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Sélecteur mécanique pour neutrons lents
G. Gobert, B. Jacrot
To cite this version:
51 A.
SÉLECTEUR
MÉCANIQUE
POUR NEUTRONS LENTSPar G. GOBERT et B.
JACROT,
Section des Réactions Nucléaires à Basse
Énergie,
C. E. N.,Saclay.
Résumé. 2014 On décrit un sélecteur mécanique de neutrons lents. Ce sélecteur est constitué de deux rotors distants de 1 mètre, et faisant 1 mètre de diamètre, tournant à 6 000 tours/minute.
La largeur de la raie obtenue est, dans les meilleures conditions, de 0,2 Å et la durée de l’impulsion
des neutrons de 50 03BCs. Les problèmes mécaniques rencontrés lors de la construction sont
analysés.
Abstract. 2014 A
mechanical selector of slow neutrons is described. It is constructed of two rotors (diameter 1 m) separated by 1 meter distance. The rotation speed is 6 000 r. p. m. The width of the line obtained is2014 in the best conditions2014 50 03BCs. Mechanical
problems
encountered during the construction are analyzed.PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 19, AVRIL
Depuis
quelques
années,
plusieurs
groupes dephysiciens
[1]
se sont attachés à l’étude de la dif-fusioninélastique
des neutrons lents par les solides. Leprincipe
desexpériences
estd’envoyer,
surun échantillon de substance à
étudier,
des neutronslents
monocinétiques
et de mesurerl’énergie
desneutrons diffusés à un
angle
donné.Pratiquement,
les neutrons incidentsmonocinétiques
sontrem-placés
dansbeaucoup
d’expériences [2]
par lapartie
d’unspectre
maxwellienqui
a traversé unfiltre cristallin
[3],
debéryllium
parexemple.
Avec cettétechnique,
on a un faisceaucomposé
deneutrons de
plus
grande longueur
d’ondequ’une
certainelongueur
d’ondecaractéristique
du filtre(3,95 A
pour lebéryllium).
Comme unspectre
maxwellien décroît très vite avec la
longueur
d’onde,
cettetechnique peut
être utilisée.Cepen-dant,
pour avoir desexpériences plus
précises,
il faut avoir unspectre
beaucoup
mieux défini enénergie.
Cecipeut
être fait à l’aide d’unspectro-mètre à
cristal ;
c’est latechnique qu’utilise
Brock-house[le].
Onpeut
aussi utiliser un sélecteurmécanique [1c].
Leprincipe général
est le suivant : unpremier dispositif
laisse passer unpaquet
deneutrons assez court en
temps.
Puis,
à une certainedistance,
un deuxièmedispositif
ne laisse passer que les neutrons de cepaquet
ayant
mis untemps
donné pourparvenir
au deuxièmedispositif.
Onréalise ainsi un monochromateur travaillant par
impulsions,
qu’on
peut
donc associer à unsystème
d’analyse
partemps-de-vol.
Nous avons construit un telappareil
en nousimposant
les conditions suivantes :1) largeur
à mi-hauteur de laraie
pro-duite :0,2 A
dans les meilleuresconditions ;
2) grande
facilitéde,
changer
lalongueur
d’onde transmise sanschanger
lalargeur
de laraie ;
3)
durée del’impulsion
50 us à mi-hauteur dans les meilleures conditions.Pour
ceci,
nous avonsadopté
undispositif
cons-titué par deux roues absorbantes tournantautour
d’un axe horizontal etportant
des fentesradiales.
Les roues ont 1 m de diamètre et sont situées à 1 m de
distance.
Une boîte dé vitesse derapport
1/1
connecte les 2 roues et
permet
la variation de lalongueur
d’ondetransmise.
FIG. 1. - Schéma de
principe du sélecteur
mécanique.
Lafigure
1 donne le schéma deprincipe
de cetappareil.
Nous décrivons successivement les diverses
parties
dusélecteur.
I. Rotors. -
a)
DESCRIPTION. -Chaque disque
est en duralumin monté sur un noyau en acier constituant l’arbre. Le
poids
dechaque disque
estde 135
kg.
Entre les diamètres 720 et 940 mm, setrouve le
logement
d’une couronne de cadmiumd’épaisseur 1,1
mm, rendueprisonnière
par une cou-ronne de même métal que ledisque.
