Syrte

SNO Gravimétrie

Merlet Sebastien — 2020-10-08T21:29:32Z

Le SNO comprend 2 composantes principales : 1) une contribution aux services scientifiques internationaux de l'AIG (Association Internationale de Géodésie), y compris le Bureau Gravimétrique International (BGI) et le International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS), et 2) le suivi des réseaux d'observations : le Réseau permanent gravimétrique (RPG) et les Réseaux répétés gravimétriques (RRG). Le SNO est coordonné par l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA).


SNO gravimétrie: Localisation des stations des gravimètres supraconducteurs participants au SNO.
crédits: http://igets.u-strasbg.fr/SG_france.php

L'International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS) a été créé en 2015 par l'Association internationale de géodésie. L'IGETS poursuit les activités du Projet de géodynamique mondiale (GGP) entre 1997 et 2015 afin d'apporter un soutien aux activités de recherche Géodésique et Géophysique utilisant les données des gravimètres supraconducteurs (SG) dans le cadre d'un réseau international. Dans le cadre de ce réseau, la station de Trappes (code TR) a été créée en 2013 par le LNE-SYRTE (DOI tr005 : http://doi.org/10.5880/igets.tr.l1.001).

Les données gravimétriques du LNE-SYRTE sont accessibles sur la base nationale du SNO (http://igets.u-strasbg.fr/SG_france.php) et internationale IGETS (http://isdc.gfz-potsdam.de/igets-data-base/) hébergée par l'ISDC (Information System and Data Centre) au GFZ en Allemagne.

De plus, le laboratoire est également équipé d'une antenne GNSS (Global Navigation Satellite Systems) permanente LNE1 appartenant au RENAG doi :10.15778/resif.rg de l'infrastructure de recherche nationale Epos-France (ex RESIF) qui est la contribution française à l'infrastructure de recherche européenne EPOS.

Publications

S. Merlet, N. Le Moigne, G. Pajot-Métivier, J-D. Bernard, F. Littel, J-P. Boy, S. Rosat, G. Gabalda, L. Seoane, S. Bonvalot, C. Champollion, A. Mémin, M. Maia and O. Charade
"French Gravimetry Organization and its Instrumental Park"
IEEE Instrumentation & Measurement Magazine vol.27, no. 6, pp. 24-31, (2024)

M. Diament, G. Lion, G. Pajot-M etivier, S. Merlet and S. Déroussi
"The AQG-B Absolute Quantum Gravimeter : A Promising Sensor for Volcano Monitoring"
IEEE Instrumentation & Measurement Magazine vol.27, no. 6, pp. 17-23, (2024)

Gravimétrie

Merlet Sebastien, Pereira Franck — 2015-04-03T10:34:56Z

Objectif

Dans le projet de balance de Kibble (anciennement balance du watt), g doit être déterminé au centre de la masse impliquée dans la mesure. Il est donc nécessaire de transférer la valeur absolue de g donnée par le gravimètre atomique à la position de cette masse. Pour assurer ce transfert, nous caractérisons les variations de gravité dans les deux salles voisines dans lesquelles sont disposées les deux expériences.

Laboratoires

Deux massifs en béton identiques (6 m × 5,5 m × 2 m) ont été construits dans ces salles spécialement conçues pour la métrologie. Ils sont ancrés dans des couches stables du sous-sol (sables de Fontainebleau) par des pieds de 12 m de long. Cette structure permet de garantir la stabilité des expériences et agit comme un filtre passe-bas pour les vibrations.


Laboratoires: Salles et massifs de la balance du watt (BW) et de gravimétrie (GR). Les points noirs sont destinés à accueillir d'autres gravimètres absolus que le gravimètre atomique pour effectuer des comparaisons.


Spectres de bruit de vibration: Spectre du bruit d'accélération mesuré sur le massif (en bleu) et à côté du massif (en noir). Le bruit de vibration est réduit sur le massif pour les fréquences supérieures à 20 Hz. Le spectre en rouge représente le bruit sur le massif la nuit.

Cartographie

Sur ces massifs, nous avons réalisé une cartographie de la gravité en 3 dimensions à l'aide d'un gravimètre relatif Scintrex CG-5. Basée sur cette cartographie, nous avons développé un modèle du champ de gravité local permettant de connaître les différences de gravité entre les différents points des deux salles avec une incertitude de 3 µGal (1 µGal = 10^-8 m.s^-2).


Modèle horizontal de gravité: Différences de gravité sur les massifs, relativement au pont central du massif dédié à la gravimétrie (GR), calculé à 52 cm du sol.

