Nous souhaitons atteindre des pressions de l'ordre de 10−8 P a. Le gaz est alors en ré-gime moléculaire, c'est-à-dire que le libre parcours moyen des atomes est très supérieur aux dimensions de l'enceinte. Ainsi, chaque atome suit une trajectoire balistique et ne rencontre que très rarement un autre atome du gaz. Sa température est dé nie par thermalisation avec les parois.
Diérents systèmes de pompage sont utilisés en fonction du régime de vide atteint. Une première phase, dite de pompage primaire, permettra d'atteindre le régime moléculaire. Le système sera ensuite séparé de l'enceinte car, si tout se passe bien, il ne doit servir qu'une fois. Le maintien du vide à très basse pression sera assuré par un système de pompes qui, elles, resteront en permanence en fonctionnement. Ces pompes devront être les plus compactes et les plus économiques possibles.
Les diérentes phases de pompage Le premier système de pompage est constitué d'une pompe à palettes en série avec une pompe turbomoléculaire. La pompe à palettes permet d'atteindre une pression de 10−1 P a. La pompe turbomoléculaire se met alors en marche. Il s'agit d'une série de turbines tournant à 70 000 tours/min et dont les pales sont orientées de façon à accélérer vers l'échappement de la pompe les molécules les touchant. Lorsqu'une pression de 10−5 P a est atteinte, une pompe ionique d'un débit de 60 L.s−1 est également mise en marche : elle est constituée d'électrodes dont la diérence de potentiel ionise les atomes. Un fort champ magnétique permanent permet d'augmenter la trajectoire des ions et des électrons a n d'ioniser d'autres atomes. Les ions sont accélérés vers les électrodes où ils s'enfouissent dans une matrice de Titane. Le courant généré permet alors de déduire la pression au niveau de la pompe.
Pour atteindre des niveaux de vide encore plus poussés, il faut non seulement que l'en-ceinte ne possède pas de fuite, mais il faut également limiter le dégazage des parois. Pour cela, l'enceinte est étuvée pendant 15 jours à 170◦C, a n d'assurer la désorption tous les gaz xés aux parois, notamment l'eau. La redescente en température se fait lentement (8◦ par heure), a n de pouvoir resserrer les brides si la contraction des matériaux fait apparaître des fuites. Après étuvage, une pression de 7, 2.10−8 P a est atteinte.
Dimensionnement du système de pompage A n de choisir le dispositif de pompage le plus adapté à notre système, c'est-à-dire le plus petit permettant d'atteindre les 10−8 P a, nous pouvons calculer le taux de pompage nécessaire pour équilibrer le dégazage des parois. La variation de la quantité de gaz présente dans l'enceinte est égale à la diérence entre le ux gazeux qG et le ux pompé qV e.p [121] :
V.dp
dt = qG− qV e.p (2.15) où V est le volume de l'enceinte (en m3), qV e est le débit volume eectif du système de pompage (en m3/s) à la pression p (en P a). L'état stationnaire correspond au régime où le pompage équilibre le dégazage (en l'absence de fuite).
Estimons tout d'abord le ux de gaz dans notre enceinte : le tableau 2.6 recense la surface totale de l'intérieur de la chambre en fonction du matériau utilisé. Les taux de dégazage de l'acier et du Titane sont disponibles dans la littérature [99]. Les valeurs correspondent au dégazage après pompage pendant 50 heures. On peut estimer grossièrement le taux de dégazage après 15 jours d'étuvage [121] comme étant 50 fois plus faible. Le dégazage de nos hublots en verre n'est en revanche pas connu, car ils sont traités anti-re et, et le dégazage des hublots sera dominé par le dégazage du traitement anti-re et, dont nous ignorons la valeur. Nous supposons, pour le calcul, qu'il dégaze 5 fois plus que l'Inox, même si cela est sûrement excessif.
Titane Inox Verre Surface [m2] 0, 103 0, 077 0, 018 Taux de dégazage 1.10−10 2.10−10 1.10−9
[P a.m3.s−1.m−2] (supposé) Flux de gaz 1.10−11 1, 54.10−11 1, 8.10−11 [P a.m3.s−1]
Flux total 4, 4.10−11 P a.m3.s−1
A n d'estimer la capacité de pompage dont nous avons besoin, nous utilisons l'équation (2.15) en régime stationnaire. Pour simpli er le calcul nous ne tenons pas compte de la conductance des tuyaux. Pour obtenir une pression de 10−8P a, il nous faut alors une capacité de pompage de 4 L/s.
