Brevet FR2741153A1 — publié le 19970516

SOURCE DE RAYONNEMENT DE TYPE CORPS NOIR, AVEC CHAUFFAGE PAR INDUCTION DESCRIPTION Domaine technique L'invention se rapporte au domaine de la réalisation de cavités corps noir. Une telle cavité constitue une source de rayonnement dont l'énergie spectrale est déterminée par la loi de PLANCK, une fois sa température connue. Une telle source de rayonnement peut ainsi devenir un étalon secondaire, qui peut être par exemple utilisé pour l'étalonnage et le contrôle de pyromètres optiques, dans une gamme de températures difficilement accessible (aux environs de 3000 C). Etat de la technique On trouve dans l'art antérieur des réalisations de sources rayonnantes à très haute température, mais dont la mise en oeuvre est délicate, en particulier du point de vue commercial. Ainsi, on connaît le four à combustion, qui permet d'atteindre des températures élevées mais qui sont instables et difficilement contrôlables. L'installation de fonctionnement d'un tel four présente des problèmes de sécurité. Le four à bombardement électronique comporte une cavité placée dans une enceinte ultravide, arrosée par un canon à électrons. La haute technologie nécessaire au bon fonctionnement d'un tel four permet difficilement d'atteindre des températures stables et uniformes. Actuellement, la seule technique employée pour avoir des cavités de corps noir montant jusqu'à des températures voisines de 3000 OC est la technique dite du four chauffé par effet Joule. Dans ce type de four, une cavité conductrice est reliée à une source de courant. Quel que soit le mode de chauffage, elle doit être nécessairement mise sous vide, ou sous une atmosphère neutre, quand elle est portée à haute température, et ceci afin d'éviter l'oxydation du métal constitutif de la cavité. Les traversées étanches et le refroidissement du conducteur sont des problèmes technologiques qui sont à résoudre lors de la réalisation de tels fours. Les alimentations de courant, nécessaires pour le chauffage de ces cavités, débitent usuellement de l'ordre de 100 ampères sous 220 volts.Ces alimentations doivent être régulées, stabilisées et asservies à la variation de résistivité du circuit en fonction de la température. Ces cavités, en général en graphite, permettent d'atteindre une température réglable d'environ 1000"C à 30000C, une stabilité de la température à environ 0,1%, une uniformité de la température à l'intérieur de la cavité de l'ordre de 0,3%, une émissivité de la cavité de l'ordre de 0,99, et un diamètre d'ouverture de la cavité de 12 à 50 mm suivant le prix du dispositif. En fait, le choix du graphite limite les performances de ces cavités. La sublimation rapide de ce matériau, vers 3000"C, entraîne une détérioration progressive de la cavité, et donc une modification de son émissivité et surtout l'inhomogénéité de la température intérieure. De plus, la sublimation peut opacifier progressivement un hublot placé devant la cavité, et qui sert de liaison avec l'extérieur. Il est enfin à noter que, pour une puissance maximum de la source de courant utilisée, la température maximum atteinte par la cavité corps noir dépend de son ouverture, du fait des pertes radiatives ; une cavité ayant une température maximum de 3000"C, avec une ouverture de 16 mm, n'aura plus qu'une température de 25000C avec une ouverture de 25 mm. Exposé de l'invention L'invention a pour objet une nouvelle source de rayonnement permettant d'engendrer un rayonnement de type corps noir, à une température de l'ordre de 3000"C, et qui permet de s'affranchir des problèmes liés à l'utilisation des sources connues actuellement, notamment des fours chauffés par effet Joule (en particulier : problème des traversées étanches, refroidissement des conducteurs, régulation, stabilisation et asservissement des alimentations de courant, variation de résistivité du circuit avec la température). L'invention a pour objet une source de rayonnement de type corps noir, caractérisée en ce qu'elle comporte - une cavité conductrice, - un matériau isolant entourant