Suivi de la gravité sur le site

Le suivi de la stabilité du site est réalisé régulièrement en remesurant les écarts de gravité entres les points non occupés du laboratoire ainsi qu'à l'aide des mesures continues d'un second gravimètre relatif mis en place en 2013. Ce dernier instrument est un gravimètre supraconducteur iGrav. Il a été étalonné par le gravimètre atomique. Sa faible dérive (<2 µGal/an) permet de plus de vérifier le bon fonctionnement du gravimètre atomique, notamment entre deux déplacements, et de s'affranchir des modèles de variations de gravité pour l'étude du gravimètre absolu. Il permet enfin de délivrer un signal continu, référencé par l'absolu, aux mesures de la constante de Planck réalisées avec la balance du watt.


Salle de gravimétrie et ses instruments: Gravimètres du LNE-SYRTE sur le massif GR. Premier plan : CG5, second plan : gravimètre atomique, au fond : gravimètre supraconducteur iGrav.


Etalonnage du facteur d'échelle du gravimètre supraconducteur iGrav: Le signal du gravimètre supraconducteur est en rouge, il est ici déjà transformé en µGal, celui du CAG est en noir. La différence des deux signaux est représentée en gris.

Signal continu pour la détermination de la constante de Planck

La dernière détermination de la constante de Planck avec la balance de Kibble du LNE a eu lieu au printemps 2017 (M. Thomas et al. Metrologia 54 (2017) 468-480). Ce résultat a été pris en compte lors de la révision du SI et notamment du kilogramme, qui a eu lieu en 2018.


Variations de {g} autour de sa valeur moyenne durant la détermination de la constante de Planck avec la balance de Kibble du LNE au printemps 2017: La session de mesure de la constante de Planck est encadrée par les repères verts, le signal de l'iGrav (noir) est étalonné par le signal du CAG (rouge). Le résidu du signal de l'iGrav est représentée en bleu

Publications

M. Thomas, D. Ziane, P. Pinot, R. Karcher, A. Imanaliev, F. Pereira Dos Santos, S. Merlet, F. Piquemal and P. Espel
"A determination of the Planck constant using the LNE Kibble balance in air"
Metrologia 54, 468 (2017)

M. Thomas, P. Espel, D. Ziane, P. Pinot, P. Juncar, F. Pereira Dos Santos, S. Merlet, F. Piquemal and G. Genevès,
"First determination of the Planck constant using the LNE watt balance"
Metrologia 52, 433-443 (2015)

S. Merlet, P. Gillot, T. Farah, Q. Bodart, J. Le Gouët, P. Cheinet, C. Guerlin, A. Louchet-Chauvet, N. Malossi, A. Kopaev, O. Francis, G. d'Agostino, M. Diament, G. Genevès, A. Clairon, A. Landragin et F. Pereira dos Santos
"Détermination de l'accélération de la pesanteur pour la balance du watt du LNE"
Revue Française de Métrologie 36, 11-27 (2014)

Z. Jiang, et al.
"On the gravimetric contribution to the redefinition of the kilogram"
Metrologia 50, 452-471 (2013)

O. Francis, et al.
"The European Comparison of Absolute Gravimeters 2011 (ECAG-2011) in Walferdange, Luxembourg : results and recommendations"
Metrologia 50, 257-268 (2013)

Z. Jiang, et al.
"The 8th International Comparison of Absolute Gravimeters 2009 : the first Key Comparison (CCM.G-K1) in the field of absolute gravimetry"
Metrologia 49, 666-684 (2012)

Z. Jiang, V. Pálinkás, O. Francis, P. Jousset, J. Mäkinen, S. Merlet, M. Becker, A. Coulomb, K. U. Kessler-Schulz, H. R. Schulz, Ch. Rothleitner, L. Tisserand and D. Lequin
"Relative Gravity Measurement Campaign during the 8th International Comparison of Absolute Gravimeters (2009)"
Metrologia 49, 95-107 (2012)

G. D'Agostino,S. Merlet, A. Landragin and F. Pereira Dos Santos
"Perturbations of the local gravity field due to mass distribution on precise measuring instruments : a numerical method applied to a cold atom gravimeter"
Metrologia 48, 299-305 (2011)

S. Merlet, A. Kopaev, M. Diament, G. Geneves, A. Landragin et F. Pereira Dos Santos
"Micro-gravity investigations for the LNE watt balance project"
Metrologia 45, 265, (2008)

G. Genevès, P. Gournay, A. Gosset, M. Lecollinet, F. Villar, P. Pinot, P. Juncar, A. Clairon, A. Landragin, D. Holleville, F. Pereira Dos Santos, J. David, M. Besbes, F. Alves, Luc Chassagne and S. Topçu
"The BNM Watt Balance Project"
IEEE transaction on Instrumentation and Measurement 54, 850-853, (2005)
©2005 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE.

