Les fours

1.2.1. Four avec ampoule de césium en verre

Le principe des fours à césium des précédentes horloges du laboratoire a été repris. Une chambre intérieure fermée par un joint en aluminium contient une ampoule de césium de 1 g ou 2 g. Un trou d’éjection dans lequel est insérée une série de tôles ondulées afin d’affiner la directivité du jet assure la sortie d’un jet d’atomes.

Le chauffage et la prise d’information de la température se font au plus près des éjecteurs pour que ce soit le point chaud du four. Une régulation de température externe assure la mise en température aux alentours de 100°C.

Pour charger en césium ce type de four, la méthode habituelle est de casser une ampoule en verre contenant le césium, de l’insérer rapidement dans le four, serrer le joint, monter le four dans le résonateur et refermer celui-ci afin d’y faire le vide rapidement. Le tout se fait sous flux d’azote sec. Le césium étant réactif à l’air, il faut éviter à tout prix qu’il ne s’oxyde, ce qui peut ensuite polluer les éjecteurs.

62 Chapitre 3 : Réalisation d’une horloge compacte à renversement de jet Dans notre cas, il faut le faire simultanément pour les deux fours, opération doublement risquée.

Une autre solution consiste à insérer une capsule inox non percée dans le résonateur et de la percer une fois le vide établi. Cela présente de plus l’avantage de pouvoir étuver le four avant de percer la capsule. Dans ce but, une modification importante du dispositif a été réalisée pour permettre d’accueillir soit une ampoule en verre, soit une capsule en inox.

1.2.2. Four avec perçage électrique

Pour percer la capsule, la solution électrique a été retenue compte tenu de la compacité recherchée. Le schéma suivant montre le four et son dispositif de perçage.

Césium Joint en aluminium Ressort en bronze Queusot Capsule en inox Alumine Pointe en tungstène Masse Fil de perçage

Figure 3.2 : Four et système de perçage électrique

Une capsule en inox de faible épaisseur contenant du césium est maintenue dans la chambre du four. Une pointe en tungstène vient s’appliquer contre la paroi du haut, l’électrode positive y étant reliée. Un ressort en bronze permet à la capsule d’être fermement plaquée contre la pointe. De plus, il fait contact électrique avec le fond du four où se situe l’électrode de retour.

Un système externe de condensateurs est connecté aux deux électrodes. L’énergie emmagasinée par ces condensateurs permet de faire fondre l’inox au niveau de la pointe lors d’une décharge brusque. L’énergie nécessaire au perçage d’un trou de rayon r dans la paroi d’inox d’épaisseur e peut être estimée par la relation [Petit97] :

Cp . T . D . e . r E₁ = _f . (3-1)

On suppose la décharge suffisamment ponctuelle pour que l’énergie n’ait pas le temps de diffuser sur une grande surface. On prend donc pour r le rayon de la pointe soit r=1,5 mm.

Chapitre 3 : Réalisation d’une horloge compacte à renversement de jet 63 L’épaisseur e vaut 1/10 mm. D est la densité de l’inox (D = 8), Tf sa température de fusion (1400 °C), et Cp (0.5 Jg/K) sa chaleur spécifique. On trouve E₁=4J.

L’énergie emmagasinée par les condensateurs est :

E₂ 1C V2

2

= . . (3-2)

Avec V = 60 V et C = 27400 µF, on obtient E₂ =49J.

Lors de la décharge, un shunt 50 A/V est inséré en série avec les deux électrodes afin d’enregistrer le pic de courant correspondant. Le décrochement semble être caractéristique de l’instant précis du perçage pour notre système. Le pic de courant fait entre 300 et 400 A.

Décrochement Décharge

Figure 3.3 : Décharge des condensateurs lors du perçage

Lors des premiers essais de perçage sur des capsules de test, plusieurs conclusions semblent avoir émergé :

• les contacts doivent être les plus parfaits possible afin de minimiser la résistance entre la masse et le fil de claquage (<< 1 Ω),

• pour maximiser E₂, il est préférable de travailler avec des tensions importantes et des valeurs de capacités faibles. Ceci permet de réduire τ le temps de décharge, augmentant ainsi la puissance utile.

Après quelques essais préliminaires, une bonne reproductibilité de perçage a été obtenue sur une série de capsules de test.

1.2.3. Quelques évolutions

Lors du premier chargement en césium de l’horloge, il a été mis en place une capsule en verre, cassée de manière traditionnelle dans le four Ouest, et une capsule en inox dans le four Est, destinée à être percée après validation du fonctionnement de l’horloge avec le four Ouest.

64 Chapitre 3 : Réalisation d’une horloge compacte à renversement de jet Malheureusement, la réalisation de la capsule en inox, opération longue et délicate, s’est avérée problématique. Le queusot en cuivre n’était pas suffisamment étanche entraînant une fuite de césium dans le four. Cette fuite ne permettait pas un débit suffisant pour une utilisation normale. Nous avons donc tenté de percer la capsule par une décharge. Les conséquences en ont été désastreuses : de la vapeur de césium est apparue dans le résonateur, et rapidement le débit du four s’est annulé. Ceci nous a obligé à ouvrir le résonateur pour constater que la capsule n’était pas percée, l’énergie ayant servi à vaporiser le césium au fond du four. Le graphite de tête était complètement saturé, et les éjecteurs bouchés.

N’ayant pu résoudre entre temps le problème du queusot insuffisamment étanche, le chargement suivant s’est fait de manière classique, avec une capsule en verre dans chaque four.

Ce second chargement en césium a de nouveau posé problème. L’un des fours a vu son débit diminuer fortement puis s’annuler au bout d’un mois à peine. A l’ouverture du résonateur puis expertise des graphites de tête [Guérard98], il est apparu que le césium était sorti par bouffées liquides plutôt que par un jet de vapeur. Par capillarité, il a trouvé son chemin de sortie par la chambre d’éjection et les tôles formant l’éjecteur. Pour remédier à ce problème, le troisième chargement a fait l’objet d’une évolution supplémentaire. Une fine

maille d’inox a été insérée dans la chambre du four autour de la capsule, afin de jouer le rôle

de filtre avant les éjecteurs et d’éponge pour retenir le césium liquide et ne laisser sortir que la vapeur.