la cavité conductrice, - des moyens pour réaliser un chauffage par induction de la cavité conductrice. Le fait d'utiliser un chauffage par induction permet de séparer physiquement d'une part la cavité, et d'autre part les moyens de chauffage. La cavité constitue en fait le secondaire d'un transformateur, tandis que les moyens de chauffage (par exemple une bobine) peuvent être maintenus à une température beaucoup plus basse que la cavité. Ces moyens peuvent donc être réalisés avec des matériaux type "basse température". Dans le cas d'une bobine, elle est reliée à son générateur par une connexion classique. Aucune liaison électrique n'est nécessaire entre la cavité et les moyens de chauffage. Le matériau isolant qui entoure la cavité en est donc plus efficace, puisqu'il n'est lui-même traversé par aucune liaison électrique. Les seules pertes dont il faut s'affranchir sont en fait les pertes radiatives, qui sont atténuées par le matériau isolant lui-même : on choisit donc de préférence un isolant thermique à très haut point de fusion, peu réactif avec l'élément conducteur de la cavité. Par ailleurs, l'isolant doit se présenter de préférence sous une forme manipulable, non pulvérulent, mais sous forme de grains agglomérés les oxydes de thorium ou de zirconium présentent de telles propriétés. Un autre choix possible est le graphite sous forme de mousse, intéressant du fait de sa non toxicité, à condition qu'il soit associé à une cavité elle-même en graphite.Dans ce cas, les moyens de chauffage fonctionnent de préférence à une fréquence de l'ordre de 4 kilohertz. Les dimensions géométriques de la cavité conductrice, ainsi que sa matière, peuvent être modifiées sans pour autant que l'on ait à modifier le circuit primaire, c'est-à-dire les moyens de chauffage. Il n'existe pas nécessairement d'adaptation d'impédance stricte entre la cavité et les moyens de chauffage par induction. Un autre avantage, lié à l'utilisation d'un chauffage par induction, est le fait que l'énergie est dissipée dans une profondeur de peau indépendante de la géométrie de la cavité conductrice. Il y a donc séparation des deux grandeurs : masse thermique et impédance de charge. La cavité elle-même a donc de préférence une masse suffisante pour lisser des fluctuations de la puissance fournie par les moyens pour réaliser le chauffage par induction. Des matériaux convenant bien pour réaliser une cavité ayant une masse suffisante sont par exemple le tungstène ou le graphite. De même la cavité a de préférence une forme facilitant l'homogénéité des températures par conduction. Ainsi, selon un autre mode particulier de réalisation, la cavité conductrice présente une symétrie cylindrique autour d'un axe. Ceci permet d'assurer une très grande isothermie de la cavité et facilite également une éventuelle observation optique suivant l'axe de la cavité. Ceci apporte un avantage supplémentaire du fait qu'un générateur par induction a une puissance maximum disponible plus importante qu'un générateur de courant. La cavité émettrice pourra donc avoir des ouvertures de 25 mm ou plus. Selon un mode particulier de réalisation, la cavité conductrice et le matériau isolant sont contenus dans un creuset réfractaire. Ce dernier est de préférence peu absorbant à la fréquence de chauffage utilisée, et de préférence transparent au rayonnement émis par la cavité et son isolant. Il peut être par exemple en silice fondue. La cavité conductrice est disposée dans le matériau isolant de manière qu'un rayonnement, produit dans la cavité, puisse s'en échapper. Ainsi, une ouverture peut être prévue dans la cavité. