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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

matire

T1 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 gazAvant 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 parfaitsLoi 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 lindustrieRECHERCHE 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 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

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 10-2mbar)

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

Molculairel > D/3Chaque 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-3V 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 laminaireo toutes les molcules

sont entranes en

interagissant peu

individuellement

avec les parois

Fin du pompage

= rgime molculaireo 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

p1p2GL = G

P1 - P2


Vide 15

ConductanceExemple dabaques pour tubes de diffrents diamtres

coulement laminaire air 20Cd.p > 0.7 cm.mbar

coulement molculaire air 20Cd.p < 0.02 cm.mbar


Vide 16

ConductanceAnalogie lectrique : - conductance = 1 / rsistance

- pression = potentiel

En parallle

L1

L2

L3

L4

Ltot = L1 + L2 + L3 + L4

L1 L2 L3 L4En 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-1G

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-pressiondune pompe Roots associeen 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 dhuileHydrocintique

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-pressiondune 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 mbarsSimple, grand dbit (P

Vide 25

Pompe ionique

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 CryopompeA 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 tempratureDsorption 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 fuiteGamme des diffrentes mthodes

Dtecteurs He= spectromtres de

masse cals sur He

(masse 4)


Vide 34

Dtection de fuite par remonte de pressionUne 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/ to 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

tempsfuite constante

fuite dcroissante

P2

P1Mars 2011 ETBD Cargse

Vide 35

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

Test par reniflage avec dtecteur Hea) Direct = contrle local

b) Sous pochon = contrle global

Test sous vide avec dtecteur Hea) Par aspersion local= contrle local

b) Sous atm He = contrle global

En pression Sous vide

a)

b)b)

a)


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