Caractérisation physico-chimique de surface des étalons de masse - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

Caractérisation physico-chimique de surface des étalons de masse

Résumé

Today the kilogram is the only remaining base units of the International System of Units (SI) still defined by a material artefact. Known as the international prototype of the kilogram, it is a cylinder made from the alloy 90% platinum, 10% iridium and its mass is defined to be exactly 1 kg. This prototype (as well as all other artefact mass standards) is, despite precautions, exposed to many contamination sources which lead to changes in its mass. The present definition is thus problematic for both the long-term stability and the universality of the unit of mass. For this reason, new lines of research are attempting to link the unit of mass to a fundamental constant of physics. These experiments could lead to a new definition. The French watt-balance project was launched in 2000 with the goal of linking the unit of mass to the Planck constant. A number of technical problems must be addressed. In particular, there will be severe constraints on the artefact mass standard used for the transfer. This artefact will be in the fringing field of a magnetic circuit delivering an induction of 1 T. Consequently, it must be made of a material not only having the smallest possible volumetric magnetic susceptibility (of the order of 10-5) but must also possess the other material properties that are indispensable to the best artefact mass standards (good hardness, high density, homogeneity,...). Certain alloys such as gold-platinum or certain other materials such as pure iridium might satisfy these criteria. In order to evaluate the performance characteristics of new materials, platinum-iridium was chosen as the reference alloy. To understand why the mass of an artefact may change with time, taking into account its surface characteristics as well as the conditions of its cleaning and storage, a number of experimental techniques must be used. These include: methods to determine surface roughness, spectroscopic methods to characterize surface contaminants and gravimetric tests of mass stability. Within the framework of these research tasks, we use techniques already available at the Institut National de Métrologie such as: a mirage-effect apparatus for studying adsorption of cleaning solvents, an optical roughness meter to study polishing techniques and a 100 g mass comparator for determining the mass stability after cleaning. In addition to these, a new device was developed to apply the technique of Thermo Desorption Mass Spectrometry to the study of physisorbed contaminants.
Le kilogramme reste encore aujourd'hui la seule des sept unités de base du Système International (SI) définie par un étalon matériel appelé le prototype international du kilogramme. Ce prototype est un cylindre constitué d'un alliage de platine iridié (90%Pt-10%Ir) faisant par définition 1 kg exactement. Ce prototype ainsi que tout autre étalon de masse sont exposés à de nombreuses sources de contamination faisant évoluer leur masse malgré les précautions mises en oeuvre. Cette définition pose donc le problème de la pérennité et de l'universalité de l'unité de masse. C'est pourquoi de nouvelles pistes de recherche essayent de relier l'unité de masse à une constante physique fondamentale. Ces expériences pourraient conduire à une nouvelle définition. Ainsi, depuis 2000, le projet français de la balance du watt a été lancé afin de relier l'unité de masse à la constante de Planck. Parmi les options retenues pour réaliser le dispositif expérimental, le choix du matériau de la masse de transfert est particulièrement important puisque celle-ci sera très proche d'un circuit magnétique délivrant une induction de 1 T. Par conséquent, ce matériau doit non seulement avoir une susceptibilité magnétique volumique la plus faible possible (de l'ordre de 10-5) mais aussi présenter toutes les propriétés indispensables aux matériaux de la métrologie des masses (bonne dureté, forte masse volumique, alliage homogène,...). Certains alliages comme l'or-platine ou des matériaux comme l'iridium pourraient satisfaire ces critères. Afin de comparer les « performances »de ce nouveau matériau, le platine iridié a été choisi comme alliage de référence. Pour comprendre les mécanismes d'évolution de la masse en tenant compte de l'état de surface, du nettoyage et des conditions de conservation de ces étalons, il est indispensable de caractériser l'état de surface par des méthodes rugosimétriques, d'évaluer la stabilité par des méthodes de comparaisons de masse, et de caractériser les contaminants de surface par des méthodes spectrométriques. Dans le cadre de ces travaux de recherche, nous avons utilisé des techniques déjà présentes au sein de l'Institut National de Métrologie comme la technique de l'effet mirage pour l'étude de l'adsorption de solvants de nettoyage, un rugosimètre optique pour caractériser l'état de surface et le polissage, un comparateur de masse de 100 g pour étudier la stabilité après nettoyage mais aussi un nouveau dispositif de Spectrométrie de masse de Thermodésorption pour l'étude des molécules physisorbées.
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Dates et versions

tel-00011235 , version 1 (19-12-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00011235 , version 1

Citer

Zaccaria Silvestri. Caractérisation physico-chimique de surface des étalons de masse. Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an]. Conservatoire national des arts et metiers - CNAM, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011235⟩

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