Un gravimètre à aimant flottant opérant à température ambiante
La mesure de la gravité ou des variations du champ gravitationnel intéresse la recherche fondamentale, comme dans le cas du test du principe d’équivalence masse inertielle-masse gravitationnelle ou la détermination de la constante gravitationnelle. Mais elle apparaît comme cruciale dans de nombreuses applications, comme la prédiction des éruptions volcaniques, le suivi des tremblements de terre et la détection de matériaux sous terre ou sous mer.
Il existe deux grandes catégories de gravimètres, les gravimètres absolus, qui mesurent directement g en suivant un objet en chute libre et les gravimètres relatifs qui mesurent les variations locales de l’accélération gravitationnelle, par exemple en détectant la variation de fréquence d’un oscillateur mécanique dépendant de g, tel un pendule.
Pour atteindre de fortes sensibilités, on a utilisé des gravimètres relatifs supraconducteurs à lévitation magnétique dont malheureusement tant la taille que l’exigence de très basses températures ont rendu difficile, sinon impossible, leur usage à l’extérieur.
Des chercheurs des Universités de Nanjing, de Hefei, et de Zhejiang, Hangzhou, China ont réussi à développer un gravimètre miniaturisé utilisant la lévitation magnétique comme les gravimètres supraconducteurs mais fonctionnant à la température ambiante et présentant une très faible dérive avec le temps.
Le dispositif expérimental
Le système utilisé est un oscillateur mécanique constitué d’un petit aimant d’une masse de 215 mg soumis à l’attraction d’un aimant plus gros fixé au-dessus et à celle, vers le bas, de la gravité (Fig. 1A). La force résultante agissant sur l’aimant flottant est nulle. Les lois de l’électromagnétisme interdisant à un tel système d’être en équilibre stable, on crée un piège magnétique dans la direction z en rajoutant deux plaques de graphite pyrolytique diamagnétique l’une au dessous, l’autre au dessus de l’aimant flottant. La petite répulsion existant entre le petit aimant et les plaques de graphite permet à celui-ci d’osciller de façon stable dans la direction verticale z.
Ce gravimètre opère dans une région de basse fréquence inférieure à la fréquence de résonance ω0 de l’oscillateur. En réglant la distance entre les 2 plaques diamagnétiques de graphite, on arrive à obtenir une fréquence de résonance aussi basse que 1 Hz. En ajoutant un bloc de graphite autour de l’oscillateur, on augmente les fréquences de résonance selon les directions x et y, ce qui supprime les mouvements de l’oscillateur selon x et y.
La Fig. 1(b) schématise le système de détection du déplacement de l’aimant en lévitation. On mesure ainsi la position de l’extrémité d’un fil de cuivre collé à l’aimant : un faisceau laser de longueur d’onde 333 nm est guidé par une fibre optique vers une lentille le focalisant sur le fil de cuivre, il aboutit à un photodétecteur. La Fig.1(c) montre la courbe de réponse du voltage en fonction du déplacement pour ce montage. Il existe un intervalle de déplacement dans la direction z de 2 µm pour’ lequel cette courbe est linéaire.
Le système de détection du déplacement est fixé sur des platines piézoélectriques agissant selon les directions x et y. A l’aide de celles-ci, on peut rester dans la région linéaire pour mesurer le déplacement.
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L’aimant flottant constitue un oscillateur harmonique selon l’axe z. On montre que, dans une région de fréquence ω au-dessous de celle ω0 de la résonance, le déplacement z est proportionnel à l’accélération et inversement proportionnel à ω02. En diminuant cette dernière grâce aux plaques de graphite, on augmente la sensibilité.
Avec ce dispositif, on atteint pour l’accélération une sensibilité de 15 µGal/√Hz à 1 Hz (1 Gal = 1m/s2 ) avec une dérive de seulement 61 µGal par jour.
L’aimant en lévitation est sensible au couple et à la force dus au champ magnétique et à son gradient. D’où l’utilisation de blindages magnétiques . Cela ne suffisant pas, on utilise un magnétomètre pour mesurer les variations du champ magnétique extérieur et en tirer les corrections nécessaires.
Fig.1 Schéma du gravimètre magnétique à lévitation
a) Le micro-oscillateur (masse 215 mg) magnétique en lévitation est placé dans un cadre en aluminium. Une enceinte à vide et des isolants thermiques permettent la régulation de la température via un thermomètre et un élément chauffant ccommandés par un .contrôleur Proportionnelle,Intégrale et Dérivée.
b) Schéma de la détection du déplacement de l’aimant selon l’axe z. Le faisceau laser est focalisé par une lentille sur le fil de cuivre. L’ensemble est posé sur un positionneur piézoélectrique.
c) La courbe de réponse du détecteur optique en fonction de la position de l’extrémité du fil de cuivre présente une excellente linéarité entre z= -1µm et z= 1µm.
Tiré de Measurement of the Earth Tides with a Diamagnetic-Levitated Micro-Oscillator at Room Temperature Yingchun Leng, Yiming Chen, Rui Li, Lihua Wang, Hao Wang, Lei Wang, Han Xie, Chang-Kui Duan, Pu Huang , and Jiangfeng Du
PHYSICAL REVIEW LETTERS 132, 123601 (2024) Avec autorisation
La figure suivante montre des photographies de l’appareillage qui mettent en évidence sa compacité et sa faible taill
 Fig.2. Photographies du montage expérimental |
Ce dispositif permet de mesurer les marées terrestres avec une grande sensibilité alors que, jusqu’ici, ce n’est qu’avec les gravimètres à supraconducteurs que l’on pouvait y arriver.
En mesurant les marées terrestres avec cet instrument, les physiciens ont pu déterminer sa sensibilité à l’accélération qui est de 15 μGal/√Hz. (Le gal, de symbole Gal, est une unité pratique d’accélération égale à 1 cm/s2 {(donc à 0,01 m/s2}). Sa dérive temporelle n’est que de 61µGal par jour. Cela permet la surveillance de la densité du sous-sol, la prévision de phénomènes naturels comme les tremblements de terre et la détection de poches minérales aquatiques ou gazeuses dans le sous-sol..
Pour fixer les idées, une masse de minerai d’une densité de 2 tonnes/m³ et ue taille de 20x20x20 m³ située à 84 m de profondeur peut être détectée en une seconde.
Les scientifiques envisagent de miniaturiser encore plus leur gravimètre en remplaçant l’aimant d’attraction par des micro-bobines sur circuit imprimé pour le réduire ainsi à la taille d’une puce électronique.
Ce dispositif est actuellement en avance sur les techniques existantes; il est doté d’une forte sensibilité avec une grande stabilité temporelle et il ne demande ni cryogénie ni fabrication délicate.
Pour en savoir plus :
-Measurement of the Earth Tides with a Diamagnetic-Levitated Micro-Oscillator at Room Temperature,
Yingchun Leng, Yiming Chen, Rui Li, Lihua Wang, Hao Wang, Lei Wang, Han Xie, Chang-Kui Duan, Pu Huang , and Jiangfeng Du
PHYSICAL REVIEW LETTERS 132, 123601 (2024)
-Gravity Measurement Based on a Levitating Magnet, Mark Buchanan
Physics 17, 48, March 22, 2024