Cettecouronne
de cadmium estpercée
de 8 fentes radiales .(50
X 16mm)
dont le centre est au rayon de 420 mm. D’autrepart,
au rayon250,
et dansle
plan
radial défini par lapremière
arête dechaque
fente àneutrons,
estpercé
unpetit
trou(3
X0,16
mm)
destiné à laisser passer unsignal
lumineuxsynchronisé
avec le début del’impulsion
FIG. 2. -
Coupe d’un rotor monté dans son enceinte étanche.
On voit le montage des joints tournants (a) et des roulements à billes
(b).
des neutrons. Laposition
de ce trou parrapport
àla fente à neutrons est définie à
quelques
micronsprès.
Les
signaux
recueillis par unphotomultiplicateur
(EMI 6099)
ont untemps
de montée à6 000
tours/mn
de l’ordre de 1 micro-seconde. Le tableau 1 donne lescaractéristiques
méca-niques
des divers matériaux utilisés. ,Ces rotors tournent dans deux carters à vide pour réduire la
puissance
consommée.b)
RÉSISTANCE. - Ledisque
ayant
des vitessespériphériques appréciables,
nous avons déterminé unprofil
tel que le métal ait unerépartition
de contraintesacceptable.
53 A
TABLEAU 1
FIG. ’ 4.
-Photographie
d’un rotor.nous nous sommes
inspirés
duprofil
hyperbolique
étudiépar
Stodola[4]
pour lesdisques
de turbines. Ceciétant,
nous avons calculé larépartition
descontraintes par la méthode
graphique
de Donathqui
consiste àdécomposer
ledisque
en tranches successivesd’épaisseur
identique,
et à étudier lecomportement
du métal aux lisières de chacune d’elles.Les résultats ont été
portés
sur lafigure
5 oùsont
représentées,
pour la vitesse de 6000 tours/mn
et à différents rayons, les contraintes radiales a,. et
tangentielles
Gtu.A titre
comparatif,
nousindiquons
par les courbes 6ro et ato les valeurs des contraintes dans le cas où ledisque
seraithomogène,
necomportant
ni cadmium ni couronne de serrage, ainsi que lesvaleurs ut,, pour le cas où le
disque
seraitégalement
homogène
mais nonprofilé
(disque plan).
L’épais-seur
(25
mm)
étant faible parrapport
au rayon, nous pouvonsnégliger
les variations quepeuvent
présenter
les tensions radiales ettangentielles
surl’épaisseur
dudisque.
Sur la même
figure,
nous avons tracé les courbes Gre et Gte des contraintes radiales ettangentielles
FIG. 5. - Courbes
théoriques
derépartition
descon-traintes à 6 000 t/minute :
a) disque plan homogène,
courbes 6tp ;
b) disqueprofilé
homogène, courbes 03C3t0, ar. ;c) disque profilé avec effet d’une couronne de cadmium, courbes Ot et a,u.
Ce dernier cas
correspond
aux rotors effectivement utilisés.propres à la couronne. Comme nous avons admis des valeurs relativement élevées dans notre déter-mination des contraintes
initiales,
nous avonsajouté
l’effet de cette couronne à celuiproduit
par le cadmium. Pour cette détermination des valeursinitiales,
nous avons considéré deux cas :I° Valeur de la
pression
spécifique produite
par le cadmium dans sonlogement, plus pression
pro-duite par la couronne
supposée
déformée. La valeur de la contrainte initialequi
s’ensuit a étésupposée
appliquée
à lapériphérie
pour la détermination duprofil
d’undisque
sans cavité.20 Détermination des contraintes initiales au
rayon 360 mm
(rayon
intérieur de lacavité)
en55
celles utilisées pour les hélices d’avions : on com-mence par un
forgeage
dudisque
avec sonprofil,
suivi d’une ébauche sur machine. Avant d’aborder les autres
phases
de cetusinage,
lesdisques
ont subi un vieillissement artificiel par variation detempérature
dans des ambiances différentes. Sanschanger
lescaractéristiques
dumétal,
cettestabi-lisation diminue considérablement les tensions internes et évite toutes les déformations dues aux
usinages
et auxvariations
detempérature
del’atmosphère
auxquelles peuvent
être’ exposés
par la suite lesrotors.
