2Techniques Vide 11 Def

Vide 0

INTRODUCTION A LA CRYOGENIE ET LA SUPRACONDUCTIVITE FLUIDES CRYOGENIQUES DIAGRAMME DE PHASE PROPRIETES USUELLES SUPRACONDUCTIVITE DOMAINE SUPRACONDUCTEUR EXEMPLES

TECHNIQUES DU VIDE NOTIONS GENERALES OBTENTION - GAMMES EXEMPLES DE MATERIEL ETANCHEITE

CRYOGENIE II

PROPRIETES DES MATERIAUX THERMIQUE, MECANIQUE, ELECTRIQUE TRANSFERTS THERMIQUES MISE EN OEUVRE DES BASSES TEMPERATURES Squence : Cryognie Argon H1

SUPRACONDUCTIVITE II

DETAILS SUR L'ETAT SUPRACONDUCTEUR EXEMPLES DES CABLES SUPRA POUR AIMANTS Squence : Quadruple HERA

Mars 2011 ETBD Cargse

Vide 1

Techniques du vide Le vide et les dtecteurs :


Vide 2

Techniques du vide

Le vide et les dtecteurs :

T1 T2< T1

flux de chaleur

transfert de chaleur par conduction ou convection limitation du transfert

matireT1 T2< T1

flux de chaleur

vide

vide = isolation thermique


Vide 3

Techniques du vide

Le vide partiel et les dtecteurs :

+

-

+

-

Mise en d(sur)pression augmentant la sensibilit lionisation dun gaz


Mars 2011 ETBD Cargse Vide 4 Vide 4

Lhistoire du vide

A chaque rvolution technologique correspond un nouveau palier dans les plus basses pressions atteintes.

Acclrateur de particules, Techniques spatiales...

Vide 5

La pression dun gaz Avant dobtenir le vide (et mme aprs !), il y a du gaz. Lunit du vide est la mme que la pression du gaz rsiduel. La pression p peut tre dfinie comme une force par unit de surface. (On peut aussi la dfinir comme une nergie par unit de volume.) P = F/S o F est la force applique en N (newton) sur la surface S (m2) La pression d'un gaz sur une paroi = la rsultante normale de l'ensemble des chocs des molcules de gaz avec cette paroi. Statistiquement, si un objet est entour par un gaz, il y aura autant de "chocs" dans un sens que dans l'autre => l'quilibre de l'objet. Une diffrence de pression de part et d'autre d'une paroi quivaut un dsquilibre => possibles dformations ou mouvement de la paroi. Pression absolue = mesure thermodynamique de la pression (rfrence = vide = 0) Pression relative = mesure par diffrence avec la pression atmosphrique (rfrence =Patm) P abs = Prel + Patm o Patm = cste = 760 mmHg = 1013,25 mbars Units de pression usuelles : 1 Pa = 1 N.m-2 = 1,02 .10-5 kg.cm-2 1 bar =105 Pa = 1,02 kg.cm-2 1 atm = 1,01325 bar =1,01325.105 Pa

760 mm Hg = 760 torr = 1 atm 1 psi = 6896 Pa 69 mbar


Vide 6

Les gaz parfaits Loi des gaz parfaits

P.V = n . R . T o n est le nombre de moles prsentes dans le volume V,

T la temprature en K et P la pression absolue en Pa et R = 8,314 J.mole-1.K-1 constante des gaz parfaits. Une mole comprend N = 6,023.1023 particules, quelque soit la nature du gaz, et occupe un volume molaire de 22,4 litres 0C (273,15 K) et 1,0135.105 Pa (1,0135 bar = 1 atm).

conditions normales : 0 C et 1 atm (Nl, Nm3,Nlpm...) conditions standards : 15 C et 1 atm (Sl, Sm3,Slpm...)

La connaissance des masses molaires dun composant (ex: table de Mendeliev) permet dvaluer rapidement sa densit T et P connues dans ltat dun gaz parfait Ex : C02 masse molaire = 12+2*16 = 44 g pour 22,4 l => 1,964 g/l 0C et 1atm Loi des gaz parfaits utilisables loin des courbes de saturation liquide-gaz ou faible pression

(T >> Tliquide et P < qq dizaines bars)

Dans un mlange gazeux, la pression totale du mlange est gale la somme des pressions partielles de chaque constituant (pression partielle = pression du constituant sil occupait seul le volume total=concentration*pression totale). Ex : Air = 780 mbar N2 + 210 mbar O2 + 9 mbar Ar +


Vide 7

Echelle de pression

Exemples de valeurs de pression : Au niveau de la mer 1013 mbar Au sommet du Mont-Blanc 500 mbar A l'altitude d'un avion haute altitude (20000 m) 60 mbar A l'altitude d'un satellite (35000 km) 2.10-5 mbar A la surface de la lune 5.10-7 mbar A l'altitude de la lune (380 000 km) 5.10-9 mbar

