Thèse Année : 2024

Towards a hybrid electrostatic/atomic accelerometer for future space missions : study of rotation impact on a cold atom interferometer and mitigation strategy

Vers un accéléromètre hybride électrostatique/atomique pour les futures missions spatiales : étude de l'impact de la rotation sur l'interféromètre à atomes froids et réduction de cet impact

Noémie Marquet
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1490962
  • IdRef : 282630104

Résumé

Space gravimetry missions aim to determine the Earth gravity field with great accuracy. The data gathered are very useful in the sciences of climatology, hydrology or geophysics and to understand global climate change. These missions board state-of-the-art space electrostatic accelerometers displaying a very good sensitivity but also a long-term drift. By combining an electrostatic accelerometer with a very stable cold atom accelerometer, the correction of this drift is possible. Such accelerometers principle relies on atomic interferometry and one of the difficulties of space measurements is the interferometer contrast loss due the satellite rotation around the Earth. In this work, we experimentally implemented a method to limit the impact of rotation of the interferometer with an original setup. The hybrid lab prototype is the combination of an electrostatic accelerometer and a cold atom interferometer. The proof-mass of the electrostatic accelerometer, very well controlled in angle and position, is employed as an actuated retro-reflection mirror for the interferometer. The method tested to limit the rotation impact, consists in the rotation of the retro-reflection mirror to keep the direction of measurement constant during the interferometer. With the rotation compensation method, a contrast recovery up to 99% was demonstrated. Moreover, the impact of such a method on the phase shift bias was also measured and confronted to models. With an accurate model, the phase shift bias can be corrected from the measurement. Lastly, a study of the expected performances of a rotation compensated atom accelerometer boarded on a satellite was conducted. Under the considered hypothesis, the rotation should lead to an acceleration uncertainty of 7 x 10⁻¹⁰ ms⁻ ² for a 1 s interrogation time.
Le but des missions spatiales de gravimétrie est de mesurer le champ de gravité avec une grande précision. Les données récoltées sont utilisées en sciences du climat, en hydrologie, en géophysique et pour mieux comprendre le réchauffement climatique. Ces missions embarquent actuellement des accéléromètres électrostatiques avec une grande sensibilité mais dérivant à long terme. Cette dérive peut être corrigée en recalibrant l'accéléromètre électrostatique avec un accéléromètre à atomes froids ayant une plus importante stabilité. De tels accéléromètres utilisent l'interférométrie atomique pour mesurer l'accélération et une des difficultés de la mesure spatiale est la chute de contraste de l'interféromètre à cause de la rotation du satellite autour de la Terre. Dans cette étude, nous avons mis en place expérimentalement une méthode pour limiter l'impact de la rotation sur l'interféromètre. Le dispositif expérimental est la combinaison d'un accéléromètre électrostatique et d'un interféromètre à atomes froids. La masse d'épreuve de l'électrostatique est employée comme miroir de rétro-réflexion pour l'interféromètre et est très bien contrôlée selon les six dégrées de liberté de l'espace. La méthode utilisée pour limiter l'impact de la rotation consiste à tourner le miroir pour garder la direction de mesure constante pendant l'interféromètre. Avec cette méthode de compensation de la rotation, 99% du contraste a été récupéré. De plus, la phase de l'interféromètre causée par la rotation a été mesuré et modélisée. Avec un modèle fiable, cette phase supplémentaire peut être corrigée de la mesure. Finalement, les performances attendues d'un accéléromètre atomique compensé de la rotation à bord d'un satellite ont été étudiées. Avec les hypothèses choisies, la rotation serait à l'origine d'une incertitude de 7 x 10⁻¹⁰ ms⁻ ² sur la mesure de l'accélération pour un temps d'interrogation de 1 s.
Fichier principal
Vignette du fichier
135455_MARQUET_2024_archivage.pdf (9.53 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04890953 , version 1 (16-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04890953 , version 1

Citer

Noémie Marquet. Towards a hybrid electrostatic/atomic accelerometer for future space missions : study of rotation impact on a cold atom interferometer and mitigation strategy. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Paris-Saclay, 2024. English. ⟨NNT : 2024UPASP169⟩. ⟨tel-04890953⟩
0 Consultations
0 Téléchargements

Partager

More