Cette méthode nous a
permis, après
montage
sur lamachine,
de constater à lapériphérie
desvoiles n’excédant
pas +
2/100
de mm.c)
MESURES PRATIQUES. - Il était essentiel devérifier que les contraintes
expérimentales
nedép,assaient
pas celles calculées car nous avonsadopté
un coefficient de sécurité de 2. Ces mesures de contraintes ont été effectuées au Centre d’Essai des Moteurs et Hélices deSaclay (C.
E. M.H.)
par MM. Le Meur et Darricaud.La mesure des contraintes
statiques
produites
par les effetsprécédemment
cités a été exécutée au moyen dejauges
extensométriques
dutype
AOIP 600 03A9(18
b25)
fixées avec de la colleFIG. 6. - Schéma de
montage des jauges de contraintes.
A chaque jauge de mesure (a) est associée une jauge de
compensation
(b).Duxofix. Les éléments résistants ont été
placés
auxrayons
170 et 303 mm. L’orientation desjauges
aucollage
permettait
la mesure des contraintestan-gentiélles
etradiales ;
elles ont étéjumelées
defaçon
àpouvoir
obtenir desrecoupements
pendant
les essais.Pour chacune de ces
jauges,
le facteur desensi-bilité est K
= ~R /AL
2,1 OÙ ~RAL
bilité
est K~/R/R /
AL2,1
OÙ ~R/R
et AL
sontbihte
est K=R
R/ L/
L
= 2,1
ouR
et---
L sont les variations relatives de la résistance et de lalongueur.
Les difficultés d’une telle mesure sont lessuivantes : .. , , 1
1)
Elle doit s’effectuer enrégime
dynamique,
c’est-à-dirependant
la rotation de lapièce
expéri-mentée. Ceci
oblige
à faire passer le circuitélec-trique
de mesure par uncollecteur,
organe délicatqui
doit être de très bonnequalité
oet où lefrot-tement des balais et les variations des résistances de contact
peuvent
avoir desconséquences
impor-tantes.
.2)
L’influence de l’humidité et de latempérature
sur la résistance de lajauge
doit êtrecompensée
enplaçant
sur le même rayonque-les jauges
de mesure desjauges
témoins montées sur desplaquettes
intermédiaires et soumises à aucun effort. Ces der-nières se trouvent ainsi dans les mêmes conditions(vitesse
périphérique,
frottement sur l’airrésiduel,
température)
queles jauges
de travail.Les résultats
pratiques
ontété
reportés
sur laFm. 7. - Résultats
expérimentaux des mesures de
col-traintes (décembre 1956). On voit que les contraintes effectives sont toujours inférieures à celles calculées..
figure
7 et traduisent unniveau
de contraintes effectives inférieur de 20% environ
à celui obtenupar le
càlcul. ’ -d)
ÉQUILIBRAGE.
VITESSTS CRITIQUES. - La vitessecritique
laplus
basse dechaque
rotor a-été
déterminée àpartir
du calcul de la flèchestatique.
Cette flèche est de3,75
microns. Lavitessé ,critique
correspondante
est de 15 400tours/mn,
,cequi
estbien au-dessus de la vitesse de rotation utile. Par
ailleurs, chaque disque
a étééquilibré
stati-quement,
puis
dynamiquement.
L’équilibrage
dynamique
a étéfait
au C. E. M.H.
sur unemachine
Biring
à une vitesse de 400-tours/mn.
Laprécision
obtenue est de 5g/cm.
Les
correctionsont été faites par
meulage
du flan dudisque..
Les,fentes à neutronspeuvent
être obturées parcon-trôle. très strict de l’identité en
poids
despièces
d’obturation.
II.
Accouplement.
Boite de vitesse. - Laliaison des rotors doit être assurée de
façon
rigide,
afin d’assurer une constance dedéphasage
entre les deux rotors. Pourcela,
nous avons solidarisé les roues par unsystème
à engrenages de résistancemécanique
élevée et de hauteprécision.
