Brevet FR2964242A1 — publié le 20120302

DISPOSITIF POUR MESURER LA PRESSION RESIDUELLE DANS UNE ENCEINTE A VIDE SCELLEE, NOTAMMENT UNE AMPOULE A VIDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée. Elle s'applique notamment à la mesure de la pression résiduelle à l'intérieur des tubes à vide (en anglais, vacuum tubes) et des ampoules à vide (en anglais, vacuum interrupters), lors de la production de ceux-ci ou lors de la vérification de leur bon fonctionnement après une longue période de stockage ou d'utilisation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît déjà des dispositifs pour mesurer la pression résiduelle dans des enceintes à vide scellées. Ces dispositifs connus sont fondés sur le principe de la décharge magnétron et utilisent de ce fait un champ magnétique axial. Dans ces dispositifs connus, ce champ magnétique axial est engendré par un électroaimant, plus précisément une bobine électromagnétique. Ces dispositifs connus présentent l'inconvénient d'être coûteux à fabriquer et à exploiter. En outre, le document US 3 575 656 divulgue la possibilité de remplacer une bobine 2 électromagnétique par un aimant permanent en forme d'anneau pour créer un champ magnétique axial dans un appareil de mesure de la pression résiduelle d'une ampoule à vide que l'on place à l'intérieur de l'aimant permanent. Mais l'aimant permanent est d'un seul tenant. Or, plus la taille d'une ampoule à vide augmente - rappelons que le diamètre d'une telle ampoule peut atteindre 20 cm voire plus - plus il est difficile et coûteux de fabriquer un aimant permanent d'un seul tenant, qui soit capable de recevoir l'ampoule à vide, a fortiori si l'on veut que l'intensité du champ magnétique soit élevée à l'intérieur de l'anneau formé par l'aimant permanent. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Elle a pour objet un dispositif pour mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée, notamment une ampoule à vide, contenant deux électrodes entre lesquelles on peut établir un espace, le dispositif comprenant : un organe pour engendrer un champ magnétique axial dans l'enceinte, l'organe comprenant un aimant permanent, ayant sensiblement la forme d'un anneau, apte à entourer l'enceinte et y créer un champ magnétique sensiblement uniforme suivant l'axe de l'anneau, un circuit pour appliquer une haute tension entre les électrodes, le champ magnétique 3 coopérant avec la haute tension pour engendrer une décharge magnétron dans l'enceinte, et un circuit pour mesurer un courant électrique résultant de la décharge magnétron et pour déterminer la pression résiduelle à partir du courant ainsi mesuré, le dispositif étant caractérisé en ce que l'aimant permanent, ayant sensiblement la forme d'un anneau, comprend un ensemble d'aimants permanents élémentaires, formant une structure cylindrique, apte à créer le champ magnétique sensiblement uniforme suivant l'axe de l'anneau. La présente invention permet de réduire les coûts de fabrication et d'exploitation d'un dispositif destiné à mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée. En effet, dans l'invention, on remplace un électro-aimant, plus précisément une bobine électromagnétique, par un aimant permanent. De ce fait, aucune puissance électrique n'est nécessaire, alors qu'un électroaimant nécessite une puissance de 3 kVA à 5 kVA pour mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée. De plus, dans le cas de l'aimant permanent, l'obtention du champ magnétique ne nécessite aucune alimentation électrique ; et il n'y a aucun risque d'échauffement puisqu'aucune puissance électrique n'est nécessaire. En outre, un aimant permanent est moins coûteux à fabriquer qu'un électroaimant et ne nécessite aucun contrôle-commande pour le champ magnétique. Et 4 l'aimant permanent engendre un champ magnétique constant ; il n'y a pas de phénomène d'hystérésis. Par ailleurs, l'utilisation d'aimants permanents élémentaires, pour constituer l'aimant permanent ayant les caractéristiques requises, facilite la fabrication de ce dernier et en réduit le coût. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif, objet de l'invention, la structure cylindrique est un empilement d'anneaux élémentaires, chaque anneau élémentaire comprend des aimants permanents élémentaires juxtaposés, et tous les aimants permanents élémentaires de la structure sont aimantés dans le même sens, parallèlement à l'axe de l'anneau. Dans ce cas, le dispositif est tout particulièrement simple à fabriquer et à assembler. De préférence, les aimants permanents élémentaires sont identiques les uns aux autres et les anneaux élémentaires sont également identiques les uns aux autres. