Brevet FR2543295A1 — publié le 19840928

Appareil destiné à mesurer des pressions de tritium allant de 0,1 mbar à 100 bar. L'invention se rapporte à un appareil desti- né à mesurer des pressions de tritium allant de 0,1 mbar à 100 bar. Le tritium est nouvellement disponible en grande quantité, à des prix supportables, et égale- ment en une pureté élevée, en sorte que la technologie du tritium gagne en importance Il faut en outre s'attendre à avoir à manipuler d'assez grandes quanti- tés de tritium en liaison avec des réacteurs de fusion futurs La mesure de la pression du-tritium prend donc de plus en plus d'importance. Pour l'instant, on recommande et on utilise pour la mesure et le contrôle de la pression du tri- tium, dans le domaine mentionné ci-dessus, des cap- teurs de pression par voie capacitive qui donnent, sui- vant l'état présent de la technique, des valeurs de mesure de la plus grande précision Ces capteurs de pression sont très coûteux et ne conviennent que pour mesurer la pression totale En outre, leur sensibilité considérable aux vibrations est très gênante. La présente invention vise donc à développer un appareil de mesure des pressions pour une grande plage de pressions qui soit robuste, insensible aux vibrations et d'un prix favorable, et qui donne des valeurs de mesure d'une grande précision. L'appareil destiné à mesurer les pressions suivant l'invention est caractérisé par un boîtier pouvant être raccordé, notamment pouvant être bridé, une électrode cylindrique de préférence séparée du boîtier et une mince électrode négative axiale qui sont reliées ou qui sont à relier à une source de tension comprise entre O et 200 V, ainsi qu'un pico- ampèremètre ou une résistance élevée dans le circuit source de tension-électrodes avec un voltmètre mesu- rant la chute de tension aux bornes de la résistance. A l'aide d'un tel appareil, on peut détermi- ner non seulement les pressions de tritium du tritium pur, mais les pressions partielles de tritium mélan- gées à des gaz étrangers On peut en outre utiliser une technique de montage variable (en série et en dérivation) Le coût d'un tel appareil de mesure sui- vant l'invention est plus bas d'un facteur de 10 environ que celui du capteur de pressions connu. Dans un appareil de mesure suivant l'inven- tion, on sépare les électrons formés par la désinté- gration radioactive et les ions chargés positivement dans des champs électriques et on en tire parti pour la mesure du courant électrique, qui est proportion- nelle au nombre d'atomes de tritium désintégrés et donc à la pression de tritium Avantageusement, on choisit, comme indiqué ci-dessus, un agencement co- axial des électrodes avec une mince électrode négati- ve axiale à laquelle sont collectés les ions 3 He qui n'ont qu'une faible énergie, tandis que les par- cules e qui, après la désintégration, ont une éner- gie de 5,9 ke V environ atteignent l'électrode cylin- drique de grande surface. La tension appliquée sert en première appro- ximation, indépendamment de la valeur absolue de la pression, à ce que les porteurs de charge produits (particules e-, ions He+ et paires de porteurs de charges formées par collision), parviennent aux élec- trodes D'une manière plus précise cependant, au fur et à mesure que la pression s'élève, le nombre de porteurs de charges, d'une part est augmenté par ioni- sation, et d'autre part est diminué par la recombinai- son qui est plus grande C'est-pourquoi il faut appli- quer aux électrodes, notamment pour des valeurs de pression assez élevées, une tension assez élevée (su- périeure ou égale à 80 V) qui s'oppose à la recombi- naison Il faut en outre limiter l'écartement des électrodes de préférence à 10 mm, des difficultés de construction pouvant se produire pour des valeurs inférieures à 2 mm De préférence, les écartements des électrodes sont compris entre 4 et 6 mm. La collecte des porteurs de charge sur les électrodes peut être déterminée au moyen d'un appareil sensible de mesure du courant électrique, ou en déter- minant la chute de tension sur une grande résistance montée en aval à l'aide d'un voltmètre adéquat. Un avantage particulier de l'invention réside dans le fait que toutes les parties peuvent être fabri- quées en matériaux qui admettent un échauffement de l'appareil de mesure de la pression, à 2500 C environ. L'indication de la mesure sur l'appareil de mesure suivant l'invention suppose, bien entendu, un étalonnage préalable qui s'effectue à température constante et la fiabilité de l'indication dépend donc du degré suivant lequel la température de mesure cor- respond à la température d'étalonnage. Pour un contrôle très précis de la pression de gaz, qui présente des températures différentes, on recommande donc un contrôle supplémentaire de la tem- pérature, grâce auquel on détermine la température de mesure T Une correction de pression peut alors s'effectuer sans difficulté suivant l'équation T P PO T O Cette correction peut, bien entendu, être effectuée aussi automatiquement par une amplification corres- pondante du signal à mesurer. Avec un étalonnage adéquat, on peut bien en- tendu utiliser l'appareil de mesure des pressions suivant l'invention également pour mesurer des pres- sions d'autres isotôpes ou mélange d'isotopes radio- actifs se présentant sous la forme de gaz. D'autres avantages de l'invention ressortent de la description qui va suivre en regard des dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une tête de mesure suivant l'invention-; la figure 2 représente une courbe d'étalônna- ge prise avec un tel appareil; - la figure 3 est un schéma de connexion pour la détermination de la valeur de mesure;-et la figure 4 est un schéma d'une tête de mesu- re pour un montage en série. Les composants essentiels de la tête de mesu- re des pressions représentés à la figure 1 sont une électrode intérieure 1 chargée négativement et une électrode