Nous avonsaccouplé
les roues à ce transmetteur à engrenage par desaccouplements
dutype
«Comelor-Fouge-rolles » constitués de
plateaux
à denture extérieuremontés sur les arbres et de
coquilles
à dentureinté-rieure assurant la transmission du mouvement. Ces
accouplements
ont étééquilibrés
avec une machine« GISHOLT » du C. E. M. H. avec une
précision
de 1g/cm.
Al’arrêt,
l’ensembleaccouplé
présente
un écart
angulaire
maximum de 1degré
dû auxjeux.
Enrotation,
cesjeux
n’ont presque aucun effet et ledéphasage
reste stable à environ 1 Ilsprès
si la vitesse de rotation dc moteur restecons-tante dans le domaine d’utilisation de la machine. Le transmetteur à engrenage
(construction
Maag
àCourbevoie, Seine) permet
de faire varier àn’importe
quelle
vitessel’angle
dephase,
encompo-sant un vecteur
lent,
à unplanétaire
intérieur,
avec. FIG. 8. - Schéma de
principe
dusystème
d’accouplement
des deux rotors. les vecteurs de rotation continue.(fig.
8).
Cemou-vement auxiliaire est obtenu par un moteur à
courant
continu, entraînant
un réducteur. Le réducteur est uneapplication
particulière
du train de Peckeur[2].
Ce moteurpeut
également
être alimenté par un stabilisateurélectronique
dephase
construit par M.
Eisenberg,
quai
a pour effet demaintenir la
phase
constante même si la vitesse des rotors varie. Ceci est utile car cette vitesse fluctue .de ±
1%
avec letemps.
III. Bâti.
- 1)
Le bâti de cette machine estconstitué d’une
plate-forme
en tôle soudéecroi-sillonnée et dont les
longerons principaux
sont enprofilés
1 de 140 mm de hauteur. Cetteplate-forme
de 920
kg
est montée par l’intermédiaire de vérinshydrauliques
sur dessupports
roulantsindé-pendants.
Les enceintes des rotors sont faites par un
assem-blagé
de fondsemboutis
usinés de 2 cmd’épaisseur
et de
1,20
m dediamètre,
lapartie
convexe estextérieure. Ces enceintes sont liées à la
plate-forme
par des vérins àvis,
ceci afin depermettre
l’ali-gnement
des axes.IV. Puissance d’entraînement.
Système
de vide.- Cette
puissance
doit vaincre :1)
les frottementspurement
mécaniques ; 2)
les frottements dudisque
sur l’airrésiduel ; 3)
les forces d’inertie et assurer undémarrage
progressif.
Cette
puissance
doit êtreréglable
etpermettre
d’obtenir
plusieurs
vitessescontinues ;
pourcela,
FiG. 9. - Puissance absorbée par les divers éléments de
57
nous avons choisi un ensemble
Ward-Leonard.
Le moteur d’entraînement des rotors de 6 kW assureun,démarrage
en 1 heure avec’unegrande
résis-tance aux échauffements.
Pour
chaque
rotor,
l’inertie esteensiblement
1,25
kgm/s2.
Uncouple
de0,4
m.kg
et unepuis-sance de
3,5
ch sont donc nécessaires. Pour vérifiernos
prévisions énergétiques
et connaître aussipar-faiteinent que
possible
lespuissances
defrottement,
nous avonsprocédé
à une série d’essais dont les résultats sontportés
figure
9. Pour cequi
concerne les frottements surl’air,
nous avonsporté figure
10Fie. 10. -
Puissance consommée par un rotor tournant
à l’air libre, en fonction de la vitesse de rotation.
les résultats de nos essais de
juillet 1956,
effectués à l’airlibre,
de 500 à 3 500tours/mn.
Ces essaisconcernent un seul rotor. Afin d’éliminer ce
frot-tement,
nous avons montéchaque
rotor dans une enceinte de 250 dm3 decapacité
oùle
videdyna-mique
est obtenu par une pompe àpalettes
de 38 m3 de débit aux
pressions
ordinaires.En fonction de la
pression,
nous avonstracé,
pour deuxvitesses,
les courbes depuissance
sur lafigure
11. Ces résultats montrentqu’un
vide dequelques
millimètres de mercure est suffisant. Dans ce cas, l’étanchéité est assurée par un sys-tèmede
joints
tournants dutype
PACIFIC,
com-posé
d’ungrain
en acier stellitérectifié,
tournantavec l’arbre et frottant sur deux
grains
fixes encarbone
(vicarb).
