Mise en Oeuvre d`une Télé-Séance de TP de Physique Nucléaire

SETIT 2009
th
5 International Conference: Sciences of Electronic,
Technologies of Information and Telecommunications
March 22-26, 2009 – TUNISIA
Mise en Oeuvre d’une Télé-Séance de TP de
Physique Nucléaire "Rétrodiffusion de Particules α"
Abdellah AIT TALEB*, Ahmed FAHLI* et Mohamed MOUSSETAD**
*Laboratoire de recherches subatomique et applications
Département : Physique Faculté des Sciences Ben M’Sik, Casablanca
Université Hassan II-Mohammedia - Casablanca
[email protected]
[email protected]
**Laboratoire d'Elaboration et d'Analyse des Matériaux et des Couches Minces
Département : Physique Faculté des Sciences Ben M’Sik, Casablanca
Université Hassan II-Mohammedia - Casablanca
[email protected]
Résumé: Ce travail présente la mise en œuvre d’un ensemble de moyens matériels et logiciels utilisés pour la
réalisation d’une manipulation en physique via le web en vue de créer un laboratoire de travaux pratiques à distance.
Pour cette raison, nous avons choisi de mettre en ligne une expérience modèle dans le domaine des interactions matière
rayonnement appelé : Rétro diffusion des particules α (La célèbre expérience de Rutherford). Cette expérience est déjà
mise au point et elle est opérationnelle.
Mots clés: Retrodiffusion des particules, télé laboratoire, physique, travaux pratiques en ligne, serveur web,
PIC16F687.
des ressources humaines et matérielles souvent
limitées.
INTRODUCTION
Ce concept d’expérimentation à distance qui
repose sur une architecture permettant l’exploitation
des ressources d’un laboratoire réel distant, de
manière
flexible,
présente
de
nombreux
avantages pédagogiques et logistiques très importants.
Le télé laboratoire est un environnement
informatique distribué et flexible qui permet à un
apprenant de réaliser des expériences en interagissant
avec de vrais dispositifs qui sont des instruments et /
ou des mécanismes réels distants, à travers une
plateforme de télécommunications appropriée, dotée
d'un système de gestion dédié et d'un certain nombre
d'interfaces logicielles et matérielles.
Ce travail constitue le noyau d’un grand projet
intitulé : Mise en place d’un Réseau de Télé
Laboratoires pour Formation d’Ingénieurs et
Assimilés.
Le développement de telles installations est
motivé par la nécessité de proposer un enseignement
pratique à un nombre croissant d’étudiants, malgré
Le défi majeur dans ce projet c’est la conservation
des avantages opérationnels et pédagogiques de
-1-
SETIT2009
l’expérience ; ce qui nécessite un degré d’interaction
suffisant par l’implantation de solutions avancées
liées aux nouvelles technologies de l’information et
de la communication qui assureront la perception de
l’environnement et de l’évolution de l’expérience.
L’interface utilisateur via Internet est choisie comme
support de communication.
Il est constitué d’une enceinte cylindrique qui
enferme, sous un vide primaire, une source de
particules α, une cible sous forme d’un film
métallique et un détecteur à semi-conducteur.
1. Critères de choix de l’expérience:
Le choix de la manipulation «Rétrodiffusion des
particules α » est justifié par le fait qu’elle contient
un certain nombre d’opérations nécessaires pour la
plus part des expériences à distance. Elle demande
l’utilisation :
- d’une chaîne de mesure constituée par un
capteur (détecteur à semi-conducteur), d’un étage
d’amplification et de mise en forme et d’un étage de
comptage.
- d’une chaîne de commande et de contrôle des
paramètres de l’expérience, dans notre cas, un
chronomètre pour la gestion des intervalles de mesure
et un système électromécanique (actionneur), avec son
étage de puissance, pour la commande de l’angle de
rotation du support d’une source radioactive.
Figure 1. Eléments constituants de l’expérience
La source et la cible sont dotées d’un degré de
liberté en rotation. A l’aide de deux poignées
accessibles de l’extérieur, l’opérateur peut faire varier
l’angle de projection de la source par rapport à la
cible. Pour mesurer le nombre de coups reçus par le
détecteur, pendant une durée déterminée, l’opérateur
utilise un compteur. Après plusieurs relevés à
différents angles d’incidence, l’opérateur, et après le
traçage des courbe, et l’utilisation des formules
théoriques, peut déduire le nombre atomique Z de la
cible.
