Rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité entre 80 et 300K

Rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité

entre 80 et 300K

CERN - LHC/ECR Laboratoire de CryogénieLionel SIMON 10/11/1999

• Rappels théoriques

• Exemples de modèles

• Exploitation des connaissances en mesure optique

10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR 2

Travaux sur le rayonnement thermique

Graphe du spectre électromagnétique

1 Rappels théoriques



• Loi de Planck :

Avec c1 = 3.743x108 W.m4/m2 et c2 = 1.439x104 m.K

( )[ ]{ }1/exp 25

1

−=

Sb TC

CE

λλλ

• Loi de Wien : MAX T = 2898 m.K



• Loi de Stefan-Boltzmann :

Avec T en K et = 5.67x10-8 W/(m2.K4)

4

0.. TdEW bb ==

× (W/m2)



Corps Noir : Wb=.T4 Corps Réel : Wr=..T4

Quelques exemples d ’émissivité () :

• Corps Noir : 1• Aluminium brut : 0.25• Aluminium poli : 0.20• Chrome : 0.08• Laiton Poli : 0.03• Or-Argent : 0.02



Conservation de l ’énergie Equilibre thermique, loi de Kirchhoff

Po=Po.(++)

Matériau opaque : =0 +=1

++=1 Pémis = Pabsorbé

.Po = .Po

=

=

= 1 -



Ce que contient l’émissivité ()

Métal T(K) n

Or 30080

0.020.01

Argent 300804

0.020.010.005

Aluminiumcommercialbrut

300804

0.250.120.07

Aluminiumpolimécanique

300804

0.200.100.06

Aluminiumpoliélectrolytique

300804

0.150.080.04

Chrome 300 0.08Cuivrepolimécanique 300

804

0.100.060.02

Etain 300804

0.0500.0120.013

Nickel 30080

0.050.02

Laitonpoli 300804

0.030.030.02

Acierinoxydable18-8 300804

0.200.120.10



Ce que contient l’émissivité () - suite



Ce que contient l’absorptivité ()



La géométrie : facteur de vue et angle solide

A1.F12 = A2.F21

n = nombre de surfacesi, j Î [1,n]Fij à n2 inconnues

=

=n

iijF

1

1 à n équa tions à re s te (n2-n)/2 ca lculs

212121 .. FAFA = à (n -1).n/2 équa tions 2 surfacesà 1 calcul3 " à 3 calculs4 " à 6 "5 " à 10 "



La géométrie : facteur de vue et angle solide - suite

F11= 0F12 = 1

F1-2,3 = F1-2 + F1-3



Formule finale générale : ( )

( ) 22

2

1211

1

42

41

12 1112

2

1

1

εε

εεσ α

εα

ε

AAFA

TTq

−++

−−

=&

Calcul pratique par analogie électrique



2.1 Expérience de test du MLI (cryostat horizontal)2 EXEMPLES DE MODELES



Pourquoi une garde ?



• Evaluation des pertes latérales (max. 2mW)

• Limiter l ’entrée de rayonnement parasite par le trou de pompage (- 67 %)



L’amélioration théorique apporté par la garde est de 12 à 15% (Flux supplémentaire).

L’augmentation de flux constatée expérimentalement varie de 10 à 20%.

• Comparaison des résultats théoriques et expérimentaux avec et sans garde.



2.2 Modélisation d’un trou dans un écran thermique

1 - Remplacer un trou et ce qu’il y a derrière par une surface aux propriétés optiques équivalentes


• Noircir l’intérieur d ’un écran ?




2.3 Modélisation de la superisolation

• Emissivité apparente

• Influence de l’émissivité de l’enceinte à vide



3 Mesure d’émissivité

3.1 Quelles mesures, quel détecteur ?

• Mesure calorimétrique



• Mesure optique : directe ou par réflexion



• Détecteurs optiques (photoconducteurs, photovoltaïques, photoémissifs, ...)



• Détecteurs thermiques (Cellule de Golay, bolomètre, pyroélectrique, thermopile …)

- Une limite fondamentale : le bruit

- Le détecteur idéal : le pyroélectrique.

• Utilisation d ’une fenêtre


( ) 44 1 RSSSSSS TATAQ σεσε −+=&

( )AB

ASABAS

QQ

QQ&&

&&

−

−−+= εεεε

3.2 Principe de fonctionnement de l’appareil Dornier (fourni par G. Perinic)


• A l’ambiante



• A froid


• Résultats de calibration (par le développeur)


Les références utilisées sont :

• une plaque d’aluminium couverte d ’une peinture noire (0.99)

• une plaque d’inox poli (0.11)



• Résultats des premières mesures effectuées au Cryolab

Les références utilisées sont :

• le vide, considéré comme noir (=0)

• une plaque de cuivre dorée sur 30m d ’épaisseur (0.01)

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