ 4
Métrologie : Définition
« Science de la mesure
associée à l’évaluation de son incertitude »
(Académie des sciences)
Metro- ; du grec « metron » : mesure
Un résultat de mesure comporte trois éléments :
1. la valeur numérique obtenue
2. l’unité de mesure (choisie dans le Système International)
3. l’incertitude qui quantifie le doute sur la mesure
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
■ 5
De l’importance de partager les mêmes unités
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Métrologie : Définition
■ 6
Mars Climate Orbiter (1999)
Logiciel Lockheed :
Poussée des micro-propulseurs
exprimée en livre-force.seconde
Logiciel Jet Propulsion Laboratory :
Données interprétées en newton.seconde
Une livre-force équivaut à 4,448 newtons
Erreur logiciel: facteur 4,448
Erreur de trajectoire et destruction
de la sonde de la NASA
Coût : US$ 125 M
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Problème d’unités…
■ 7
1983, Air Canada vol 143 :
Confusion dans les unités de masse :
kg / livre impériale (pound) = 0,454 kg
entre pilotes et équipe d’avitaillement
lors du remplissage des réservoirs.
Sous-estimation de la quantité de carburant nécessaire :
panne à 12 000 m, à mi-chemin du voyage.
Atterrissage d’urgence sur une ancienne base (Gimli)… pas de victimes.
Addendum : le copilote s’appelait Maurice Quintal…
1999, Cargo Korean Air vol 6316 :
Confusion d’altitude à 1500 ??:
Instructions données en mètres par la tour de contrôle
Le copilote pense que l’information est donnée en pieds (455 m)
Le pilote entame une descente brutale pour se ramener à cette altitude...
8 morts, 40 blessés
« Gimli Glider »
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Problème d’unités…
■ 8
Erreur médicale dans un CHU : le médecin condamné à
six mois de prison avec sursis
Jeune femme transportée aux urgences après avoir ingéré un demi-flacon
d'un produit anxiolytique.
Le médecin qui la prend en charge commet une erreur de lecture
des résultats venant du laboratoire.
Il ne voit pas que la patiente est en hypoglycémie.
Le laboratoire utilisait une unité de mesure différente de celle de l'hôpital.
Plongée de la patiente dans un coma profond, état végétatif.
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Problème d’unités…
■ 9 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Le Temps Universel Coordonné
Origine : besoin de cohérence dans les horaires de chemin de fer qui se développent dans le seconde moitié du fin du XIXème siècle
1891 : Adoption de l'heure de Paris (et non de Greenwich) comme heure légale en France
A l’initiative des Etats-Unis (1882), volonté de jeter les bases d’une normalisation de l’heure sur l’ensemble du globe.
1884 : adoption du méridien de Greenwich comme méridien de référence et mise en place progressive du système des fuseaux horaires En France : diffusion progressive de l’heure de Paris dans les provinces, via les chemins de fer (heure du chemin de fer = heure de Paris, décalée de 5 minutes pour les voyageurs retardataires !)
1911 : « Alignement » de la France sur le méridien de Greenwich, soit un décalage de 9 minutes et 21 secondes (après 20 ans de résistance), et fin de l’heure du chemin de fer
1978 : légalisation en France d’un nouveau temps international, le temps universel coordonné, fondé sur le temps atomique et connecté à la rotation de la Terre
Problème d’unités…
■ 10
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Métrologie : Définition
De l’importance d’évaluer correctement
les incertitudes
■ 11
Attribuer une valeur à l’incertitude permet :
de quantifier la qualité du résultat du mesurage,
de vérifier que des résultats peuvent être conformes à une loi
physique,
de se prononcer sur la compatibilité de plusieurs résultats,
d’avoir une information suffisante en vue d’une prise de décision, ...
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Problèmes d’incertitude
Important (pour les managers) :
l’évaluation de l’incertitude permet d’adapter au plus juste
(ni trop, ni trop peu)
les moyens mis en œuvre (équipements, personnel)
pour atteindre l’objectif recherché
■ 12
Le boson de Higgs enfin découvert !