Pression Molcules /cm3 Gaz Patm 1000 mbar 27 .1018 Emballage sous vide 100 mbar 2,7.1018 Tube cathodique 10-6 mbar 27 milliards Vide faisceau d'acclrateur 10-10 mbar 2,7 millions Ultravide en laboratoire 10-14 mbar 270 Notre galaxie 10-16 mbar 1 10 Reste de l'Univers ? moins de 1


Vide 8

Le vide dans la recherche et lindustrie RECHERCHE 10-13 10-10 10-7 10-3 100

Spectromtre de masse

Source dions

Acclrateurs de particules

Microscopes lectroniques

Diffraction lectronique

Spectrographes sous vide

Cryognie

Production couches minces

Etudes des plasmas

Fusion nuclaire

Simulation spatiale

Etudes des matriaux

INDUSTRIE Fusion, dgazage et recuit mtaux

Soudure BE

Mtallisation sous vide

Pulvrisation cathodique

Production de cristaux

Dgazage des liquides

Sublimation

Imprgnation avec rsines

Dessication

Lyophilisation

Production lampe incandescence

Production tubes cathodiques

Production tubes dcharges

ULTRA-VIDE VIDE POUSSE VIDE MOYEN GROSSIER


Vide 9

Ne pas se prcipiter dans le vide

temps

pression1000 mb

0,1 mb

"rapide"

"lent"

Pomper une enceinte initialement pleine de gaz c'est :

- vacuer le volume de gaz compris entre les parois pompage en volume

- arracher aux parois les gaz pigs en surface pompage en surface ou dgazage


Vide 10

Faire le vide : vacuer le gaz

l. p = constante ( propre chaque gaz)

pression

libre parcours moyenH2!!0.012 ( 20C)He!!0.018O2!!0.0065N2!!0.0061Air! 0.0067 cm.mbar!

p p

l. p = constante ( propre chaque gaz)

pression

libre parcours moyenH2!!0.012 ( 20C)He!!0.018O2!!0.0065N2!!0.0061Air! 0.0067 cm.mbar!

p p

Thorie cintique des gaz :

gaz = grand nombre de particules en agitation

sans interaction entre elles. Chaque particule parcourt un parcours entre deux chocs : c'est le libre parcours moyen l. Si p alors l le libre parcours moyen peut devenir du mme ordre de grandeur que les distances gomtriques du volume (, L, h) interaction prdominante avec les parois rgime molculaire

(ex : air => l = 6,7 mm 10-2 mbar)

constante


Mars 2011 ETBD Cargse Vide 11 Vide 11

Principaux rgimes dcoulement

Turbulent ( hors domaine du vide) Re > 3000 Transition (hors domaine du vide) 1200 < Re < 3000 Laminaire (ou visqueux) l < D/100 et Re < 1200 Pour lair 20C, p.D > 0.7 mbar.cm

& Q/D < 150 mbar.l.s-1.cm-1 Molculaire l > D/3 Chaque gaz se comporte comme si il tait seul ! Pour lair 20C, si p.D < 2.10-2 mbar.cm => rgime molculaire

D

nombre de Reynolds : Re = .V.D/

masse volumique kg.m-3 V vitesse (m.s-1) D diamtre (m) viscosit dynamique (Pa.s)

l, libre parcours moyen

Vide 12

Principaux rgimes dcoulement

Enceinte en pompage

Dbut du pompage = rgime laminaire o toutes les molcules sont entranes en interagissant peu individuellement avec les parois

Fin du pompage = rgime molculaire o toutes les molcules interfrent fortement avec les parois transfert de masse trs ralenti car trs difficile cart de pression sans dbit visible court terme !!

P1 < Patm P2

Vide 13

Dimensionnement

1 - Circuits de pompage et espace dans enceinte = gomtries mettre en cohrence (conductance)

2 - Vitesse de pompage finale

= caractristique de pompe + taille des circuits Rendre homognes les circuits et le groupe de pompage

2> 1 1> 0

2 1 0

P0=Patm

P3

P2 P1

P3

Vide 14

Conductance L

o p1- p2 est la diffrence de pression entre entre et sortie,

G le flux gazeux de pompage ( dbit masse) La conductance nest pas un dbit mais est assimil au dbit unitaire, cest dire au volume de gaz dbit dans une canalisation lorsquon maintient une diffrence de pression unit entre ses deux extrmits, le volume de gaz tant lui-mme suppos mesur sous une pression gale lunit.

p1- p2 en mbars L est la conductance du circuit en l.s-1

G le dbit de pompage en mb.l.s-1 ( 10-6 Nm3.s-1)