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention, les aimants permanents élémentaires des anneaux élémentaires de rang pair forment des rangées parallèles à l'axe, et les aimants permanents élémentaires des anneaux élémentaires de rang impair forment des rangées parallèles à l'axe, qui sont décalées, en rotation autour de l'axe, par rapport aux rangées correspondant aux anneaux élémentaires de rang pair. De préférence, les aimants permanents élémentaires ont une forme parallélépipédique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les aimants permanents élémentaires sont montés sur des supports amagnétiques. De préférence, le dispositif, objet de 5 l'invention, comprend en outre un blindage magnétique qui entoure l'aimant permanent, tout en permettant l'introduction de l'enceinte à vide scellée dans l'anneau formé par l'aimant permanent. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif connu, pour mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée, - la figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif, objet de l'invention, pour mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée, ce dispositif utilisant un aimant permanent, - la figure 3 est une vue schématique de l'aimant permanent, utilisé dans le dispositif représenté sur la figure 2, - la figure 4 est une vue schématique d'un support amagnétique, utilisable pour assembler des aimants permanents élémentaires de l'aimant représenté sur la figure 3, 6 - la figure 5 est une vue schématique d'un ensemble de supports amagnétiques, utilisables pour assembler tous les aimants permanents élémentaires de cet aimant, - la figure 6 montre les variations de l'induction magnétique B (r, z) engendrée par un aimant permanent du genre de celui qui est représenté sur la figure 3, en fonction de z, lorsque r est nul, où z est une coordonnée axiale, comptée parallèlement à l'axe de l'aimant, et r est une coordonnée radiale, comptée orthogonalement à cet axe, - la figure 7 montre les variations de l'induction magnétique B (r, z) en fonction de r, lorsque z est nul, et - la figure 8 est une vue schématique d'un blindage magnétique, utilisable dans la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les ampoules à vide sont des organes scellés à vie dans lesquels règne un vide poussé : dans ces ampoules, la pression résiduelle est de l'ordre de 10-8 mbar à 10-4 mbar (10-6 Pa à 10-2 Pa). Il est indispensable de mesurer la pression résiduelle à l'intérieur d'une ampoule à vide, lors de sa production ou lors d'une vérification après une longue période de stockage ou d'utilisation. Des mesures effectuées à intervalles réguliers et relativement courts (plusieurs jours) juste après la production permettent, grâce à des 7 méthodes d'extrapolation, de garantir l'absence de fuite dans l'ampoule à vide. Il est impossible d'effectuer une mesure avec des outils classiques tels qu'une jauge standard sur une ampoule scellée. C'est pourquoi la mesure par décharge magnétron est utilisée. Le principe de cette mesure est de créer un champ électrique typiquement de l'ordre de 0,5 kV/mm à 1 kV/mm, entre les deux électrodes de l'ampoule, et d'appliquer un champ magnétique intense dans la région où règne le champ électrique. L'intensité de ce champ magnétique se situe généralement dans l'intervalle [0,01 T ; 1 T] et va typiquement de quelques centièmes de tesla à quelques dizièmes de tesla. Les électrons créés par effet de champ ou par le rayonnement cosmique sont accélérés par le champ électrique et suivent des trajectoires qui sont définies par le champ magnétique. Lors de leurs déplacements, les électrons entrent en collision avec les molécules du gaz qui subsiste à l'intérieur de l'ampoule à vide. Les collisions avec ces molécules provoquent leur ionisation. Une décharge électrique est ainsi créée. Le courant de décharge est de l'ordre de quelques microampères à plusieurs milliampères. Ce courant est proportionnel à la quantité de gaz résiduel dans l'ampoule et donc à la pression qui règne dans celle-ci. Le champ électrique est créé en appliquant un potentiel électrique approprié à l'une des deux 8 électrodes de l'ampoule, tandis que le champ magnétique est créé à l'aide d'une bobine électromagnétique. Tout ceci est illustré par la figure 1 qui est une vue