La chaˆıne du vide

La figure 4.4 montre la progression entre les faibles pressions `a gauche et l’ultra-vide `

a l’extrˆeme droite. La partie `a gauche des pointill´es est remise `a la pression ambiante chaque soir. Les parois en inox sont donc gorg´ees d’eau. La pression n’y descend pas au-dessous de 10−7 mbar. Tout `a droite, la pression est constamment dans la gamme des quelques 10−11 mbar. Il faut ´etablir un vide diff´erentiel entre ces deux extr´emit´es. Elles sont reli´ees par le tube autour duquel sont enroul´ees les bobines Zeeman. Le ralentisseur Zeeman n’a donc pas pour seule fonction de ralentir les atomes, il permet aussi l’´etablissement du vide diff´erentiel, grˆace `a sa faible conductance. Le reste consiste `

a choisir les bonnes pompes.

Pour effectuer ce choix, nous ne sommes pas partis de rien. Nous avions en effet un syst`eme en ´etat de marche muni de jauges de pression. Cela permet de valider les interpr´etations sur le rˆole des diff´erentes pi`eces dans l’´etablissement du vide. Et donc de faire le choix en connaissance de cause. Je pr´esente donc le calcul des pressions, valid´e sur l’ancien montage, pour extrapoler sur nos nouveaux besoins. Les formules utilis´ees sont en annexe A.

4.2.1.1 Les pressions sur l’ancien montage

Le tube employ´e pour le ralentisseur Zeeman est assez petit (tube CF40 standard) et mesure environ 3 m, ce qui lui donne une tr`es faible conductance en ´ecoulement mol´eculaire : de l’ordre de 2 L/s. Pour une diff´erence de pression de l’ordre de 2.10−7 mbar (pression au niveau de la seconde enceinte source, voir figure 4.4), on obtient donc une fuite de gaz de 4.10−7 mbar.L/s. Il faudrait donc une vitesse de pompage de 8000 L/s pour arriver `a une pression finale de 5.10−11mbar. De plus, la pression serait partout assez ´elev´e, ce qui augmenterait les collisions avec les atomes m´etastables.

On intercale donc des trous pour aider au vide diff´erentiels et des pompes inter- m´ediaires. Apr`es la vanne rep´er´ee par les pointill´es sur la figure 4.4, on place un trou. Son int´erˆet principal est d’arrˆeter le jet direct des atomes d’h´elium non-excit´es, comme expliqu´e au 1.3.1.2. Mais dans la mesure o`u il obstrue partiellement le tube, il participe aussi au vide diff´erentiel. Sa surface ouverte est d’environ 7 mm2. Apr`es cette pi`ece, la fuite est donc d’environ 1, 0.10−5 mbar.L/s. La premi`ere pompe turbo-mol´eculaire a un d´ebit nominal de 200 L/s, et elle est au bout d’un tube ISO-K100 de 10 cm environ, soit une vitesse de pompage effective de l’ordre de 100 L/s. Ceci donne donc une pression d’environ 1, 0.10−7 mbar, coh´erente avec l’indication de la jauge : 6, 8.10−8 mbar. C’est cette valeur que l’on prendra pour la suite.

On met aussi une pompe turbo-mol´eculaire de 50 L/s entre les deux bobines Zeeman, soit 2 m plus loin. La fuite y est de 2, 3.10−7 mbar.L/s, ce qui donne une pression de 4, 5.10−9 mbar environ. Il n’y a pas de jauge pour corroborer l’estimation. A la fin du second tube Zeeman, de 60 cm de long, il reste une fuite de 5, 1.10−8 mbar.L/s. On a gagn´e un ordre de grandeur.

La pompe de 500 L/s est au bout d’un coude CF160 de longueur 40 cm, plus 10 cm de tube CF160 (l’enceinte `a vide), ce qui ´equivaut `a une vitesse de pompage effective de 310 L/s. On peut estimer la conductance des brides rentrantes `a 1800 L/s environ, ce qui ram`ene `a une vitesse effective de 270 L/s. Si cette pompe ´etait seule `a pomper, on devrait donc avoir 1, 9.10−10 mbar dans l’enceinte. La jauge ´etant bloqu´ee en limite basse `a 1, 0.10−10mbar, le pompage dˆu `a la sublimation de titane est donc d´eterminant. Il doit ˆetre d’au moins quelques 100 L/s, ´equivalent `a la pompe turbo-mol´eculaire, ce qui semble coh´erent.

On parvient donc `a expliquer la pression observ´ee exp´erimentalement. Dans ces calculs, `a chaque ´etape la contribution des parties aval du montage a ´et´e n´eglig´ee. Cela suppose que la pression y est bien plus faible, et que la vitesse de pompage effective est n´egligeable. Ces approximations semblent justifi´ees. On a ´egalement pass´e sous silence la contribution du d´egazage des parois de l’enceinte. Cela suppose un ´etuvage parfait. C’est sans doute vrai pour toute la partie avant l’enceinte sous ultra-vide. C’est moins ´evident pour l’enceinte ultra-vide elle-mˆeme. On constate en effet que la qualit´e de l’´etuvage influence la qualit´e finale du vide. En l’´etat actuel, nous n’avons pas de jauge assez performante pour mesurer la pression finale. Nous avons en revanche un spectrom`etre de masse. Il n’est pas calibr´e pour donner la pression, mais il permet d’appr´ecier la contribution relative des diff´erents gaz, et de comparer le r´esultat des ´etuvages. On est ainsi tent´e de croire que le d´egazage des parois en inox n’est pas n´egligeable.