L est fonction de : - la pression du gaz (plus P est faible , plus L est faible) - la gomtrie du circuit - la nature du gaz

ex: Pour l'air 20C, et dans un circuit de diamtre D et de longueur l Lair = 140 .D4.p/l (coulement laminaire) Lair = 12,1 . D3/l (coulement molculaire) L en l.s-1, D diamtre en cm, l longueur en cm et p en mbar abs

Lgaz = . Lair H2 He H20 N2 CO2 laminaire 2,1 0,93 1,9 1,04 molculaire 3,78 2,67 1,26 0,81

p1 p2 G L = G

P1 - P2


Vide 15

Conductance Exemple dabaques pour tubes de diffrents diamtres

coulement laminaire air 20C d.p > 0.7 cm.mbar

coulement molculaire air 20C d.p < 0.02 cm.mbar


Vide 16

Conductance Analogie lectrique : - conductance = 1 / rsistance

- pression = potentiel

En parallle

L1

L2

L3

L4

Ltot = L1 + L2 + L3 + L4

L1 L2 L3 L4 En srie

1/Ltot = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + 1/L4

Lhomognit entre un circuit pomper et lorgane de pompage est obtenue lorsque les diffrentes conductances sont quivalentes (conductances des circuits et vitesse de pompage de la pompe). Le choix dun systme de pompage surdimensionn namliorera pas notablement le vide final.


Vide 17

Vitesse de pompage

La vitesse de pompage est le flux gazeux (dbit masse) ramen la pression daspiration de la pompe, cest dire que cette vitesse reprsente un dbit volumtrique (volume dplac la pression daspiration)

S = G Pasp

ex : p2= 10-5 mbars 40, long 1m et P. < 2.10-2 mbars.cm => L=12,1.D3/long L = 7.7 l.s-1 et p2= 10-5 mbars S = 300 l.s-1 (pompe turbomolculaire par ex) G = 300 x 10-5 = 3.10-3 mb.l.s-1 => p1- p2 = 3,9 10-4 mb => p1 = 4.10-4 mbars !

S en l.s-1 (ou m3/h) G en mbar.l.s-1 Pasp en mbars

P1

P2 40

S: 300 l.s-1 G

S

Pasp

Caractristique dune pompe


Vide 18

Exemples de pompe vide

De transfert

A entranement Volumtriques

Mcanique Hydrocintique A joint liquide Sches

A fixation

Molculaires Turbomolculaires

Ejecteurs A diffusion

A anneau liquide A palettes A piston

A piston A membrane Roots A vis A spirale

A adsorption sur tamis molculaire A Getter Cryopompes Ionique A sublimation de Titane


Vide 19

Pompe palettes

Coupe transversale dune pompe rotative palettes lubrifie (mono-tage)

1 Corps de pompe. 2 Rotor. 7 Aspiration. 9 Refoulement. 11 Filtre huile. 15 Injection dhuile. 16 Palette

Caractristique vitesse de pompage-pression de pompes palettes

Vide limite selon modle (Vide limite = pression daspiration dbit nul)

Volumtrique

Pasp 10-3 mbars ( deux tages)


Vide 20

Pompe spirales Pompe rotative sche spirales

(1 spirale en rotation sur excentrique + 1 spirale fixe)

Caractristique vitesse de pompage-pression de pompes spirales

Vide limite selon modle (Vide limite = pression daspiration dbit nul)

Volumtrique

Pasp 100 mbars


Vide 21

Caractristique vitesse de pompage-pression dune pompe Roots associe en srie avec une pompe palettes

Volumtrique Simple, robuste, compacte et sche. Pour dbit de gaz lev. Pasp 10-4 mbars

Pompe Roots

Le transfert de masse se fait par les cts


Vide 22

Pompe diffusion dhuile Hydrocintique

Entranement des molcules de gaz par les jets dhuile (silicone forte tension de vapeur vers 200C) Pas de pice en mouvement , pas de vibration. A associer avec une pompe primaire (P

Vide 23

Pompe turbomolculaire

Caractristique vitesse de pompage-pression dune pompe turbomolculaire

Pasp 10-9 mbars

Compacte, sche, rapide dmarrer. A associer avec une pompe primaire (P

Vide 24

Pompe sublimation de Ti

Pasp 10-11 mbars Simple, grand dbit (P

Vide 25

Pompe ionique

HT

NS

B

anode

cathodes

aimant

POMPE IONIQUE ADSORBANT Principe de fonctionnement : a) ionisation de molcules gazeuses b) pulvrisation cathodique c) raction chimique avec le titane

Molcule gazeuse

CATHODES (Titane)

ANODE (Inox)

Electron

+

B

- -

a)