Le boson de Higgs, une particule clef du modèle
standard dont l’existence était postulée depuis les
années 1960, a été mis en évidence au LHC, le
Grand collisionneur de hadrons du CERN,
avec une probabilité de 99,999 943 pour cent.
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Problèmes d’incertitude
Existence d’une nouvelle particule : intervalle de confiance de 5 s
■ 13 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Raiola et al. 2007* : Réduction de la période
de radionucléides se désintégrant par
transition a à basse température.
Vérification expérimentale : diminution de la
période de 210Po de (6,3 ± 1,4) % en passant
de 300 K à 12 K.
* F. Raiola et al., Physical Journal A—Hadrons and Nuclei, 32 (2007), pp. 51–53
Incertitudes de mesure de l’expérience de Raiola probablement sous-évaluées,
conduisant à une fausse conclusion… et à une fausse théorie pour l’étayer.
Gros impact médiatique avec en vue la réduction des déchets nucléaires…
Expérience reprise au LNHB en 2009,
incluant une évaluation fine des
incertitudes… et a conclu à l’absence
d’effet de la température !
Problèmes d’incertitude
Importance d’une bonne évaluation des incertitudes de mesure en physique
■ 14 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Importance d’une bonne évaluation des incertitudes de mesure en physique
Raiola et al. 2007* : Réduction de la période de
radionucléides se désintégrant par transition
alpha à basse température.
Vérification expérimentale : diminution de la
période de 210Po de (6,3 ± 1,4) % en passant
de 300 K à 12 K.
* F. Raiola et al., Physical Journal A—Hadrons and Nuclei, 32 (2007), pp. 51–53
Incertitudes de mesure de l’expérience de Raiola probablement sous-évaluées,
conduisant à une fausse conclusion… et à une fausse théorie pour l’étayer.
Gros impact médiatique avec en vue la réduction des déchets nucléaires…
Expérience reprise au LNHB en 2009,
incluant une évaluation fine des
incertitudes… et a conclu à l’absence
d’effet de la température !
Problèmes d’incertitude
■ 15 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Importance de l’incertitude sur les doses de rayonnement délivrées en radiothérapie
Recommandation : délivrance de la dose à la tumeur avec une incertitude inférieure à 5 %
voire dans certains cas à 3,5 %.
Problèmes d’incertitude
Relative gradient of the dose-effect curve
- for tumour local control : Δ75/50 ~ 10-20 %
- for normal tissue reaction : Δ50/25 ~ 4-10 %
Dommage au niveau des tissus sains :
courbe similaire et proche, en fonction
de la dose, de celle du contrôle de la
tumeur, mais plus pentue.
Réparation des tissus sains plus rapide que celle des tissus tumoraux : fractionnement
■ 16 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Problèmes d’incertitude
Relative gradient of the dose-effect curve
- for tumour local control : Δ75/50 ~ 10-20 %
- for normal tissue reaction : Δ50/25 ~ 4-10 %
Importance de l’incertitude sur les doses de rayonnement délivrées en radiothérapie
Dommage au niveau des tissus sains :
courbe similaire et proche, en fonction
de la dose, de celle du contrôle de la
tumeur, mais plus pentue.
Réparation des tissus sains plus rapide que celle des tissus tumoraux : fractionnement
Recommandation : délivrance de la dose à la tumeur avec une incertitude inférieure à 5 %
voire dans certains cas à 3,5 %.
■ 17 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Spécifications radiochimiques (exploitant, ASN) : mesure requise des activités suivantes du
circuit primaire, pouvant mettre en évidence le défaut d'étanchéité d'au moins un crayon
combustible :
• activité des gaz de fission (somme des gaz en xénon et en krypton)
• activité des composants iodés (équivalent iode131)
Fonctionnement du réacteur sans limitation :
activité gaz rares < 150 GBq/t
et activité en équivalent I-131 < 4 GBq/t
Mise sous surveillance accrue,
fonctionnement en suivi de réseau interrompu
activité gaz rares entre 150 GBq/t et 500 GBq/t,
ou activité en équivalent I-131 comprise entre 4 GBq/t et 20 GBq/t
Arrêt sous 48 h
activité gaz > 500 GBq/t ou activité en équivalent I-131 > 20 GBq/t
Problèmes d’incertitude
Suivi du fonctionnement des réacteurs nucléaires :
contrôle radiochimique de l’eau du circuit primaire
Quand
arrêter ?