schématique d'un dispositif connu 2, pour mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée 4, par exemple une ampoule à vide. De façon connue, l'enceinte à vide 4 contient deux électrodes 6, 8 entre lesquelles on peut établir un espace. Le dispositif 2 comprend un organe 10 pour engendrer un champ magnétique axial dans l'enceinte. L'organe 10 comprend une bobine électromagnétique 12 ayant sensiblement la forme d'un anneau, apte à entourer l'enceinte 4 et y créer un champ magnétique sensiblement uniforme, allant de quelques centièmes de tesla à quelques dizièmes de tesla, suivant l'axe Z de l'anneau. La bobine est une vue en coupe sur la figure 1, dans un plan contenant l'axe Z. On précise que l'on dispose généralement l'enceinte à vide 4 dans la bobine électromagnétique 12 de façon que l'axe Z soit parallèle au champ électrique que l'on engendre entre les électrodes 6, 8. Le dispositif 2 comprend aussi un circuit 14 pour appliquer une haute tension entre les électrodes 6, 8. Cette haute tension est choisie de façon à obtenir le champ électrique souhaité, de l'ordre de 0,5 kV/mm à 1 kV/mm, entre les deux électrodes 6, 8. En fait, la haute tension est appliquée à 30 l'une des électrodes, l'électrode 8 dans l'exemple représenté, tandis que l'autre électrode 6 est 9 maintenue à un potentiel de référence ; elle est par exemple mise à la masse. Le champ magnétique intense coopère avec la haute tension pour engendrer une décharge magnétron dans l'enceinte 4. Le dispositif 2 comprend en outre un circuit 16 qui est connecté à l'électrode 6, pour mesurer un courant électrique résultant de la décharge magnétron et pour déterminer la pression résiduelle à partir du courant ainsi mesuré. Le dispositif 2 comprend aussi une source d'alimentation électrique 18 à partir de laquelle la bobine électromagnétique 12 est activée. Diverses techniques peuvent être utilisées pour déterminer la pression résiduelle. Par exemple, selon l'une de ces techniques, on établit une correspondance, généralement une courbe de calibration, entre la valeur du courant et la valeur de la pression résiduelle. Ainsi, la mesure du courant permet de déterminer cette pression. Conformément à la présente invention, on remplace l'électro-aimant par un système à base d'aimants permanents, apte à générer un champ magnétique compatible avec la mesure de la pression résiduelle dans l'enceinte à vide scellée, à savoir un champ magnétique intense, axial et relativement uniforme. L'avantage principal de la présente invention est l'économie de coût : -un système à aimants permanents est moins coûteux qu'un électro-aimant ; 10 - un électro-aimant nécessite une alimentation d'une puissance d'environ 3 kVA à 5 kVA ; - l'alimentation de l'électro-aimant nécessite au moins deux voies électroniques de commande et de relecture ; et - l'électro-aimant risque de chauffer et doit donc être muni de sécurités de température. Un système fondé sur des aimants permanents n'a besoin ni d'alimentation, ni de contrôle-commande, et ne présente aucun risque d'échauffement. Le reste du dispositif, en particulier le circuit de mesure de décharge, ainsi que le mode opératoire de mesure de la pression résiduelle restent inchangés. Tout ceci est illustré par la figure 2 qui est une vue schématique d'un exemple du dispositif, objet de l'invention. Dans le cas du dispositif 20 représenté sur la figure 2, prévu pour mesurer la pression résiduelle dans l'enceinte à vide scellée 4, l'organe 22 pour engendrer le champ magnétique axial dans l'enceinte 4 comprend un aimant permanent 24 ayant sensiblement la forme d'un anneau, apte à entourer l'enceinte 4. Et cet aimant est constitué par un ensemble d'aimants permanents élémentaires, formant une structure cylindrique, apte à créer le champ magnétique sensiblement uniforme suivant l'axe Z de l'anneau. Cette structure est une vue en coupe sur la figure 2, dans un plan contenant l'axe Z. 11 Le dispositif 20 comporte encore les circuits 14 et 16 décrits plus haut mais le circuit d'alimentation électrique 18 est bien entendu supprimé. Un exemple de la structure cylindrique 26, apte à créer le champ magnétique sensiblement uniforme suivant l'axe Z, est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 3. Dans cet exemple, la structure cylindrique 26 est un empilement de N anneaux élémentaires 281r 282, 283, 284, ..., 28N, N étant égal à 8 dans l'exemple représenté. Chaque anneau élémentaire comprend des aimants permanents élémentaires