extérieure 2 positive cylindrique dans un bottier 3 qui sont mises sous tension, en passant-par des traver- sées en céramique 4 L'électrode intérieure est en acier fin et a un diamètre de 1 mm, tandis que l'élec- trode extérieure 2 est formée d'un cylindre de cuivre ayant un diamètre -intérieur de 12 mm. Le bottier 3 est prolongé, dans la partie supérieure, par deux brides pour vide ultra-poussé (par exemple CF 16 de Leybold) et est fermé, par un capot 7 posé de manière étanche, au moyen d'un joint torique 6 Ce capot 7 protège les traversées de céra- mique et sert, en outre, de bottier supplémentaire pour empêcher des fuites de tritium en cas de défaut d'étanchéité des traversées en céramique Une vis en céramique 8 permet de fixer, de manière isolée, le cylindre de cuivre 2 sur la bride de montage 5 Un accouplement inférieur 9 pour vide ultra-poussé (par exemple Cajon de Fest) permet le raccordement de la tête de mesure au récipient 10 contenant le gaz à mesurer. La figure 2 représente la chute de tension en fonction de la pression du tritium,déterminée à l'aide d'une telle tête de mesure, aux bornes d'une résistance de 1 m Q pour une tension appliquée de 22,6 V Comme on le voit, la courbe s'aplatit légère- ment dans la région des pressions élevées -On peut encore améliorer la linéarité de la courbe d'étalonna- ge dans cette région en appliquant une tension plus élevée et en ayant des écartements des électrodes plus petits. La figure 3 représente un montage électrique pour mesurer la chute de tension aux bornes de la ré- sistance Il: la chute de tension aux bornes de la ré- sistance 11 est déterminée par un instrument de mesure universel numérique 12 (par exe Ttlple 7 HP 3468 A de Hewlett Packard) La calculatrice de poche 13 (par exemple HP 41 C de Hewlett Packard} commande l'instru- ment de mesure universel numérique 12 en introduisant le nombre correspondant à la tension de l'instrument de mesure universel numérique 12 dans le registre fixe du HP 41 C, par leintermédiaire de l'interface HP-IL 14 (par exemple HP 82160 A de Hewlett Packard), en trans- formant la valeur de tension,par l'intermédiaire de -2543295 la courbe caractéristique,en le nombre indiquant la pression correspondant et en renvoyant ce nombre à l'instrument de mesure universel numérique, par l'intermédiaire du bus eu HP- IL, afin de le faire appa- raître sur le dispositif d'affichaqre Le processus se déroule suivant une boucle sans fin dans la calculatrice de poche 13, de sorte que l'instrument de mesure univer- sel indique la pression qui règne. La courbe caractéristique représentée à la figure 2 a été subdivisée en 12 sections, une approxi- mation de chaque section de la courbe ayant été obte- nue par une fonction analytique des valeurs de mesure. L'erreur relative entre les valeurs de pres- sion obtenues avec l'appareil décrit ci-dessus et un capteur de pression par voie capacitive est inférieure à 0,5 % pour des pressions supérieures à 7 mbar. Dans ce traitement de signaux, on ne met en oeuvre que des composants qui peuvent avoir des usa- ges multiples (comme un voltmètre numérique et une calculatrice de poche) et qui sont relativement bon marché Le système peut être complété, sans autre difficulté,par une imprimante (par exemple HP 82162 A de Hewlett Packard) pour l'impression des valeurs de mesure. La figure 4 représente un type de réalisation de l'appareil de mesure suivant l'invention à faire fonctionner en passage direct, ou à des endroits de raccordement, et qui ne nécessite pas d'explications particulières Les éléments correspondant au type de réalisation suivant la figure l portent les mêmes signes de référence. REVENDICATIONS 1 Appareil destiné à mesurer des pressions de tritium allant de 0,1 mbar à 100 bar, caractérisé par un bottier ( 3) pouvant être raccordé, notamment pouvant être bridé, une électrode positive ( 2) cylin- drique de préférence séparée du boîtier et une mince électrode négative ( 1) axiale,qui sont reliées ou qui sont à relier à une source de tension comprise entre 0 et 200 V, ainsi qu'un picoampèremètre ou une forte résistance ( 11) dans le circuit source de tension- électrodes,avec un voltmètre ( 12) mesurant la chute de tension aux bornes de la résistance. 2 Appareil suivant la revendication 1, ca- ractérisé par un bottier ( 3) tubulaire ayant des élé- ments de raccordement, notamment des brides de raccor- dement du côté frontal ( 9) 3 Appareil suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par un écartement des électrodes compris entre 2 et 10 mm. 4 Appareil suivant la revendication 3, ca- ractérisé par un écartement des électrodes allant de 4 à 6 mm. Appareil suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de ten- sion fournit une tension continue constante allant de à 120 V. 6 Appareil suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par une résistance ( 11) dans le circuit source de tension-électrodes de 1 megai et par un voltmètre numérique ( 12). 7 Appareil suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties consti- tutives sont en des matériaux qui admettent un échauf- fement à 250 'C. 8 Appareil suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par une sonde supplémentaire destinée à contrôler la température de mesure T et un circuit destiné à amplifier le signal de mesure pro- portionnellement au quotient T/T (avec To = tempéra- ture d'étalonnage de l'indication de pression). 9 Appareil suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par un dispositif supplémen- taire de mesure de la pression totale pour des mesu" res de la pression partielle dans le doma inè des grandes proportions de gaz étrangers. 10 Utilisation de l'appareil de mesure sui- vant l'une des revendications précédentes, pour mesu- rer la pression d'isotopes radioactifs se présentant sous forme gazeuse, au lieu de la pression du tritium, avec des données d'étalonnage correspondantes.