■ 18 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Spécifications radiochimiques (exploitant, ASN) : mesure requise des activités suivantes du
circuit primaire, pouvant mettre en évidence le défaut d'étanchéité d'au moins un crayon
combustible :
• activité des gaz de fission (somme des gaz en xénon et en krypton)
• activité des composants iodés (équivalent iode131)
Fonctionnement du réacteur sans limitation :
activité gaz rares < 150 GBq/t
et activité en équivalent I-131 < 4 GBq/t
Mise sous surveillance accrue,
fonctionnement en suivi de réseau interrompu
activité gaz rares entre 150 GBq/t et 500 GBq/t,
ou activité en équivalent I-131 comprise entre 4 GBq/t et 20 GBq/t
Arrêt sous 48 h
activité gaz > 500 GBq/t ou activité en équivalent I-131 > 20 GBq/t
Problèmes d’incertitude
Suivi du fonctionnement des réacteurs nucléaires :
contrôle radiochimique de l’eau du circuit primaire
Quand
arrêter ?
■ 19
Histoire de la métrologie en 5 planches
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Aperçu historique
■ 20 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Depuis l’antiquité, des unités basées sur des données anthropomorphiques
… de préférence impériales ou royales !
Aperçu historique
■ 21
Aperçu historique
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Systèmes plus ou moins uniformes selon les époques
et le degré de centralisation ou d’organisation des Etats ou Empires.
Désordre et incohérence des unités introduites par les pouvoirs locaux (seigneuries).
Malgré les tentatives d’unification par plusieurs rois, plus de 700 unités différentes en
France avant la Révolution.
la toise = 6 pieds
la canne = 10 palmes
etc…
Masse
Livre poids-de marc Aix 408,51 g
Livre poids-de marc
Calais
509,53 g
Livre de Charlemagne 367,128 g
Livre de Paris 489,505 85 g
Longueur
Pied-de-roi Rouen 270,7 mm
Pied-de-roi Calais 341,8 mm
Pied de Paris 324,839 416 7 mm
Canne Provence 2005,2 mm
Canne Troyes 792 mm
■ 22
Le système métrique décimal, une invention révolutionnaire
… pour faciliter les échanges commerciaux
1791 : Basé sur une mesure universelle : le mètre
défini comme le 10-7 x ¼ du méridien terrestre
(Borda, Condorcet, Laplace, Lagrange et Monge)
1795 : Institution du Système métrique décimal
définition de l’étalon de masse (kg) à partir de l’eau
Méridien mesuré par Delambre et Méchain
1799 : Réalisation des étalons prototypes définitifs
1840 : Système métrique obligatoire (loi du 4 juillet 1837)
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Aperçu historique
■ 23 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Diffusion des étalons pour les utilisateurs
(transactions commerciales)
Aperçu historique
1er mètre étalon
(Etienne Lenoir)
■ 24 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Genèse du système
métrique décimal
en France
- Signature de la
convention du mètre
(17 Etats)
- Création du BIPM
3 unités :
m, kg, s Prototypes
internationaux
du mètre et du
kilogramme
Création du
système
international
d’unités (SI)
Aperçu historique
1791-1795 1875 1889 1946 1954 1960 1969 1971 1975 1999
1ère CGPM 11ème CGPM
SI : MKSA
+ kelvin,
candela
Coordination de
métrologie française :
création du BNM
Unités
dérivées du SI
pour les RI :
Bq, Gy
à la place du
Ci et du rad
Succès international
croissant :
nécessité d’internationaliser
le système métrique
SI :
+ mole
MKSA
14ème CGPM
Signature du
CIPM MRA
+ K,
candela
■ 25
A système international,
organisation internationale
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
■ 26
Organisation internationale
Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) – Pavillon de Breteuil (Sèvres)
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
“assurer au niveau mondial, l’uniformité des mesures
et leur traçabilité au système international”
“...l’absence d’uniformisation des unités est une source d’erreur et facilite la
fraude dans les transactions commerciales. ”
« Le CIPM MRA répond au besoin accru de disposer d'un dispositif ouvert,
transparent et global capable de fournir aux utilisateurs des informations quantitatives et fiables sur l'équivalence des services de métrologie nationaux, et d’offrir un fondement technique à des accords plus larges négociés dans
le cadre du commerce, du négoce et des règlements internationaux. »
■ 27
LNE-LNHB
BIPM / CCRI
PTB Allemagne
NPL GB
… NIST Etats-Unis
NMSIA Afrique
du Sud
VNIIM
Russie
EURAMET
Le BIPM assure avec les INM, l’équivalence et la reconnaissance mutuelle des
étalonnages traçables au SI dans le monde.
