Zoom in the Lab

08 - De la mesure du temps à celle des accélérations

Pour mesurer le temps, on compte les oscillations d'un résonateur.
Lorsque les variations de fréquence des oscillations sont l'effet d'une accélération, on peut mesurer cette dernière. De très nombreux appareils sont équipés de dispositifs de mesure du temps. Ils seront d'autant plus précis que leurs horloges seront stables. Mais elles doivent aussi rester robustes, compactes, et pourtant peu coûteuses. C'est en s'attaquant à ce défi que des chercheurs de l'Onera ont su également retourner la situation et développer des dispositifs de mesures inertielles.

La mesure du temps est l'une des plus fascinantes qui soit. C'est la grandeur que l'on sait estimer le plus précisément, puisque la seconde est connue avec une précision de quelques femtosecondes (millionième de milliardième de seconde). De nombreux dispositifs exploitent des mesures de temps, comme le système de positionnement GPS par exemple, dont la précision dépend notamment de la stabilité des horloges embarquées. C'est pourquoi, afin d'améliorer la précision de ces dispositifs, des recherches sont menées pour développer des horloges encore plus simples et robustes. Certains domaines comme l'aéronautique ont besoin de systèmes insensibles aux perturbations de l'environnement, surtout celles dont il est impossible de se protéger comme l'accélération.

 
Réalisation monobloc et usinage chimique collectif des accéléromètres ONERA assurent la performance requise à faible coût de fabrication.

" C'est en cherchant à comprendre les mécanismes régissant l'influence des accélérations sur les horloges à quartz, et surtout comment en réduire les effets que nous avons compris comment, au contraire, les exacerber et en faire alors des capteurs inertiels ", expose François Deyzac, responsable de l'unité capteurs et microtechnologie de l'Onera. Les capteurs inertiels vibrants (accéléromètres) développés à l'Onera exploitent la sensibilité de résonateurs à quartz comme ceux des horloges. " Nous avons d'abord réalisé un dispositif de qualité très moyenne, mais parfaitement adapté aux contraintes de réalisation industrielle. Puis nous avons fait évoluer les performances jusqu'à dépasser les objectifs initiaux ", raconte Olivier LeTraon. Le principe de cet accéléromètre est le même que celui d'une corde qui vibre : si l'on modifie la tension de la corde, la fréquence change. De même, on fait vibrer un cristal de quartz de forme choisie. Le quartz a d'excellentes propriétés mécaniques, qui sont surtout très stables au cours du temps. Comme il est en plus piézoélectrique, une vibration constante est entretenue à l'aide du courant électrique. Il suffit de mesurer les variations de fréquence pour en déduire l'accélération. " Nous avons développé une méthode de fabrication du capteur à faible coût, qui ne comporte qu'une étape d'usinage chimique et aucun assemblage ", précise Denis Janiaud " car dès le départ, nous avions intégré les contraintes de réalisation industrielle ".

Un accéléromètre ONERA prêt à l'emploi.

Parallèlement, la même équipe s'était attaquée aux horloges atomiques, toujours dans le même souci à la fois de mieux comprendre les mécanismes de sensibilité à l'environnement et de réduire les coûts et les dimensions. Ces horloges utilisent des transitions entre niveaux d'énergie d'atomes qui sont extrêmement régulières. La définition officielle de 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 ". Mais ces horloges atomiques sont encombrantes et onéreuses. " Dans une même démarche que pour les horloges à quartz, visant à la réduction des dimensions et des coûts, il est apparu intéressant d'utiliser des atomes refroidis : ils sont moins agités, et leur vitesse est donc plus homogène. Cela amène une meilleure précision dans la mesure du temps pour un dispositif de taille donnée. On pourrait donc fabriquer des horloges plus petites qui gardent une bonne précision ", explique François Deyzac.

L'utilisation de lasers est nécessaire pour refroidir les atomes. Mais les diodes lasers les plus courantes commercialement ont une longueur d'onde de 1500 nanomètres, alors qu'une longueur d'onde deux fois plus courte est nécessaire pour les horloges atomiques. L'équipe a donc utilisé des cristaux non linéaires pour doubler la fréquence et atteindre ainsi la longueur d'onde souhaitée. " Nous travaillons aussi à optimiser le refroidissement des atomes, en menant des simulations des pièges magnéto-optiques dans lesquels ils sont ralentis.". Enfin, autre parallèle avec les horloges à quartz, les principes mis en oeuvre dans les horloges à atomes froids peuvent être utilisés pour en faire des dispositifs inertiels. L'équipe s'est donc lancée dans l'étude d'un gravimètre à atomes froids, mais c'est une autre histoire...

© Dassault Aviation
Les accéléromètres équipent les centrales inertielles des engins comme les avions de combat, les sous-marins, les drones...
Ces centrales sont des aides précieuses à la navigation car elles offrent un positionnement relatif très précis, intermédiaire aux relevés de position absolue (GPS, amers, etc.)