juxtaposés 30 ; et tous les aimants permanents élémentaires 30 sont aimantés dans le même sens, parallèlement à l'axe Z de l'anneau. Cette aimantation commune aux aimants 30 est symbolisée par les flèches F sur la figure 3. De plus, pour simplifier la fabrication et donc réduire le coût de la structure 26, les aimants permanents élémentaires 30 sont identiques les uns aux autres et les anneaux élémentaires 28 sont également identiques les uns aux autres (mais la présente invention n'est pas limitée à cela : les anneaux 28 pourraient être différents les uns des autres et/ou les aimants 30 pourraient être différents les uns des autres). En outre, on cherche à favoriser la cohésion de la structure 26. Pour ce faire : -les aimants permanents élémentaires des 30 anneaux élémentaires de rang pair, tels que les anneaux 12 282, 284, forment des rangées, telles que la rangée 32, qui sont parallèles à l'axe Z ; et -les aimants permanents élémentaires des anneaux élémentaires de rang impair, tels que les anneaux 281r 283, forment des rangées, telles que la rangée 34, qui sont parallèles à l'axe Z et sont décalées, en rotation autour de l'axe Z, par rapport aux rangées correspondant aux anneaux de rang pair, comme on le voit sur la figure 3. Pour simplifier davantage la fabrication de la structure 26, on utilise des aimants permanents élémentaires 30 de forme parallélépipédique (mais la présente invention n'est pas limitée à cette forme : on pourrait par exemple utiliser des aimants cylindriques ou prismatiques). De plus, pour faciliter la fabrication de la structure 26, les aimants permanents élémentaires sont montés sur des supports amagnétiques, non représentés sur la figure 3. Ces supports sont par exemple en aluminium. Plus précisément, dans l'exemple décrit, chaque anneau élémentaire est associé à un support amagnétique annulaire 36 qui est schématiquement représenté sur la figure 4. Ce support amagnétique annulaire 36 comporte des perçages 38 qui sont aptes à recevoir les aimants permanents élémentaires de l'anneau élémentaire correspondant. Dans l'exemple, ces perçages forment ainsi des parallélépipèdes dont la hauteur H est égale à celle des aimants permanents élémentaires et dont la longueur et la largeur sont respectivement très 13 légèrement supérieures à la longueur et à la largeur de ces aimants permanents élémentaires. La figure 5 est une vue schématique de la structure obtenue après avoir assemblé les supports annulaires 36. Bien entendu, le diamètre intérieur D de ces derniers est suffisamment grand pour pouvoir introduire l'enceinte à contrôler 4 dans la structure obtenue. La structure représentée sur la figure 5 peut être complétée par deux supports amagnétiques annulaires pleins 40 et 42, par exemple en aluminium, dont le diamètre intérieur est égal à D. Comme on le voit, ces deux supports 40 et 42 sont respectivement en contact avec les deux supports 36 qui se trouvent aux extrémités de la structure. On utilise par exemple des aimants permanents élémentaires en Nd-B (néodyme-bore), dont la taille est relativement petite. A titre purement indicatif et nullement limitatif, chaque aimant a une masse de l'ordre de 100 g à 500 g. De tels aimants sont commercialement disponibles auprès de plusieurs fabricants Le diamètre intérieur de la structure 26 (figure 3), en fait le diamètre intérieur de la structure représentée sur la figure 5 (puisqu'on utilise de préférence les supports amagnétiques 36 pour compléter la structure 26), dépend de l'application envisagée pour le dispositif. Une fois ce diamètre fixé, le choix des aimants permanents élémentaires se fait en s'aidant : 14 - de calculs qui permettent de définir les dimensions générales de l'anneau magnétique, et - d'une modélisation qui permet de définir le nombre, la taille et la géométrie des aimants permanents élémentaires. Comme on l'a vu, la forme la plus simple pour ces derniers est celle d'un parallélépipède. Les aimants permanents élémentaires sont ensuite montés dans les supports amagnétiques qui permettent de les maintenir ensemble. On précise que l'un des paramètres à prendre en compte dans la modélisation est l'intensité du champ magnétique résultant de l'ensemble des aimants permanents élémentaires. Rappelons en effet que l'on a besoin d'un champ intense, dont la valeur dépend de l'application envisagée pour le dispositif mais est généralement comprise entre 0,01T et 1T. A titre d'exemple, en vue de mesurer la pression résiduelle