Organisation internationale
Comités consultatifs du CIPM:
Organisations métrologiques
régionales (RMO)
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
- Acoustique, ultrasons et vibrations
- Chimie et biologie
- Électricité et magnétisme
- Longueurs
- Masses et grandeurs apparentées
- Photométrie et radiométrie
- Rayonnements ionisants
- Temps et fréquences
- Thermométrie
- Unités
■ 28
Les laboratoires
4 Laboratoires Nationaux de Métrologie (LNM)
+ 6 Laboratoires Associés (LA)
LNE –Trappes / Maxwell
CNAM-Saint Denis/Landy
LNHB
CEA-Saclay
SYRTE
Observatoire
de Paris
Depuis 2005, la métrologie française est pilotée par le LNE
(anciennement par le BNM)
Organisation nationale
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
■ 29
Missions : une métrologie ou des métrologies ?
Métrologie scientifique ou fondamentale : mise en œuvre et
amélioration du SI : chargée de définir les unités de mesure, de les
réaliser, de les conserver et de les disséminer (étalons nationaux ou
internationaux);
Métrologie industrielle: transfert vers les utilisateurs (industriels,
commerçants, et tous les utilisateurs de moyens de mesure…) via des
moyens d’étalonnage;
Métrologie légale : correspond à une des missions régaliennes de l'Etat
qui consiste à assurer la fiabilité et la stabilité des mesures à usage
commercial ou réglementaire, et de prévenir les fraudes. La métrologie
est alors un outil de régulation économique.
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Organisation nationale
■ 30
Le SI et son avenir
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
■ 31 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
Nom Symbole
mètre m
kilogramme kg
seconde s
ampère A
kelvin K
mole mol
candela cd
Nouvelles unités dérivées :
En parallèle avec l’évolution de la technologie et des régulations
(santé, sécurité, droit du travail, etc.)
Anciennes unités :
calorie ->joule (1 cal= 4,1855 J) 1 J = 1 W.s = 1 N.m = 1 kg m2.s-1.
Unité d’activité radioactive : curie (1 g 226Ra) becquerel (1 désintégration par seconde)
1 Ci = 3,7 1010 Bq
Unités de base
Unités dérivées :
N, Pa, J, W, Hz,..
lm, lx, …
V, C, F, H, Wb, T, …
Bq, Gy, Sv, …
…
■ 32
La définition des unités évolue grâce aux avancées techniques et
scientifiques, pour améliorer l’exactitude avec laquelle l’unité peut être
réalisée et répondre aux besoins de précision accrue résultant de la mise
en œuvre de nouvelles technologies.
La seconde
Premières définitions :
1799-1960 : la seconde est définie comme la fraction 1 / 86400 du jour solaire moyen.
1960-1967 : la seconde est définie comme la fraction 1 / 31 556 925,9747 de l’année tropique pour 1900
janvier 0 à 12 h de temps des éphémérides (utilisation du mouvement orbital de la Terre autour du Soleil).