Gravimètre à atomes froids

Merlet Sebastien, Pereira Franck — 2015-02-25T21:21:30Z

Principe de fonctionnement

Le gravimètre absolu repose sur des techniques d'interférométrie atomique avec des atomes froids. Dans un premier temps, quelques 10⁸ atomes sont capturés dans un piège magnéto-optique. Les atomes sont refroidis à une température de l'ordre du µK, avant d'être relâchés. Pendant leur chute libre, ils sont soumis à une série de trois impulsions laser, qui séparent et recombinent les paquets d'onde atomique. Finalement, le déphasage entre les deux bras de l'interféromètre, qui est proportionnel à g, est déduit de la mesure de l'état atomique en sortie de l'interféromètre.


Schéma du gravimètre atomique: Un PMO-3D est chargé à partir d'un PMO-2D. A l'extinction du PMO-3D, les atomes chutent, l'interféromètre est alors réalisé à l'aide des faisceaux Raman verticaux. En sortie d'interféromètre les populations dans les deux états atomiques sont mesurées par la détection symétrique. L'enceinte à vide est entourée de blindages magnétique, l'ensemble repose sur une plateforme d'isolation passive.


Photographie du dispositif avec ses blindages semi ouverts: A droite, on trouve le PMO-2D, qui charge le PMO-3D situé dans la partie supérieure de l'enceinte. Dans la partie inférieure de l'enceinte, on distingue les deux systèmes optiques de détection (noirs).

Mobilité

Depuis la fin de sa réalisation, la mobilité du gravimètre nous a permis de participer aux deux comparaisons clef organisées sous l'égide du CIPM : au BIPM, à Sèvres, en 2009 puis au Luxembourg en 2013. Ces comparaisons ont conforté l'exactitude annoncée du gravimètre. Entre ces évènements internationaux, nous avons participé à trois autres comparaisons dont une comparaison européenne au Luxembourg et deux dans notre laboratoire au LNE Trappes et nous avons également effectué les premières mesures d'interféromètre atomique au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit à Rustrel, dans le cadre de l'Equipex MIGA. Nous y avons obtenu une sensibilité de 10^-8 g en une seconde de mesure sans plateforme d'isolation.


Gravimètre atomique complet lors d'un déplacement: Au premier plan, le gravimètre dans ses blindages ; au second plan, le banc optique et l'électronique de contrôle. Les dimensions sont indiquées en cm.

Mesures longues en continu

La figure suivante présente les fluctuations du signal mesurées par le gravimètre durant un mois de mesures en continu, en 2015. Cette possibilité de mesurer les variations de gravité de manière absolue en continu est un point fort du dispositif et est particulièrement utile pour les sessions de mesure de la balance du watt.


Mesure continue de la variation de l'accélération de la pesanteur: Haut : Fluctuations de la mesure de g enregistrées par le gravimètre durant un mois en 2015. Bas : Le résidu, différence du signal du CAG et du signal du gravimètre supraconducteur iGrav est représenté en gris.

Sensibilité de mesure

La sensibilité de notre instrument est limitée par les vibrations parasites. Nous avons mis au point une technique de réjection des vibrations originale, qui combine une isolation passive et une correction du bruit d'accélération du sol à l'aide d'une mesure indépendante réalisée avec un sismomètre très bas bruit. Cette technique nous permet d'atteindre une sensibilité de 5,7 × 10^-9 g sur une seconde, soit près d'un ordre de grandeur de mieux que ne les permettent les gravimètres absolus classiques et ce en dépit d'une distance de chute des atomes relativement faible (inférieure à 20 cm seulement). Un tel niveau de performances permet à notre gravimètre de résoudre les faibles variations temporelles de g liées aux marées luni-solaires, mais aussi les vibrations du sol liées aux ondes sismiques lors de tremblements de terre. Un exemple de sensibilité long terme correspondant à la mesure d'un mois précédente est représenté en gris sur la seconde figure. La sensibilité « plafonne » entre 2 × 10^-10 g et 4 × 10^-10 g peu après 3000 s de mesure. L'analyse sur deux jours représentés en noir sur la mesure longue, montre que l'écart type d'Allan descend jusque 6 × 10^-11 g


Sensibilité de mesure de gravimètres absolus: Ecart type d'Allan obtenus avec le gravimètre à coin de cube FG5X-216 de l'Université du Luxembourg (en bleu) et avec le gravimètre atomique du LNE-SYRTE (en rouge), en préambule à la comparaison internationale de gravimètres absolus de 2013 au Luxembourg (ICAG-2013).