- d’un serveur, qui doit gérer les requêtes venant
de(s) client(s) et assurer le dialogue avec les interfaces
de mesure et de contrôle. Du Côte client, le navigateur
doit, à travers des pages HTML, permettre à
l’utilisateur l’envoi des données de configuration de
l’expérience, la réception, la présentation des
résultats des mesures et le suivi du déroulement de
l’expérience à travers des interfaces vidéo.
2. Description et principe:
3. Adaptation matérielle de l’expérience:
L’expérience de la « Rétrodiffusion des particules
α » consiste à envoyer des particules α sur une feuille
mince d’or, récupérer et analyser les particules rétro
diffusées pour déterminer le numéro atomique des
atomes de la cible. Elle repose sur la diffusion
élastique des particules du faisceau incident
(interaction coulombienne) sur l'atome cible.
Pour adapter l’expérience à ce qu’elle soit
manipulable à distance, nous avons apporté des
transformations sur le matériel utilisé. Premièrement
la cible est gardée en position fixe et pour la
commande de l’angle de rotation de la source on a fait
appel à un moteur pas à pas avec son réducteur et des
capteurs de fin de course. L’ensemble est installé en
dessous de l’enceinte, et le mouvement est transmis à
travers un bras à la poignée de rotation de la source.
Pour effectuer les opérations de mesure et de
commande, on a réalisé une carte électronique à base
de microcontrôleur de la famille Microship (PIC
16F876). Ce dernier, piloté par un quartz de 20 Mhz,
réalise une base de temps pour les intervalles de
mesure et assure l’opération de comptage, de même
dans un deuxième temps, il assure la commande du
moteur pas à pas à travers d’une interface de
puissance. La carte est munie d’un afficheur à quatre
digits permettant de contrôler, en locale, les
informations reçues du serveur et les mesures
réalisées. La carte assure aussi les communications
série asynchrone avec le serveur pour la réception des
paramètres et la transmission des résultats des
mesures.
Le principe de cette technique repose sur
l'utilisation du phénomène de diffusion élastique que
subissent les particules incidentes lorsqu'elles
pénètrent dans le champ coulombien des noyaux
contenus dans la cible. L'énergie des particules
rétrodiffusées à un angle donné dépend principalement
de deux phénomènes :
- la perte d'énergie des particules lors de leur
passage dans l'échantillon (aussi bien à l'aller qu'au
retour)
qui
dépend
du
pouvoir
d'arrêt.
- la perte d'énergie des particules lors de la
collision elle-même qui dépend principalement de la
masse de l'atome cible et de celle du projectile.
La figure 1 montre le matériel utilisé pour réaliser
cette expérience en laboratoire.
-2-
SETIT2009
De plus de cette carte, une caméra IP est utilisée
pour assurer une visualisation en temps réel de
l’expérience.
Le serveur et la caméra sont connectés à Internet à
travers un routeur-commutateur. La plus grande partie
de la bande passante de la connexion est occupée par
le flux vidéo fournis par la caméra.
Internet
Routeur
+ Commutateur
Caméra
IP
Expérience
+
La partie
électromécaniq
ue
Carte
de
contrôle
Serveur
Figure 3. Synoptique de la carte de contrôle
Le cœur de la carte est un PIC 16F876 de
Microchip. Ce microcontrôleur possède un ensemble
de périphériques dans un encombrement très réduit.
Ce circuit, de plus de ses trois ports A, B et C avec 22
broches d’Entrée/Sortie, comprend Trois Timers, un
USART et d’autres modules. La figure 4 montre sa
structure interne.
Figure 2. synoptique des constituants de la télé
expérience
Le Timer0 est utilisé comme base de temps pour le
chronomètre du temps des mesures, pendant que
leTimer1, de 16 bits, est utilisé pour la fonction du
comptage des impulsions venant du détecteur. Quand
à l’USART est exploité pour la communication série
avec le serveur. Une partie du port A est utilisée pour
le multiplexage de l’affichage est des signaux de
commande du moteur pas à pas. Le port B est utilisé
pour la commande des afficheurs et du moteur pas à
pas. Une partie du port C est utilisée pour acquérir les
signaux des capteurs.