Développement de la physique atomique, techniques optiques, lasers,
horloges atomiques
Définition actuelle de la seconde (1967-)
La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les
deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133.
Définition du mètre (1960-1983)
Le mètre est la longueur égale à 1 650 763,73 longueurs d’onde dans levide de la radiation
correspondant à la transition entre les niveaux 2p10 et 5d5 de l’atome de krypton 86.
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
■ 33
Développement de la mécanique de précision au 18ème siècle :
Mise au point du chronomètre de marine : mesure de la longitude avec une précision
suffisante pour développer la navigation en haute mer (commerce, marine de guerre).
John Harrison, lauréat du Longitude Act : loi du parlement britannique
de 1714 offrant un prix de 20 000 livres à celui ou celle qui
trouverait une méthode simple et sûre pour permettre la détermination
de la longitude d'un navire en pleine mer.
Développement des satellites et des horloges atomiques à la fin du
20ème siècle … et théorie de la relativité générale :
Mise au point du Global Positioning System (GPS) (USA).
Projet GALILEO (Union européenne) en cours.
Précision de quelques mètres.
Effets de la relativité générale sur les horloges embarquées :
avance de qq dizaines de ms/jour par rapport aux horloges au sol.
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
■ 34
Développement de la micro-électronique
et des applications des phénomènes quantiques
Métrologie électrique quantique
L’effet Josephson alternatif inverse et le volt
Tension alternative de fréquence fa appliquée aux bornes de la jonction
supraconductrice par irradiation hyperfréquence : synchronisation du courant
de paires de Cooper avec cette fréquence (et ses harmoniques) et apparition
d’une tension continue V aux bornes de la jonction.
Apparition de marches de tension à des multiples entiers
de la valeur V = (h / 2e) f dans les caractéristiques courant-tension.
= Convertisseur tension-fréquence de très haute précision
Valeur de KJ = 2e/h (constante de Josephson) : KJ-90= 483 597,9 GHz/V « exactement »
avec comme date d'application le 1er janvier 1990. (18ème CGPM)
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
Réseaux de jonctions Josephson
■ 35
Développement de la micro-électronique
et des applications des phénomènes quantiques
Métrologie électrique quantique
L’effet Hall quantique et l’ohmques
L’effet Hall quantique (EHQ) apparaît dans un gaz d'électrons bidimensionnel
soumis à un champ magnétique perpendiculaire (en pratique réalisé à l'interface
d'une hétérostructure AlGaAs/GaAs ou au niveau du canal Drain-Source
d'un MOSFET Silicium).
A basse température (~1,5 K) et sous fort champ magnétique, la résistance de Hall
définie par la quantité RH = VH/I prend les valeurs quantifiées RH = RK/i, i est un entier
et théoriquement RK = h/e².
Valeur de KR (constante de von Klitzing) : KR-90= 25 812,807 W « exactement »
avec comme date d'application le 1er janvier 1990. (18ème CGPM)
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
Etalon de Hall connecté
sur son support en
céramique
■ 36 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Le kilogramme est la dernière unité de base
du SI “matérialisée”… mais cela va changer
car il prend (ou perd) du poids en vieillissant !
Système International d’unités
Les masses matérialisées par les copies du prototype sont
fournies par le BIPM avec une incertitude de 2 µg (2.10-9)
Variation de 50 µg en 100 ans
Le kilogramme est égal à la
masse de l’étalon en platine
iridié conservé au BIPM depuis
1889.