Sensibilités de mesure long terme du CAG: Ecart type d'Allan obtenus à partir de la différence entre les signaux du gravimètre atomique du LNE-SYRTE sur la totalité de la mesure longue de un mois (en gris) et durant la zone de deux jours repérée en noir.

Amélioration de l'exactitude, études actuelles

L'exactitude du CAG est limitée par les défauts de fronts d'ondes des lasers réalisant les séparatrices atomiques. Pour étudier cet effet, nous avons mis en place une source atomique plus froide obtenue par évaporation pour limiter l'expansion balistique du nuage.


Piège dipolaire en préparation: Il est réalisé sur deux plaques (noir) qui se positionnent autour des blindages du gravimètre (espace en gris).


Atomes dans le piège croisé.: Imagerie des atomes refroidis dans le piège dipolaire.

Cette source nous a permis de réaliser des mesures de g différentielles pour des températures allant de 10 µK jusque 50 nK. Les résultats sont représentés sur la figure suivante. Une modélisation complète du CAG nous a permis de calculer l'impact des aberrations du front d'onde décomposées sur une base de polynômes de Zernike. L'effet de chaque polynôme a été calculé de 0 K à 10 µK et les résultats de mesures ont été ajustés par moindres carrés dans la base. Nous reconstruisons ainsi le front d'onde Raman et extrapolons la valeur de g à 0 K. Cette étude nous a permis d'améliorer d'un facteur 3 l'incertitude associée au biais des aberrations optiques. L'exactitude totale de l'instrument est depuis de 2 × 10^-9g.


Gravité pour différentes températures de sources atomiques: Mesures de gravité en fonction de la température de la source atomique. Les points bleus sont des mesures relatives par rapport à la mesure obtenue à 1,8 µK (obtenue avec une source classique). La ligne rouge est le résultat de l'ajustement avec 5 polynômes de Zernike encadrée de la zone 1sigma grisée.

Cette étude récemment publiée (R. Karcher et al New J. Phys 20 (2018) 113041) montre l'intérêt d'utiliser des atomes ultra froids dans les interféromètres atomique en chute libre. En refroidissant plus encore la source, nous comptons améliorer notre budget d'incertitude.

Publications

R. Karcher, F. Pereira dos Santos, S. Merlet
"Impact of direct-digital-synthesizer finite resolution on atom gravimeters"
Phys. Rev. A 101, 043622 (2020)

R. Karcher, A. Imanaliev, S. Merlet, F. Pereira dos Santos
“Improving the accuracy of atom interferometers with ultracold sources”
New J. Phys. 20, 113041 (2018)

A. Trimeche, M. Langlois, S. Merlet, and F. Pereira Dos Santos
“Active Control of Laser Wavefronts in Atom Interferometers”
Phys. Rev. Applied 7, 034016 (2017)

B. Cheng, P. Gillot, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“Coherent population trapping in a Raman atom interferometer”
Phys. Rev. A 93, 063621 (2016)

P. Gillot, B. Cheng, A. Imanaliev, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“The LNE-SYRTE cold atom gravimeter”
Proceedings of the 30th EFTF, York, United Kingdom, 4th-7th April 2016

B. Fang, I. Dutta, P. Gillot, D. Savoie, J. Lautier, B. Cheng, C. L Garrido Alzar, R. Geiger, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos, A. Landragin
“Metrology with Atom Interferometry : Inertial Sensors from Laboratory to Field Applications”
Proceedings of the 7th Symposium on Frequency Standards and Metrology, Postdam (Germany), 12-16 Oct. 2015,
Journal of Physics : Conference Series 723 (2016) 012049.

P. Gillot, B. Cheng, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“Limits to the symmetry of a Mach-Zehnder-type atom interferometer”
Phys. Rev. A 93, 013609 (2016)

B. Cheng, P. Gillot, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
“Influence of chirping the Raman lasers in an atom gravimeter : Phase shifts due to the Raman light shift and to the finite speed of light”
Phys. Rev. A 92, 063617 (2015)

J. Lautier, L. Volodimer, T. Hardin, S. Merlet, M. Lours, F. Pereira Dos Santos, and A. Landragin
"Hybridizing matter-wave and classical accelerometers"
Appl. Phys. Lett. 105, 144102 (2014)

S. Merlet, L. Volodimer, M. Lours, F. Pereira Dos Santos
"A simple laser system for atom interferometry"
Applied Physics B 117, 749 (2014)

T. Farah, P. Gillot, B. Cheng, A. Landragin, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos
"Effective velocity distribution in an atom gravimeter : effect of the convolution with the response of the detection"
Phys. Rev. A 90, 023606 (2014)

