T1/21 Tournez la page S.V.P

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  • T1/21 Tournez la page S.V.P.

    Composition du sujet : ! 1 cahier de 21 pages de texte, numrotes de T1/21 T21/21 ; ! 13 documents, intituls Document i , avec i = 1 13, numrots D1/13

    D13/13 ; ! 1 cahier rponse format A4, imprim recto verso, rendre en fin dpreuve ; ! 2 feuilles de calque format A3, pr imprimes, intitules Calque n1 et Calque

    n2 rendre en fin dpreuve ;

    TOUTE AUTRE DOCUMENTATION EST INTERDITE

    Matriel autoris : tous instruments usuels du dessinateur.

    LES CALCULATRICES SONT AUTORISEES. LES AGENDAS ELECTRONIQUES ET LES TELEPHONES PORTABLES SONT

    INTERDITS

    La prsentation, la lisibilit, lorthographe, la qualit de la rdaction, la clart et la prcision des raisonnements entreront pour une part importante dans lapprciation des copies.

    Gestion du temps : En admettant une dure dune heure pour la lecture et lassimilation du sujet, il est vivement conseill de consacrer entre 2 h 00 et 2 h 30 au maximum la rponse aux questions de la notice et 2 h 30 3 h au trac des dessins.

    Figure 1 : Vue arienne du synchrotron de Grenoble

  • T2/21 Tournez la page S.V.P.

    ETUDE DUN DISPOSITIF DE TRANSLATION VERTICALE DUN SITE DEXPERIENCE DE NANOTOMOGRAPHIE

    A - Cahier des Charges Fonctionnel (Extraits)

    A.1 - Prsentation du problme

    A.1.1 - Le contexte

    La soif de connaissance nous pousse nous poser des questions sur le monde qui nous entoure : de quoi est compose notre plante ? Comment expliquer les proprits de la matire et imaginer de nouveaux matriaux ? Que sait-on du processus de la vie ? La plupart de ces questions ne peut tre rsolue que par une connaissance approfondie de la structure intime de la matire. Les scientifiques ont donc construit des instruments de plus en plus puissants, capables de sonder la matire lchelle des atomes et des molcules, tels que les sources de rayonnement synchrotron qui, comparables des super microscopes , apportent des informations inestimables dans de trs nombreux domaines de recherche.

    LESRF (European Synchrotron Radiation Facility), construit Grenoble en 1988 (cf figure 1, page T1/21), permet de raliser des expriences indites en utilisant la lumire synchrotron.

    A.1.2 - Ligne ID22 : exprimentation de nanotomographie

    Lanneau de lESRF permet dalimenter en rayons X une cinquantaine de salles dexprience. Dans la ligne ID22, le faisceau de photons, capt et guid par des dispositifs optiques, est dirig ensuite sur des chantillons pour raliser des exprimentations de nanotomographie.

    A.1.2.1 - Principe de la nanotomographie

    Figure 2 : Nanotomographie dune polyolfine thermoplastique

    La nanotomographie est une technique dimagerie 3D permettant dobtenir limage dun

    chantillon (exemple donn figure 2, page T2/21), tranche par tranche, sans le dtruire.

    Elle repose sur le principe suivant : un rayonnement se trouve plus ou moins attnu, suivant la densit des matriaux quil rencontre sur sa route. Plus il a de mal se frayer un passage travers les atomes, plus son intensit s'affaiblit. Il suffit donc de placer l'objet tudier sur le trajet dun faisceau de rayons X, et de comparer le spectre du faisceau dentre avec celui du faisceau la sortie.

  • T3/21 Tournez la page S.V.P.

    En faisant tourner l'chantillon, et en utilisant un logiciel de reconstruction, il est alors possible d'obtenir l'image d'une tranche de l'objet, puis, en rptant lopration de bas en haut, de reconstituer son volume tout entier.

    Cette technique d'imagerie est bien connue dans le secteur mdical, o depuis une vingtaine d'annes, les scanners explorent le corps humain.

    A.1.2.2 - Architecture de la ligne ID22

    La figure 3, page T3/21, prsente larchitecture retenue pour lexprience mise en place sur la ligne ID22.

    Figure 3 : Schma de lexprience

    Le faisceau de photons arrive de lanneau de stockage en traversant toute la ligne de lumire o il passe par un monochromateur. Le monochromateur est un dispositif permettant de slectionner par diffraction une longueur donde (et ses harmoniques) parmi le continuum du faisceau blanc. Une fois que le faisceau a la constitution souhaite pour lexprience (spectre, flux de photons), il arrive sur une premire optique de focalisation qui, en utilisant un phnomne de bras de levier optique, focalise une premire fois le faisceau.

    Le faisceau passe ensuite par un pinhole : trous minuscules permettant de raliser une source secondaire de diamtre 20 m puis traverse une seconde optique de focalisation qui, en utilisant le mme phnomne de bras de levier, focalise le faisceau sur lchantillon.