4. Développement de la partie logicielle:
Cette partie est centrée sur l’application serveur
web. Cette dernière est développée sous Visual C++,
elle assure les communications à travers des sockets
TCP/IP avec les clients. Elle reçoit les commandes et
les paramètres, nécessaires aux relevés des mesures, et
transmet les résultats obtenus. Par un autre module,
elle communique avec la carte électronique. Son
interface utilisateur permet le contrôle et le suivi des
connections clientes.
Côté client, l’application serveur, assure, à travers
un navigateur type Internet Explorer et des pages
HTML, la documentation nécessaire à l’aboutissement
de l’expérience, sous forme de rappels théoriques et
des consignes dans le mode d’emploi. Au niveau du
contrôle de l’expérience, l’utilisateur possède deux
champs pour entrer les paramètres (angle et durée de
mesure) de l’expérience. De plus sur une liste, il reçoit
les résultats des mesures à travers des requêtes XML.
Pour assurer la communication série avec le
serveur un étage d’adaptation à base de transistors est
intercalé entre les deux. Pour la mise en forme des
signaux reçus des capteurs un étage d’interfaçage est
utilisé avant d’attaquer le microcontrôleur.
Pour la commande du moteur un étage de
puissance à base du circuit HA13421, est utilisé.
L’alimentation fournit deux tensions, 5V pour
l’alimentation du PIC est des étages d’adaptation et
±12V pour l’alimentation de l’étage de puissance et
celui de la communication série.
L’interface client fourni, à travers un ActiveX, une
visualisation directe de l’expérience. Elle est
constituée de trois parties :
- Etudes fonctionnelles:
- Etude de la partie matérielle :
- Carte de contrôle :
Le schéma synoptique de cette carte est donné à la
figure 3.
-3-
SETIT2009
5.
Figure 6 Résultat final de la motorisation
5.2. Etude de la partie logicielle :
Cette partie est constituée de deux modules. Un
module du côté PIC 16F876 et l’autre du côté serveur.
Figure 4. Schéma interne du PIC 16F876
Pour le PIC, la gestion des différentes opérations,
est répartie sur plusieurs procédures. La procédure
principale s’occupe de la commande du moteur pas à
pas et de l’affichage des paramètres et des résultats de
mesures. Les autres procédures ; base de temps,
comptage et communication avec le serveur se font en
mode interruptible.
5.1. Système électromécanique :
Côté serveur, l’application est constituée par trois
modules. Le premier module gère le socket TCP/IP
d’écoute sur le port de communication réseau. Une
procédure dédiée est appelée par le socket pour
répondre aux différentes requêtes reçues des clients.
Le deuxième module gère la communication série
avec la carte de contrôle. Quand au dernier module il
s’occupe de la gestion de l’interface utilisateur pour
les différentes opérations de suivi, de mise à jour ou
de configuration.
6. Conclusion
Figure 5. Montage des éléments
électromécanique
Dans ce travail nous avons réalisé une expérience
en physique en l’occurrence la rétrodiffusion de
Rutherford via le Web. Les travaux présentés dans ce
papier prouvent qu’il est possible de mettre des
travaux pratiques en ligne au profit des étudiants. Les
avantages de telles réalisations sont nombreux:
de la partie
Pour cette partie, notre travail consiste à motoriser
la rotation du support de la source. La figure 5 montre
les modifications apportées et la forme du bras. Ce
dernier est réalisé en matière plastique transparente
pour ne pas gêner l’observation de l’intérieure de
l’enceinte.
- mutualisation du matériel existant avec d’autres
établissements
- flexibilité et affranchissement des contraintes
temps et espace
La figure 6 donne l’aspect du résultat final.
- protection des étudiants des manipulations
présentant des dangers (radioactivité,…)
Pour la précision des déplacements angulaires, le
moteur pas à pas, avec un pas de 9 degrés, et son
réducteur avec un rapport de 1/100, a permit une
résolution angulaire de 0.09 degré.
- Réduction du coût des travaux pratiques dont le
matériel est cher.
-4-
SETIT2009
7. Remerciements
M. Casini, D. Prattichizzo, and A. Vicino, “The Automatic
Control Telelab. A Web-based technology for distance
learning” IEEE Contr.Syst. Mag., vol. 24, no. 3, pp. 36–
44, 2004.
Nous tenons absolument à remercier MAROC
TELECOM pour le soutien financier de ce projet.