■ 37 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Une solution : la balance du Watt
Unité de masse Constante de Planck (avec incertitude espérée de qq 10-8)
Système International d’unités
Fz = B.l .I = P = m.g
Phase dynamique :
ε = - dΦ/dt = - B.l . (dz/dt) = - B.l .v
Relation entre puissances mécanique et électrique
mgv= ε.I = ε.V / R
Mesures de vitesse,
accélération de la pesanteur
et de masse à 10-9 près
Mesures métrologie électrique quantique :
• V = n1f1 / KJ (comparaison à dispositif à jonctions Josephson)
• R = k RK / i (comparaison à dispositif EHQ)
• ε = n2f2 / KJ (comparaison à dispositif à jonctions Josephson)
ε.V / R = n1f1 n2f2 i / k KJ2 RK
mgv = A / KJ2 RK = A h /4
m / h = A / 4gv
Phase statique :
■ 38 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
Premier étalon relié à la valeur d’une constante fondamentale (1983):
le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde. La célérité de la lumière dans le vide, c, est posée par définition égale à 299 792 458 m/s. Mise en pratique : longueurs d'onde de 12 radiations recommandées émises par des lasers ou des lampes spectrales et incertitudes associées spécifiées dans la mise en pratique de la définition du mètre.
Aboutissement de la démarche de dématérialisation :
redéfinition du SI à partir de constantes fondamentales
■ 39
le kilogramme restera l'unité de masse mais son amplitude sera déterminée en fixant la
valeur numérique de la constante de Planck à exactement 6,626 06X ×10-34 lorsqu'elle
sera exprimée en m2 kg s-1, unité du SI égale au joule seconde, J s
l'ampère restera l'unité de courant électrique mais son amplitude sera déterminée en fixant
la valeur numérique de la charge élémentaire à exactement 1,602 17X ×10-19 lorsqu'elle
sera exprimée en s A, unité du SI égale au coulomb, C
le kelvin restera l'unité de température thermodynamique mais son amplitude sera
déterminée en fixant la valeur numérique de la constante de Boltzmann à exactement
1,380 6X ×10-23 lorsqu'elle sera exprimée en m2 kg s-2 K-1, unité du SI égale au joule par
kelvin, J K-1
la mole restera l'unité de quantité de matière d'une entité élémentaire spécifique, c'est-à-
dire un atome, une molécule, un ion, un électron, ou toute autre particule ou groupe
particulier de telles particules, mais son amplitude sera déterminée en fixant la valeur
numérique de la constante d'Avogadro à exactement 6,022 14X ×1023 lorsqu'elle sera
exprimée en unité du SI, mol-1
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
24e réunion de la CGPM (2011)
■ 40 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Système International d’unités
Liens entre les unités et les constantes fondamentales
Incertitudes valables dans des conditions optimales…
s m 1x10-15
3x10-7
1x10-12
kg
cd
mol
K
A
9x10-8
2x10-9
1x10-4
2x10-9
e
Exact
h
c
9x10-8
2x10-7
NA 2x10-7
k
2x10-8
Exact
Exact Exact
Exact
■ 41
La diffusion du SI :
les unités sont-elles partout et toujours
les mêmes ?
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
■ 42
Définir les unités, c’est nécessaire
mais c’est insuffisant :
Il faut les diffuser auprès des utilisateurs
(industrie, santé, commerce, …)
- en minimisant les erreurs
- en le leur garantissant .
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Chaîne métrologique
■ 43 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Transfert vers les utilisateurs et traçabilité
Mesurer c’est comparer une grandeur inconnue à une référence dont la
traçabilité est établie dans le cadre du Système International
La référence peut être :
une unité,
une procédure de mesure,
un matériau de référence,
un étalon
Traçabilité métrologique : propriété d’un résultat de mesure selon laquelle ce
résultat peut être relié à une référence par l’intermédiaire d’une chaîne
ininterrompue et documentée d’étalonnages dont chacun contribue à
l’incertitude de mesure.