    Lchantillon est fix sur un manipulateur pouvant bouger selon les 6 degrs de libert. La rotation et la translation suivant z

    r sont utiles pour la ralisation de la nanotomographie et

    les 4 autres degrs de libert servent positionner lchantillon lendroit o le faisceau est focalis.

    Pour dtecter prcisment cet endroit et pour mesurer le diamtre du faisceau focalis, on utilise un knife-edge ou un cran fluorescent. Le but de cet lment est de reprer le spot (faisceau focalis) puis il se retire pour laisser la place lchantillon qui est alors amen cet endroit.

    Enfin, on place le dtecteur sur le chemin du faisceau ayant travers lchantillon pour obtenir, par reconstruction numrique, limage des tranches de lchantillon, puis son volume.

    Pour les besoins de la nanotomographie, le faisceau arrivant sur lchantillon doit pouvoir tre soit un faisceau rose ( pink beam ), soit un faisceau monochromatique

    xr

    zr

  • T4/21 Tournez la page S.V.P.

    ( monochromatic beam ). En faisant varier lcartement et linclinaison de deux miroirs en entre de la ligne de lumire, comme schmatis sur la figure 4, page T4/21, on slectionne le type de faisceau.

    Figure 4 : Principe du monochromateur

    On voit quentre les deux faisceaux, il y a un dcalage selon la direction zr

    de 12,5 mm, ce qui implique un besoin pour lquipement de pouvoir effectuer ce dplacement.

    Pour finir, on doit galement pouvoir escamoter lensemble de lexprimentation car une autre salle se situe en aval. Il faut alors pouvoir librer entirement le chemin du faisceau lorsque les expriences ont lieu dans la salle suivante.

    La figure 5, page T4/21, reprsente larchitecture retenue :

    un premier marbre MA0 sert de support lensemble de lexprience ; un second marbre MA1 effectuera le dplacement suivant z

    rpermettant ainsi de

    saligner sur le faisceau utilis ; un troisime marbre MA2 effectuera une translation suivant y

    r afin de librer le

    chemin du faisceau ; lensemble des instruments (optiques de focalisation, manipulateur, dtecteur)

    seront positionns sur le marbre MA2.

    Figure 5 : Architecture du support

    A.1.3 - Le produit concevoir

    Le sujet propose plus particulirement de sintresser la faon de raliser le dplacement vertical entre les marbres MA0 et MA1.

    pink beam

    monoc. beam

    12,5 mm

    miroirs

    xr

    zr

    MA0

    xr

    yr

    zr

  • T5/21 Tournez la page S.V.P.

    La principale caractristique que doit avoir ce dplacement sera une excellente rptabilit afin dviter de devoir repositionner tous les lments optiques chaque passage dun faisceau lautre.

    Le marbre MA1 est pos sur 4 points dappui rglables. On utilise pour cela des butes couramment utilises pour raliser lisolation vibratoire des machines-outils, dveloppes par la socit AIRLOC. Il est galement reli au marbre MA0 par trois bielles. La figure 10, document 1, page D1/13, donne la disposition de ces diffrents lments.

    Le diagramme FAST de la figure 11, document 2, page D2/13, prcise les fonctions respectives des diffrents constituants.

    A.1.4 - Limites de ltude

    Limite en amont : Marbre MA0

    Limite en aval : Marbre MA1

    A.2 - Analyse fonctionnelle du besoin (extraits) Le produit considr dans cette partie est la liaison entre le marbre MA0 et le marbre

    MA1.

    Parmi toutes les situations du cycle de vie du produit, il ne sera considr que la situation de fonctionnement normal.

    Enoncs des fonctions de service

    Fonction principale :

    FP Dplacer le marbre MA1 par rapport au marbre MA0 entre deux positions dfinies

    Fonctions contraintes :

    FC1 Supporter les efforts

    FC2 Sadapter lnergie disponible

    FC3 Sadapter la salle dexprimentation

    FP

    Dispositif de dplacement

    vertical

    Marbre MA0

    Marbre MA1

    Energie

    Salle dexprimentation

    FC2

    FC3 FC1

  • T6/21 Tournez la page S.V.P.

    Caractrisation des fonctions

    Critres Niveaux

    FP " Dplacement entre les deux positions " Prcision " Rsolution " Rptabilit " Encombrement disponible " Premire frquence propre du systme

    " 12,5 mm ports par zr

    " 0,1 m " 1 nm " 50 nm " 4 400 x 1 500 x 240 mm3 " 50 Hz mini

    FC1 " Masse de lensemble {MA1 + son quipage} " 6 t

    FC2 " Tension de courant lectrique " Frquence du secteur

    " Puissance disponible

    " 230 V monophas " 50 Hz

    " non fourni FC3 " Dplacements dus aux variations de temprature " non fourni

  • T7/21 Tournez la page S.V.P.

    B - Etude et lments de solutions proposs

    B.1 - Repre de travail Dans tout le sujet, on utilise la convention suivante :

    la direction xr