la mÉtrologie - au coeur des nouvelles technologies

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 |


■ 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 |


■ 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 |


■ 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


■ 10

Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |


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 |


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 !


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 !


■ 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 %.


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 |


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


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


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

http://www.bipm.org/metrologie/electricity-magnetism/

http://www.bipm.org/metrologie/time-frequency/

■ 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 |


■ 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 |


■ 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 |


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 |


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 !


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)


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 |


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 |


24e réunion de la CGPM (2011)

■ 40 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |


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.


■ 44 Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |

CIPM


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/

http://kcdb.bipm.org/



■ 47


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 |


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


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

http://www.champagne-ardenne.drire.gouv.fr/surete/nuc-chooz.jpg

http://hautcotentin.free.fr/mer/construction/photo/redoutmerg.jpg

■ 51

Des domaines émergents :

la nanométrologie

Conférence " LIST : 12:0 " | 06/11/2014 |

Métrologie


■ 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

la mÉtrologie - au coeur des nouvelles technologies

Documents