Chaîne métrologique
■ 44 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
CIPM
Chaîne métrologique
internationale
■ 45
BNM -
LNHB
AIST (e
x-ETL)
NRCCPM
HPTB
BARCBEV
BIPM
CIEM
AT
CNEA
ENEAIF
IN
IRA -
met
as
IRM
M
KRISS
LNM
RINIM
NPL
P3KRBIN
- Bat
an RCCM
I
SMU
VNIIM
560
580
600
620
Arithmetic mean of the activity concentration : 582.0 Bq/mg; u = 1.4 Bq/mg
1 %
Trial comparison
Results of the full-scale international comparison of activity measurements of a solution of 152
Eu
CIEMAT/NIST method LS-bg coincidence counting
4pPC coincidence counting LS-bg counting with computer discrimimination
4pPPC coincidence counting g-counting with calibrated Ionizing Chamber
4pPC(b,e,x)-g coincidence counting g-counting with Ge detectors
4pg with well-type NaI(Tl)-detectors 4pPPC-g-S 4p CsI(Tl) well-type NaI(Tl) g
Act
ivity
co
nce
ntr
atio
n
/ (B
q/m
g)
Laboratory
Chaine métrologique
internationale
Comparaisons internationales : la garantie que les étalons
nationaux sont cohérents au niveau international
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
I 1 %
■ 46 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Chaine métrologique
internationale
MRA : Les résultats des comparaisons sont accessibles à tous
sur le site web du BIPM (Key Comparison Data Base) : http://kcdb.bipm.org/
■ 47
Chaîne métrologique
nationale
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
LNE-LNM Mesures primaires
Etalons nationaux et/ou primaires
Laboratoires d’étalonnages accrédités Etalons secondaires / Mesures secondaires
Laboratoires d’étalonnages
non accrédités Etalons de travail / Equipement de mesure
Utilisateurs / Industriels
incertitude
Chaîne de traçabilité métrologique : succession d’étalons et d’étalonnages qui
est utilisée pour relier un résultat de mesure à une référence
■ 48 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Chaîne métrologique
nationale
0,5 % 1,5 % 3 à 4 %
Mesure primaire :
Méthode TDCR
Mesure secondaire:
Chambre d’ionisation Utilisateur : activimètre
Domaine médical: besoins des utilisateurs proches des meilleures mesures possibles
Hôpital
Activité du 18F
■ 49
La métrologie des rayonnements ionisants
en 1 planche
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Métrologie
et rayonnements ionisants
■ 50 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Métrologie
et rayonnements ionisants
SANTE
• Radiothérapie
• Radiodiagnostic
• Médecine nucléaire
• Radioprotection
INDUSTRIE NUCLEAIRE
ENVIRONNEMENT
DEFENSE
RECHERCHE
• Etalons de radioactivité (activité, en becquerel) et dosimétriques (dose
absorbée et kerma, en gray) : instruments/méthodes de mesure permettant
d’étalonner des sources de rayonnement permettant d’étalonner des
instruments de mesure, etc…
• Des domaines d’application « traditionnels »
mais qui peuvent évoluer rapidement
et nécessiter de nouveaux étalons adaptés
Exemple : la radiothérapie
■ 51
Des domaines émergents :
la nanométrologie
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Métrologie
et rayonnements ionisants
■ 52 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
■ 53
Nouveaux matériaux (composites, nanostructurés, nanoparticules, …)
Besoins de mesures qualitatives et quantitatives
La nanométrologie (1980) est l'ensemble des techniques visant à mesurer
diverses dimensions du monde des nanomatériaux.
Nanométrologie dimensionnelle en France « la science et la pratique de la mesure des
dimensions caractéristiques d’objets, des distances et des déplacements dans la gamme allant
de 1 nm à 1000 nm (?) »
De nouveaux défis à ces échelles :
Adapter les moyens de mesure (dimension, température, propriétés électriques, etc…)
Mesure perturbation de l’échantillon ?
Etalons ?
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
La métrologie évolue avec la technologie et les
besoins industriels et sociétaux
■ 54
Études menées par le LNE
Développement d’instrumentation
Plate-forme CARMEN dédiée à la CARactérisation MEtrologique des Nanomatériaux
Mesures dimensionnelles par Microscopie à Force Atomique : AFM métrologique
Mesures de nanoparticules en suspension aérosol : NANOAEROSOLS
Développement de biocapteurs
Développement de protocoles de référence
Caractérisation de nanoparticules en suspension dans l'air : projet VAMAS
Une approche européenne commune pour les essais réglementaires sur les
nanomatériaux : NANoREG
Soutien aux industriels et aux pouvoirs publics ->
(LNE, Universités, industriels)
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
■ 55
Couches minces - nanostructures
Matériaux semi-conducteurs inorganiques (Ge, InGaAs, GaN, etc.)