L’épaisseur
de lapartie
frot-tante est de.4 mm. La fibre moyenne de cette
partie
frottante a une vitesse de 15m/s.
La lubrification de ce
système
est assurée par unecirculation d’huile Shell turbo 3 à 40
Engler
avec un débit de 11/mn ;
cettehuile
entretient
le film etévacue les calories en
passant
dans un bac de 15 litres refroidi par l’eau circulant dans unser-pentin.
Latempérature
despaliers
est ainsi stabi-lisée aux environs de 600.____._ _ _ FIG. 11. - Variation de la
puissance
consommée en fonc-tion de la pression dans les enceintes où se trouvent lesrotors., La distance entre un rotor et les parois de son
enceinte sont comprises entre 50 et 100 mm.
A l’extérieur de cet
ensemble;
se trouvent les roulements à billes en contact avec l’air et lubrifiés par undispositif
à vapeur d’huile SKFfonction-nant avec une
pression
d’aircomprimé réglée
de 300 à 500 grammes.V. Circuits
éleétriques.
---L’appareillage
élec-trique
estcomposé
principalement
desdispositifs
nécessaires à l’alimentationautomatique
du moteurd’entraînement.
Le groupe Ward-Leonard exécute les ordres émis
’
d’un
pupitre
decommande,
par l’intermédiaire d’unjeu
de relais.Le groupe
principal comprend
uneexcitatrice,
alimentant,
sous une tension continue de 120volts,
les inducteurs dumoteur,
de lagénératrice
et dumoteur de
déphasage.
Ledémarrage
du moteurs’effectue sous tension variable obtenue par
court-circuit
mécanique
des résistances montées en série dans le circuit inducteur de lagénératrice.
Sur la
planche
12, figurent
schématiquement
toutes ces
opérations,
ainsi que les circuits annexes,lesquels
sont :circuit
de pompe à huile asservissant lamachine ;
circuit de pompe àpalettes ;
circuit decommande
du moteur dedéphasage
avec stabilitéautomatique..
D’autre
part,
desdispositifs
de sécurité assurent l’arrêt de la machine en cas d’échauffement d’un despaliers
ou d’accroissementd’intensité
dû à uneaugmentation
depuissance
consommée
FIG. 12. - Schéma des circuits électriques des machines assurant le fonctionnement du sélecteur.
VI. Vibrations de la machine. - Les
premiers
essais avec la machine ont fait
apparaître
l’exis-tence d’un maximum accentué du niveau des
vibra-Fie. 13. -
Amplitude
des vibrations mesurées sur une desenceintes à vide (côté moteur). Les vérins sont en
posi-tion extrême basse (sans huile).
tions de la machine à une vitesse voisine de 6 000
tours/mn,
vitesse normale d’utilisation. Lafigure
13 montre la variation del’amplitude
des vibrations avec la vitesse de rotation. Cesvibra-tions sont détectées et mesurées avec un
capteur
Philips
PR 9260placé
sur une des cloches à vide(côté
moteur).
Cette clochejouant
un rôled’ampli-ficateur,
lesamplitudes
ainsi mesurées sontplus
importantes
que celles des vibrations existant dansles
paliers.
Diverses courbes ont été tracées en variant laposition
ducapteur.
Ellesgardent
l’alluregénérale quelle
que soit laposition
ducapteur.
Elles sont toutes caractérisées par trois
pics
prin-cipaux
vers 1500,
3 000 et 6 000tours/mn.
Les fré-quences de ces vibrationscorrespondent
essentiel-lement à la vitesse de rotation.Une étude
systématique
a étéentreprise
pourrechercher
l’origine
de ces vibrations. Lesmaxi-mums observés ne
peuvent
correspondre
à des vitessescritiques
desrotors,
car ces vitessescri-tiques
ont desvaleurs
biensupérieures
à cellescorrespondant
aux vitesses de rotation. Ceci a été confirmé par le faitqu’une
amélioration del’équi-librage
dynamique
des rotors etaccouplements
estsans action sur les vibrations. On a de même vérifié
que
le moteur n’avait pas de vitessecritique
dans le domaine de vitesse utile. Il semble donc bien que l’on soit en face des résonances du bâti de lamachine. Ceci a été vérifié par la mesure de la
réponse
du bâti à des excitations artificielles de59 A
L’élimination
deces
résonances du bâti semble difficile car il est difficile dechanger
larigidité
dusystème..