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un exemple de réalisation d'une source de rayonnement selon l'invention, - la figure 2 montre le schéma de l'association cavité/corps noir/système optique pour l'étalonnage des pyromètres, - la figure 3 montre l'évolution de la montée en température d'une source réalisée conformément à l'invention, - la figure 4 illustre la stabilité d'une source selon l'invention, à 3430 K. Description détaillée de modes de réalisation Dans l'exemple donné sur la figure 1, la source de rayonnement comporte une cavité conductrice 2, usinée dans un barreau de tungstène choisi pour son haut point de fusion (Tf=3410 C). La cavité 2 est placée dans un isolant thermique 4. Cet isolant permet de réduire l'action du rayonnement sur l'environnement extérieur, en particulier sur un creuset 8 contenant l'isolant et la cavité. L'ensemble est placé dans une enceinte sous vide constituée d'un cylindre de quartz 10, autour duquel est placée une bobine hélicoïdale 6. Cette dernière peut par exemple être contenue dans une enceinte sous atmosphère d'argon. Elle est reliée à un générateur, non représenté sur la figure, ce générateur fonctionnant par exemple à une fréquence d'environ 100 kilohertz. En fait, la fréquence est de préférence choisie de manière à ne pas induire de puissance significative dans l'isolant 4. L'isolant choisi dans l'exemple est de la thorine sous forme granulaire, qui est peu active chimiquement avec le tungstène pour des températures d'environ 3000"C. Sous cette forme, cet isolant supporte un fort gradient thermique, sans risque de rupture par contrainte thermomécanique. Le creuset 8 est en quartz, transparent, de 3 mm d'épaisseur. Il ne subit aucune contrainte thermique due au rayonnement issu de la cavité : ce dernier le traverse sans absorption. Dans l'exemple donné, l'ensemble creusetisolant-cavité est monté sur un support 12 dont le diamètre le plus large D1 est de 140 mm, tandis que le cylindre de quartz 10 présente un diamètre intérieur D2 d'environ 200 mm. L'ensemble est à symétrie axiale, l'axe étant vertical sur la figure 1. La cavité 2 et le creuset 8 présentent respectivement des ouvertures 14, 16 par lesquelles le rayonnement produit peut s'échapper. Un hublot 18, en silice fondue, fixé sur une bride en inox 20, refroidi par une circulation d'eau, permet la sortie du rayonnement vers l'extérieur. Ce hublot est protégé des dépôts éventuels de poussière, et de la métallisation, par un volet escamotable (non représenté) . Une autre technique de protection peut être par exemple un balayage de gaz sur le hublot.L'ouverture 16 du creuset 8 peut être fermée à l'aide d'un couvercle percé d'une fenêtre laissant passer le rayonnement émis par la cavité. Des moyens, non représentés sur la figure, sont par ailleurs prévus pour maintenir un vide dans l'enceinte 10 pendant toute la durée du chauffage. Ce pompage primaire permet d'atteindre un vide de l'ordre de 10-2 torr. L'isolant thermique est choisi de préférence non pulvérulent pour pouvoir être placé sous vide. Pour éviter une mise en suspension lors des opérations de pompage et de dégazage, on le choisit sous forme de grains agglomérés. Les matériaux comme les oxydes de thorium ou de zirconium satisfont à ces conditions. Il en va de même pour le graphite sous forme de mousse, associée à une cavité 2 en graphite, la fréquence de chauffage étant alors de préférence de l'ordre de 4 kilohertz pour éviter un couplage avec l'isolant. La cavité conductrice, à point de fusion élevé, est de préférence usinable et d'un coût relativement bas. Elle présente de préférence une forme appropriée et une conduction optimum garantissant l'isothermie, ainsi qu'une masse significative permettant de lisser les fluctuations de puissance de l'alimentation. Le tungstène et le graphite permettent de réaliser une cavité satisfaisant à ces conditions. Dans l'exemple de réalisation donné, la cavité est constituée d'un cylindre de 5 cm de haut et d'environ 3 cm de diamètre. Le choix d'une configuration présentant une symétrie de révolution autour d'un axe permet d'assurer une très grande isothermie de la cavité et facilite une observation optique. Cependant, un chauffage par induction, qui dissipe de l'énergie dans une épaisseur de peau superficielle, permet de générer un flux de surface indépendant de la forme de l'élément à chauffer, qui n'est donc pas limitée à une forme cylindrique. Quelle que soit cette forme, des épaisseurs de métal relativement importantes afin