Différents résultats selon les techniques besoin de traçabilité
Analyse par fluorescence X
SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) Extra Low-Energy
etc.
Type d’analyses :
Profil élémentaire Analyse chimique aux interfaces Métrologie 3D par SIMS Profil des impuretés Caractérisation nano-électrique
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
■ 56
Études menées par le LNHB :
• Techniques d’analyse par spectrométrie de photons X
• Les outils : sources de rayonnement X monochromatiques
SOLEX
gamme d'énergie 1 - 20 keV
Ligne de métrologie du synchrotron SOLEIL
ligne X-durs : 3 keV - 35 keV
ligne X-UV : 50 eV – 1,9 keV
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
Goniomètre « Castor » du LNHB
■ 57 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
■ 58 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Analyse par fluorescence X sous incidence rasante (GIXRF)
Sans matériau de référence (« reference free »)
-> Besoin des paramètres atomiques
- Coefficients d’atténuation (probabilité d’interaction)
- Rendements de fluorescence (probabilité d’émission de photons X)
Exemple du germanium :
Coefficients d’atténuation au-dessus du seuil K
Incertitude relative < 1 %
Nanométrologie
■ 59
Cu (Energie de liaison K à 8,98 keV)
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
NEXAFS
EXAFS
Comparaison LNHB-PTB: Cu – K et Cu-L
GIXRF (grazing-incidence x-ray fluorescence) : Le balayage en angle d’incidence permet d’analyser la répartition des éléments en fonction de la profondeur. NEXAFS (near-edge x-ray absorption fine structure) : Le balayage en énergie autour du seuil d’absorption d’un élément d’intérêt permet de connaître l’état des liaisons chimiques. Combinaison des 2 techniques : caractérise au mieux les interfaces dans les systèmes multicouches
■ 60
European Metrology Research Programme (EMRP)
(EMPIR en 2014)
But de l’EMRP: inovation et compétitivité en Europe
Thèmes : SI, industrie, environnement, santé, nouvelles techologies
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 | http://www.emrponline.eu/
Exemples de projets en cours :
IND07 : « Thin Films »
Metrology for the manufacturing of thin films
NEW01 : « TReND»
TRaceable characterisation of Nanostructured Devices
ENG53 : « ThinErgy »
Traceable characterisation of thin-film materials for energy applications
Nanométrologie
■ 61
Retombées des projets EMRP :
Mise au point / amélioration de nouvelles méthodes
Collaboration avec le PTB Bessy (Berlin)
Partenariat industriel (TReND : LETI, ...)
Informations disponibles sur site web*
Publications
Workshops (avec sessions de formation)
Symposium international : ALTECH2014 - Analytical techniques for the
characterisation of nanomaterials
Cadre : European Materials Research Society
26-30 Mai 2014 - Lille, France
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
Nanométrologie
* http://www.emrponline.eu/
■ 62
La métrologie : une science d’aujourd’hui au service de l’industrie,
du commerce et de la société (santé, environnement)
Permanence de l’évolution avec les développements scientifiques et
industriels
Nouveaux défis avec les bio-technologies et les nanomatériaux
Enjeux et retombées :
Industrie,
Énergie,
Économie,
Environnement,
Santé publique.
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
CONCLUSION
■ 63
Derniers mots à Terry Quinn,
ancien Directeur, et Directeur Emeritus, du BIPM
interviewé par « Le Monde ».
«La métrologie est la science de la mesure.
Nous avons l’obsession de faire les choses correctement.»
Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |
« Le retraité actif ne comprend d’ailleurs pas pourquoi, dans un
domaine aussi stratégique que la métrologie, la France diminue ses
budgets alors que ses voisins les augmentent. »
CONCLUSION
MERCI DE VOTRE ATTENTION