Deux choses ont alors été faites :a) calage
soigné
de la machine pour éviter toute oscillation d’ensemble dubâti ; b)
amortissement desvibra-tions,
en faisant reposer la machine sur des vérinshydrauliques.
Une mince couche d’huile suffit àl’amortissement. Les résultats obtenus sont, résu-més par la courbe de la
figure
14. Leniveau’
moyen
Fie. 14. -
Amplitude
des vibrations, les vérins étant souspression. La différence entre les figures 12 et 13 fait apparaître l’effet de l’amortissement.
de vibration ainsi obtenu est satisfaisant surtout
si l’on tient
compte
du fait que 1 e niveau effectif estbeaucoup plus
faible sur lespaliers.
Prochainement,
des essais seront effectués pourchanger
larigidité
du hâti.-Conclusions. -- Le
montage
etles
essaisprin-cipaux
ont été terminés en mars 1957.Certains éléments ont subi
quelques
mises aupoint, principalement :
lesgarnitures
tournantesd’étanchéité fournies par la Société
P ACIFIC’ ;
les
roulements àbilles,
oscillants à doublerangée,
du
type
SKF à cages en acierembouti,
ont étérem-placés
par des roulements SKF de fabricationsuédoise,
à cages massives en bronze.Les mesures des vibrations ont mis en évidence
l’intérêt du
montage
sur vérinshydrauliques,
maisl’expérience
a montré que leur fidélité deréglage
avec le
temps
n’estpas certaine ; actuellement,
unsystème permettant
d’obtenir les mêmescaracté-ristiques dynamiqués
que celles desvérins,
maisconservant de manière
rigoureuse
laposition
dansl’espace,
de lamachine,
est à l’étude.L’appareil
installé à la sortie d’un canal de lapile
EL 2depuis
mars1957
a donnétoute
satis-faction,
montrantqu’un
telsystème
àdeux
rotorsliés
mécaniquement
estparfaitement
viable. Parrapport
à unspectromètre
àcristal,
cesystème
pré-sente une moins bonne
résolution,
mais une inten-sitéplus
forte. Le choix entre les deuxtechniques
dépend
dutype
del’expérience
envisagée.
Nous tenons à remercier le C. E. M. H. pour toute
l’aide
apportée
dans les mesures(mesures
descon-traintes,
équilibrage
etvibrations)
et par lesfruc-tueuses discussions que nous avons eues en
parti-culier avec MM.
Chaudron,
Darricaud et Platzer. Manuscrit reçu le 23 janvier 1958. BIBLIOGRAPHIE[1] a) CARTER (R. S.), PALEVSKY (H.) et HUGHES (D. J.), Phys. Rev., 1957, 106, 1168.
b) PELAH (I.), EISENHAUER (C. M.), HUGHES (D. J.)
et PALEVSKY (H.), Phys. Rev., 1957, 108, 1091. c) JACROT (B.), C. R. Acad. Sc., 1955, 240, 745. d) BROCKHOUSE (B. N.) et STEWART (A. T.), Phys. Rev.,
1955, 100, 756.
e) BROCKHOUSE (B. N.), Canad. J. Phys., 1955, 33, 889. Cette liste n’est pas exhaustive.
Voir aussi :
f) Comptes rendus de l’ « International Conference on
current problems of crystal
physics
», M. I. T.,July 1957. A
paraître
dans Phys. Rev.g) Comptes rendus de la Conférence de Stockholm,
octobre 1957, sur les neutrons et la physique du solide. A paraître, permettront de connaître les derniers travaux effectués dans les laboratoires de Brookhaven, Chalk-River, Harwell,
Saclay
etStockholm.
[2] PALEVSKY
(H.),
Ned. T. Natuurk., 1957, 23, 249. On pourra se référer à laplupart
des travaux utilisant cette technique.[3] HUGHES (D. J.), Pile Neutron Research,
Addison-Wesley, 1953.
[4] STODOLA, Die Dampf Turbinen, 1924