P. Gillot, O. Francis, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos, S. Merlet
"Stability comparison of two absolute gravimeters : optical versus atomic interferometers"
Metrologia 51, L15-L17 (2014)

T. Farah, C. Guerlin, A. Landragin, Ph. Bouyer, S. Gaffet, F. Pereira Dos Santos and S. Merlet
"Underground operation at best sensitivity of the mobile LNE-SYRTE Cold Atom Gravimeter"
Gyroscopy and Navigation 5, 266 (2014)

O. Francis, et al.
"The European Comparison of Absolute Gravimeters 2011 (ECAG-2011) in Walferdange, Luxembourg : results and recommendations"
Metrologia 50, 257-268 (2013)

Z. Jiang, et al.
"The 8th International Comparison of Absolute Gravimeters 2009 : the first Key Comparison (CCM.G-K1) in the field of absolute gravimetry"
Metrologia 49, 666-684 (2012)

A. Louchet-Chauvet, T. Farah, Q. Bodart, A. Clairon, A. Landragin, S. Merlet and F. Pereira Dos Santos
"The influence of transverse motion within an atomic gravimeter"
New Journal of Physics 13, 065025 (2011)

A. Louchet-Chauvet, S. Merlet, Q. Bodart, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos, H. Baumann, G. D'Agostino and C. Origlia
"Comparison of 3 absolute gravimeters based on different methods for the e-MASS project"
IEEE Trans. Instr. Meas. 60, 2527-2532 (2011)

©2011 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE.

S. Merlet, Q. Bodart, N. Malossi, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos, O. Gitlein, L. Timmen
"Comparison between two mobile absolute gravimeters : optical versus atomic interferometers"
Metrologia 47, L9-L11 (2010), arXiv:1005.0357

Q. Bodart, S. Merlet, N. malossi, F. Pereira dos Santos, P. Bouyer, and A. Landragin
"A cold atom pyramidal gravimeter with a single laser beam"
Applied Physics Letters 96, 134101 (2010)

Copyright 2010 American Institute of Physics. This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and the American Institute of Physics. The article may be found at http://link.aip.org/link/?APL/96/134101 .

N. Malossi, Q. Bodart, S. Merlet, T. Lévèque, A. Landragin, and F. Pereira Dos Santos
"Double diffraction in an atomic gravimeter"
Physical Review A 81, 013617, (2010)

J. Le Gouët, J. Kim, C. Bourassin-Bouchet, M. Lours, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos
"Wide bandwidth phase-locked diode laser with an intra-cavity electro-optic modulator"
Opt. Commun., 282, 977–980, (2009) arXiv:0809.3763)

S. Merlet, J. Le Gouët, Q. Bodart, A. Clairon, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos, P. Rouchon
"Operating an atom interferometer beyond its linear range"
Metrologia 46, 87–94,arXiv:0806.0164 (2009))

A. Gauguet, T. E. Mehlstäubler, T. Lévèque, J. Le Gouët, W. Chaibi, B. Canuel, A. Clairon, F. Pereira Dos Santos, et A. Landragin
"Off-resonant Raman transition impact in an atom interferometer"
Phys.Rev. A 78, 043615 (2008)

J. Le Gouët, T. E. Mehlstäubler, J. Kim, S. Merlet, A. Clairon, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos
"Limits in the sensitivity of a compact atomic interferometer"
Appl. Phys. B 92, 133–144, (2008) arXiv:0801.1270

P. Cheinet, B. Canuel, F. Pereira Dos Santos, A. Gauguet, F. Leduc, A. Landragin
"Measurement of the sensitivity function in time-domain atomic interferometer"
IEEE Trans. on Instrum. Meas. 57, 1141, (2008)

©2008 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE.

F. Pereira Dos Santos, J. Le Goüet, T. E. Mehlstäubler, S. Merlet, D. Holleville, A. Clairon, A. Landragin
"Gravimètre à atomes froids "
Revue Française de Métrologie n°13, Vol 2008-1, 33-40, (2008)

J. Le Gouët, P. Cheinet, J. Kim, D. Holleville, A. Clairon, A. Landragin, F. Pereira Dos Santos
"Influence of lasers propagation delay on the sensitivity of atom interferometers"
Eur. Phys. J. D. 44, 419-425, (2007) arXiv:0701023

P. Cheinet, F. Pereira Dos Santos , T. Petelski, J. Le Göuet, J. Kim, K.T. Therkildsen, A. Clairon and A. Landragin
"Compact laser system for atom interferometry"
Appl. Phys. B 84, 643, (2006) arXiv:0510261