Pour expliquer le r´esultat de notre calcul des pressions, on peut supposer que la contribution du d´egazage, sans ˆetre n´egligeable, est assez faible pour ne pas avoir `a apparaˆıtre dans un calcul somme toute assez approximatif : il suffit qu’il ne change pas le r´esultat par un facteur 2. On peut aussi supposer que la qualit´e de l’´etuvage change notablement la composition du gaz r´esiduel, ce qui est vrai, et que c’est cela qui porte le plus grand effet, plus que la pression totale. On pourra aussi noter que les calculs ont ´et´e faits sur les vitesses nominales des pompes. Or, il s’agit de pompes turbo-mol´eculaires. Leur taux de compression varie comme exp(Cste pm/T ) avec m la masse mol´eculaire et T la temp´erature. Donc les gaz l´egers sont beaucoup moins bien pomp´es que les gaz lourds : cela peut aller jusqu’`a un facteur 1000 entre le diazote et l’h´elium.

4.2.1.2 Les pressions sur le nouveau montage

Nous allons maintenant ´etudier la configuration sur le nouveau montage. Pour ef- fectuer le calcul des pressions sur le nouveau montage, nous allons prendre le r´esultat pr´ec´edent pour valable en ce qui concerne le taux de fuite dˆu au vide diff´erentiel : 5, 1.10−8 mbar.L/s. On va rajouter l’effet du d´egazage `a la main. On suppose que dans l’ancienne configuration la pression finale ´etait autour de 5.10−11 mbar et que le ti- tane produisait un pompage de d´ebit 1000 L/s. Il y aurait donc eu 1270 L/s de vitesse de pompage totale. Ceci conduit `a une estimation du taux de fuite par d´egazage de 1, 3.10−8 mbar.L/s.

On peut estimer le taux de fuite sur le nouveau montage en constatant que le volume sous ultra-vide est pass´e de 12, 4 L `a 23, 4 L, soit un facteur 1, 9, et en supposant que la

surface a vari´e de mˆeme. C’est plausible car on rajoute des enceintes de mˆeme diam`etre que la pr´ec´edente. Ceci donne un taux de fuite par d´egazage de 2, 5.10−8 mbar.L/s et un taux de fuite total de 7, 6.10−8 mbar.L/s. Il faut donc environ 1500 L/s pour atteindre la mˆeme pression finale de 5.10−11mbar. La pompe 500 L/s, dans la nouvelle configuration, a une vitesse de pompage effective de 280 L/s. La sublimation de titane est toujours disponible. On a rajout´e une pompe de 200 L/s, qui donne une vitesse de pompage effective de 150 L/s. Elle devrait donc faire l’affaire.

On doit relativiser ce r´esultat par le fait que le mode de calcul de la surface que l’on vient d’utiliser est tr`es approximatif. La surface qui d´egaze n’est pas limit´ee aux parois en inox. Il y a aussi des galettes `a micro-canaux sous vide. La surface de l’ancienne enceinte devait repr´esenter environ 0, 3 m2; celle des galettes `a micro-canaux 0, 026 m2. Mais dans le nouveau montage, la surface de l’enceinte repr´esente environ 0, 6 m2; celle des galettes `a micro-canaux 1, 1 m2! La surface amen´ee par les galettes `a micro-canaux n’est donc plus si petite, et finalement la surface aurait plutˆot quintupl´e. Ceci donnerait un taux de fuite de 12.10−8 mbar.L/s, ce qui requiert une vitesse de pompage de 2350 L/s. Il nous manquerait alors 900 L/s. Mais ce calcul n’est pas a priori plus juste que le pr´ec´edent, car on ignore comment se comporte exactement une galette `a micro-canaux sous vide. Le mat´eriau est tr`es diff´erent de l’inox et pourrait d´egazer sensiblement moins. Il est donc probable que la v´erit´e se situe entre ces deux valeurs.

La vitesse de pompage semble donc l´eg`erement insuffisante. On peut aussi noter que l’efficacit´e de la sublimation de titane pourrait ˆetre moindre car le filament de titane voit l´eg`erement moins de surface que dans l’ancienne configuration. Ceci devrait cependant rester marginal. Pour plus de s´ecurit´e, nous avons rajout´e une pompe « getter » qui devrait pouvoir pomper `a un d´ebit nominal de 1000 L/s.

Pour compl´eter cette ´etude, on doit remarquer que le placement des pompes n’est pas non plus innocent. Le nouveau d´etecteur pourrait ramener un taux de fuite important, mais c’est pr´ecis´ement l`a qu’a ´et´e plac´ee la pompe suppl´ementaire. On peut esp´erer que cela joue en notre faveur, et qu’au niveau du pi`ege le vide est meilleur que ce qu’indique le calcul.

Finalement, on a r´eussi `a atteindre une dur´ee de vie de 80 s pour le pi`ege magn´etique (130 s si l’on ´eteint les LASER et qu’on coupe tout `a fait le jet d’atomes). C’est un peu inf´erieur `a ce que l’on avait auparavant, et qui ´etait plutˆot autour de 100 s. Peut- ˆetre cela est-il dˆu `a la qualit´e du vide. La pompe getter n’a pas ´et´e n´ecessaire. On a cherch´e `a estimer sa contribution, mais elle n’est pas claire. Elle semble baisser un peu les pressions partielles mesur´ees par le spectrom`etre de masse, mais tr`es peu. Il est difficile de savoir si elle fonctionne correctement. La dur´ee de vie est donc un peu moins bonne qu’avant. N´eanmoins, et c’est l`a la chose importante, elle est assez ´elev´ee. Elle est sensiblement plus longue que la dur´ee de l’´evaporation radio-fr´equence (qui ne d´epasse pas 40 s). C’est donc un vide suffisant pour r´ealiser les exp´eriences.