Toutefois, il faut également tenir compte du Rubidium libéré en quantités importantes lorsque les dispensers sont activés. Il sera donc nécessaire de prévoir une capacité de pompage plus importante. Nous n'avons également pas tenu compte de la géométrie de l'enceinte dans notre calcul. Il paraît logique de placer les pompes à proximité de la zone d'émission de Rubidium, c'est-à-dire près des dispensers. Ces derniers sont placés de façon à libérer le
Rubidium vers la zone de refroidissement, sans toutefois arriver en incidence directe sur le centre du piège. Les pompes sont placées à l'opposé de la zone de refroidissement par rapport aux dispensers.
En n, il est nécessaire de placer une pompe au bas de l'enceinte, car compte-tenu de la faible conductance du tube de chute le pompage de la zone de détection serait peu e cace. Nous présentons à présent les pompes qui ont été choisies.
Pompe ionique Lors de l'étuvage nous avons utilisé une pompe ionique d'une capacité de 60 L/s. Cette pompe est malheureusement lourde et volumineuse, ce qui la rend impropre à une application embarquée. La société Méca 2000 a en revanche développé des pompes ioniques compactes pour la mission d'horloge atomique spatiale PHARAO10. D'une capacité de 3 L/s, ces pompes ont un blindage en mu-métal a n de minimiser le champ magnétique parasite. En tenant compte du blindage, cette pompe pèse 1, 5 kg et occupe un volume de 0, 6 L. Deux pompes sont installées sur l'enceinte de part et d'autre de la zone de piégeage. Elles sont reliées au reste de l'enceinte par l'intermédiaire d'une croix, permettant d'une part de conserver l'axe optique, et fournissant d'autre part une bride supplémentaire pour pouvoir relier le dispositif de pompage primaire, ou tout autre appareil d'analyse.
Fig. 2.6 - Dispenser de Rubidium (gauche) et getter en poreux de Zirconium (droite).
Getter La société SAES getters commercialise des tores poreux d'environ 1 cm de diamètre à partir de poudre de Zirconium (voir photo 2.6). Le principe de ces composants passifs est d'utiliser les propriétés d'adsorption des métaux réfractaires. De plus, pour maximiser la surface de contact, le matériau utilisé est poreux.
Le getter subit d'abord une étape d'activation, où il est chaué à 450◦Cà 10−1P apendant 10 minutes, a n d'enlever la couche de passivation faite d'oxydes. Son taux de pompage est alors de l'ordre de 1 L/s. Ce taux varie en fonction de l'espèce et de la température. Ainsi pour CO, CO2, O2 et N2, molécules qui ne sont adsorbées qu'en surface à température ambiante, le taux de pompage sera largement supérieur une fois le getter chaué à 150◦C, car les espèces gazeuses pourront alors diuser au coeur du poreux. Au contraire, le H2 qui est xé au poreux sous forme de solution solide, va être en équilibre thermodynamique avec le H2 gazeux dans l'enceinte. Ainsi, si la température augmente, la pression de H2 augmentera dans l'enceinte.
Nous avons placé un getter dans la zone de détection. Etant données la simplicité et la compacité de ce système de pompage, nous pourrions être tentés de remplacer les pompes ioniques par plusieurs getters. Toutefois ces dernièrs pompent très mal les gaz rares. Elles ne su raient donc pas à garantir un bon niveau de vide.
L'installation des trois pompes nous permet de maintenir, lorsque les dispensers ne sont pas en fonctionnement, le vide de 7.10−8 P a réalisé avec la pompe turbo-moléculaire et la pompe ionique de 60 L.s−1. Cette mesure vient du courant des pompes ioniques. Nous ne connaissons donc pas la pression ni dans le tube de chute, ni au niveau du cube de détection. Durant la suite de nos travaux, seules les deux pompes ioniques 3 L.s−1 et le getter ont été utilisés pour maintenir le niveau de vide dans l'enceinte.