S.Hassane, H., I. De La Teja, M. Saad (2000), "Outils,
environnement et méthodologie pour l’encadrement et la
formation d’équipes multidisciplinaires en génie
travaillant en réseau par le Web", VIIe Journées
Internationales de Technologies de la Conférence
Internationale des Institutions de Formations
d’Ingénieurs et de Techniciens d’Expression Française
(CITEF), publié dans Prospectives Francophones,
"Former des Ingénieurs par l’université virtuelle",
Beyrouth, Liban, 2-4 mai, 2000.
8. Références
S.Hassane, H., I. De La Teja, M. Saad (2000), "Outils,
environnement et méthodologie pour l’encadrement et la
formation d’équipes multidisciplinaires en génie
travaillant en réseau par le Web", VIIe Journées
Internationales de Technologies de la Conférence
Internationale des Institutions de Formations
d’Ingénieurs et de Techniciens d’Expression Française
(CITEF), publié dans Prospectives Francophones,
"Former des Ingénieurs par l’université virtuelle",
Beyrouth, Liban, 2-4 mai, 2000.
S.Hassane, H., Bouchaib, F., Yan,Y. (2004), "Grid enable
technologies and Web services for online laboratories",
PROLEARN Online Experiments Workshop 2004;
Integrating European research in online experiments,
November 5, 2004, Hanover, Germany.
S.Hassane, H., Bouchaib, F., Yan,Y. (2004), "Grid enable
technologies and Web services for online laboratories",
PROLEARN Online Experiments Workshop 2004;
Integrating European research in online experiments,
November 5, 2004, Hanover, Germany.
S.Hassane, H., Benslimane, D., De La Teja, I., Bouchaib, F.,
Do Kim, L., Paquette, G., Saad, M., Villardier, L., Yan,
Y. (2005), "A General Framework for Web Services and
Grid-Based Technologies for Online aboratories", Dans
The International Conference on Engineering Education
and Research, CEER 2005, March 2-4, 2005, Taiwan,
R.O.C. (Invited paper)
S.Hassane, H., Benslimane, D., De La Teja, I., Bouchaib, F.,
Do Kim, L., Paquette, G., Saad, M., Villardier, L., Yan,
Y. (2005), "A General Framework for Web Services and
Grid-Based Technologies for Online aboratories", Dans
The International Conference on Engineering Education
and Research, CEER 2005, March 2-4, 2005, Taiwan,
R.O.C. (Invited paper)
T. Zimmer, D. Geoffroy, M. Billaud, Y. Danto, “The eLab
for electrical engineering education”, 4th International
Conference on Information Technology Based Higher
Education and Training ITHET03 July 7-9, 2003,
Marrakech, MOROCCO
F.Carusi, M.Casini, D.Prattichizzo, A.Vicino "Distance
Learning in Robotics and Automation by Remote
Control of Lego Mobile Robots", Proceedings of the
2004 IEEE International Conference on Robotics &
Automation New Orleans, LA • April 2004
T. Zimmer, "Laboratory Experiments Via the Internet to
Support Engineering Education" Contributions au
portail elearningeuropa.info, 16 jan 2003
Hitachi datasheet HA13421A, HA13421AMP.
M.Casini, D.Prattichizzo, and A.Vicino, "Operating Remote
Laboratories Through a Bootable Device", IEEE
TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,
VOL. 54, NO. 6, DECEMBER 2007
Catalogue général d’expériences en physique Lybold
didactic/diffusion de Rutherford 2005.
M.Casini, A.Garulli, D.Prattichizzo, A.Vicino, "Remote
System Identification in the 'Automatic Control Telelab'
Environment",Procedings of the 42nd IEEE Conference
on Decision and Control Maui, Hawaii USA, December
2003
M.Casini, D.Prattichizzo, and A.Vicino, "The automatic
control telelab a web-based technology for distance
learning" IEEE Control Systems Magazine June 2004
M.Casini, D.Prattichizzo, and A.Vicino, "The Automatic
Control Telelab: A User-Friendly Interface for Distance
Learning", IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION,
VOL. 46, NO. 2, MAY 2003
Microship data sheet DS30292C.
M. Billaud, D. Geoffroy, T. Zimmer, « An eLab platform for
electrical engineers’ education », ICEE International
Conference on Engineering Education, October 16-21,
04, Gainesville, US
M. Casini, D. Prattichizzo, and A. Vicino, “The Automatic
Control Telelab: A user-friendly interface for distance
learning,” IEEE Trans.Educ., vol. 46, no. 2, pp. 252–
257, 2003.
-5-