d'homogénéiser la température de cet élément, sans en dégrader l'impédance électrique, peuvent être retenues. Ceci présente en outre l'avantage d'assurer une bonne stabilité, du fait d'une masse thermique plus importante pour la charge. Une cavité débouchante peut même alors être aménagée, pour la visée optique, sans entraîner de dissymétrie de température, à la différence d'un barreau dans lequel des courants circulent et assurent le chauffage par effet Joule. L'exemple de réalisation donné ci-dessus a permis d'atteindre une température de 3100"C. Le contrôle a été fait par un pyromètre monochromatique à disparition de filament, associé à un hacheur optique (disque de Talbot). Ce dispositif est illustré sur la figure 2, où des références numériques identiques à celles de la figure 1 y désignent des mêmes éléments. En sortie de la source de rayonnement, dans l'axe de celle-ci, se trouve un pyromètre 22 à étalonner, monté sur un banc optique 24. Un miroir basculant 26 permet de dévier le rayonnement émis en direction d'un pyromètre monochromatique 28 monté sur un banc optique 30. Un hacheur optique 32 est disposé à l'entrée du pyromètre monochromatique 28. La figure 3 montre une évolution observée de la montée en température sur environ 106 minutes. On observe différents paliers, consécutifs à la montée en tension du générateur. La puissance électrique consommée par celui-ci était de 44 kW, au dernier palier, cette puissance étant alors limitée par crainte d'attaque chimique du tungstène par la thorine. La température mesurée était alors de 31300C, avec une incertitude de 40"C. Pour tester la stabilité de la cavité pour une puissance donnée de 44 KW, la température a été enregistrée pendant 7 minutes, à raison d'un point toutes les 14 secondes (voir figure 3). La fluctuation observée a été de + 2"C, ce qui paraît très acceptable par rapport aux autres causes d'erreur. Cette stabilité est due à la structure de la cavité : son caractère très compact permet de la rendre isotherme par conduction et la masse thermique de la charge est élevée. D'une façon générale, on choisira donc une cavité ayant une forme ramassée, qui permet d'atteindre une bonne stabilité. REVENDICATIONS 1. Source de rayonnement, de type corps noir, caractérisée en ce qu'elle comporte - une cavité conductrice (2), - un matériau isolant (4) qui entoure la cavité conductrice, - des moyens (6) pour réaliser un chauffage par induction de la cavité conductrice. 2. Source de rayonnement selon la revendication 1, la cavité conductrice ayant une masse suffisante pour lisser des fluctuations de la puissance fournie par les moyens pour réaliser le chauffage par induction de la cavité. 3. Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 ou 2, la cavité conductrice (2) étant en tungstène ou en graphite. 4. Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 3, le matériau isolant se présentant sous forme de grains agglomérés. 5. Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 4, le matériau isolant étant du zirconium, ou de l'oxyde de thorium. 6. Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 ou 2, la cavité conductrice étant en graphite et le matériau isolant étant du graphite sous forme de mousse. 7. Source de rayonnement selon la revendication 6, comportant des moyens d'alimentation des moyens de chauffage par induction, ces moyens d'alimentation fonctionnant à une fréquence de l'ordre de 4 kHz. 8. Source de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 7, la cavité conductrice et le matériau isolant étant contenus dans un creuset réfractaire (8). 9. Source de rayonnement selon la revendication 8, le creuset étant peu absorbant pour la fréquence utilisée. 10. Source de rayonnement selon l'une des revendications 8 ou 9, le creuset étant transparent au rayonnement émis par la cavité. 11. Source de rayonnement selon la revendication 10, le creuset étant en silice fondue. 12. Source de rayonnement selon l'une des revendications précédentes, la cavité conductrice présentant une symétrie cylindrique autour d'un axe.