Ti

Ion Positif

+

B

- -

b)

Molcule pige sur titane +

B

- -

c)

Pasp 10-11 mbars

qq kV

Ultravide (P

Vide 26

Cryopompe

Pasp 10-12 mbars

!! Rgnration obligatoire par rchauffage

Trs fort dbit (>104 l.s-1), pas de vibration. Dmarrage pression leve (qq mbars) Compromis entre puissance de pigeage et consommation de fluide Possibilit dutiliser un cryognrateur ( tte froide ) sans fluide cryo

A fixation

Techniques de lIngnieur B 2 382


Vide 27

Exemple de Cryopompe A fixation

Cryopompe grand dbit en continu sur le racteur de fusion thermonuclaire JET (GB). 8.106 l.s-1 sur H2 LN2 + LHe

Techniques de lIngnieur B 2 382


Vide 28

Effets de paroi

Aprs le pompage en volume, un certain nombre de phnomnes de paroi peuvent retarder la descente en pression dune enceinte. Choix des matriaux, prcaution de montage et fabrication, prparation initiale des surfaces sont autant de points respecter pour acclrer, atteindre et maintenir un bon vide.


Vide 29

Noprne Viton

Polythylne Tflon

Aluminium anodis

Laque 2 constituants

Pyrex

Aluminium

Surface mtallique propre

Dgazage

Fonction de la nature du matriau, de son tat de surface, de sa fabrication et du temps Approximativement, flux de dgazage indpendant de la pression Trs sensible la temprature Dsorption acclre par lvation de T tuvage de 300 450C (voire 800C) pour obtention ultravide (

Vide 30

Dgazage

Le dgazage de certains matriaux peut tre l'origine des difficults pour atteindre des vides pousss et au del l'ultra-vide. Choisir ses composants entre dans la qualit du vide recherch. Si les vides jusqu' 10-4 mb (atteints dans des temps raisonnables) ne demandent que des prcautions simples au montage, des vides plus pousss, en particulier l'ultravide (jusqu' 10-14 mb), exigent des matriaux performants (essentiellement mtalliques). Ils exigent aussi une prparation spcifique des parois et des objets mettre sous vide pour viter tout dgazage ultrieur (tuvage plus de 200C pour p

Vide 31

Permation

Particulirement sensible dans les matriaux synthtiques (polymres).

Fonction de la nature du gaz et de la temprature du matriau.


Vide 32

La dtection de fuite

lunit habituelle de la fuite = mbar.l.s-1 ou Pa.m3.s-1 (1mbar.l.s-1= 0,1 Pa.m3.s-1)

fuite dbit masse (1 mbar.l.s-1 = 10-6 Nm3.s-1) 10-4 mb.l.s-1 1 bulle de 1 mm3 toutes les 10 secondes 1 pompe dune capacit de 100 l.s-1 (turbo DN100) se verra limiter 10-6 mbars son aspiration pour une fuite de 10-4 mbars.l.s-1 (calcul trs optimiste !!!) (on comparera surtout la fuite la conductance minimale des circuits)

Une fuite, mme faible, peut provoquer limpossibilit dobtenir un vide correct.


Vide 33

La dtection de fuite Gamme des diffrentes mthodes

Dtecteurs He = spectromtres de masse cals sur He (masse 4)


Vide 34

Dtection de fuite par remonte de pression Une fuite peut tre value par la remonte (ou la baisse ) de pression qu'elle engendre sur un volume donn contrler.

Le dbit de fuite va s'exprimer alors : = p. V/ t o p est la variation de pression entre dbut et fin de dure d

V volume t est la dure associe la variation de pression

Habituellement, s'exprime en mb.l.s-1. Ces units peuvent ramener ce dbit mesur temprature ambiante 10-6 Nm3.s-1 donc implicitement un dbit massique (g.s-1). Pour mesure une fuite constante et maximum, il faut conserver au moins un facteur 2 entre les pressions de chaque ct de la fuite ( condition de T constantes) =< coulement sonique la fuite. Pour une remonte de pression avec latmosphre autour de lenceinte tester (1000 mbars abs), il faut donc avoir au maximum 500 mbars abs dans lenceinte. Ds que la pression interne est moins de deux fois infrieure la pression externe, la fuite va progressivement diminuer.

P

temps fuite constante

fuite dcroissante

P2

P1 Mars 2011 ETBD Cargse

Vide 35

Dtection de fuite par dtecteur hlium (spectro cal sur la masse de lhlium)

Test par reniflage avec dtecteur He a) Direct = contrle local b) Sous pochon = contrle global

Test sous vide avec dtecteur He a) Par aspersion local= contrle local b) Sous atm He = contrle global

En pression Sous vide

a)

b) b)

a)


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