dans une ampoule à vide de grand diamètre, telle que les ampoules destinées aux alternateurs, on a modélisé un ensemble magnétique à base d'aimants permanents, cet ensemble ayant un diamètre intérieur de 230 mm et une hauteur de 120 mm. Le résultat des calculs du champ magnétique axial correspondant est montré sur les figures 6 et 7. Ce champ est noté B(r,z) où : -z est une coordonnée axiale, comptée suivant l'axe Z dont l'origine 0 se situe à mi-hauteur 30 de la structure magnétique, et 15 -r est une coordonnée radiale, comptée sur un axe qui est orthogonal à l'axe Z et dont l'origine se situe sur cet axe Z. La figure 6 montre les variations de B (0, z) , en fonction de z, où B (0, z) est exprimé en gauss (1G=10-4T) et z en millimètres ; et la figure 7 montre les variations de B(r,0) en fonction de r, où B(r,0) est encore exprimé en gauss et r en millimètres. En général, les dispositifs connus et le dispositif, objet de l'invention, sont destinés à être utilisés dans des locaux où, en principe, il n'y a pas de poussières métalliques. Toutefois, il peut tout de même y en avoir. Dans le cas d'un dispositif connu, qui utilise un électro-aimant, ce n'est pas gênant : le champ magnétique de fuite, c'est-à-dire le champ magnétique existant au voisinage du dispositif, est différent de zéro seulement pendant le temps de fonctionnement de l'électro-aimant, c'est-à-dire pendant peu de temps. Au contraire, dans le cas de la présente invention, le champ magnétique de fuite existe en permanence puisque l'on utilise une structure à base d'aimants permanents. Or, au voisinage du dispositif, c'est-à-dire à 50 cm, ou moins, de ce dispositif, le champ de fuite permanent est relativement intense, de l'ordre de quelques centaines de gauss (quelques centièmes de tesla). Pour remédier à cet inconvénient, il est préférable de munir le dispositif d'un blindage 16 magnétique qui entoure la structure magnétique, tout en permettant l'introduction de l'enceinte à vide scellée dans l'anneau formé par l'aimant permanent qui est constitué par cette structure. Une simple enveloppe de 1 mm d'épaisseur, faite d'un matériau de blindage magnétique, par exemple, l'acier doux le mu-métal, le permalloy ou le supermalloy, suffit pour annuler le champ magnétique de fuite. La figure 8 illustre schématiquement un exemple d'un tel blindage magnétique 44 que l'on peut utiliser avec le dispositif représenté sur la figure 2. Ce blindage magnétique 44 comporte une boîte 46 qui est pourvue d'un couvercle 48 et apte à contenir la structure magnétique 24. La boîte 46 et le couvercle 48 sont par exemple en mu-métal. En vue d'effectuer une mesure de la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée 4, on enlève le couvercle 48, on place l'enceinte 4 dans la structure magnétique 24 et l'on remet le couvercle 48 en place. Des passages appropriés (non représentés) sont bien entendu prévus pour connecter l'enceinte 4 aux circuits 14 et 16 (mentionnés dans la description de la figure 2) à travers la boîte 46. La présente invention n'est pas limitée à l'agencement des aimants permanents élémentaires que l'on a décrit en faisant référence à la figure 3 et selon lequel tous les aimants permanents élémentaires de la structure sont aimantés dans le même sens, parallèlement à l'axe Z : bien d'autres structures 17 cylindriques à base d'aimants permanents élémentaires sont utilisables dans la présente invention. En particulier, on peut utiliser une structure dans laquelle un groupe d'anneaux élémentaires, où tous les aimants permanents élémentaires ont une aimantation centripète (dirigée vers l'axe Z), se trouve à une distance définie par calcul d'un autre un groupe d'anneaux élémentaires, où tous les aimants permanents élémentaires ont une aimantation centrifuge. Cette distance dépend, entre autres, du diamètre des anneaux des deux groupes.15 REVENDICATIONS1. Dispositif pour mesurer la pression résiduelle dans une enceinte à vide scellée (4), notamment une ampoule à vide, contenant deux électrodes (6, 8) entre lesquelles on peut établir un espace, le dispositif comprenant : - un organe (22) pour engendrer un champ magnétique axial dans l'enceinte, l'organe comprenant un aimant permanent (24), ayant sensiblement la forme d'un anneau, apte à entourer l'enceinte et y créer un champ magnétique sensiblement uniforme suivant l'axe (Z) de l'anneau, - un circuit (14) pour appliquer une haute tension entre les électrodes, le champ magnétique coopérant avec la haute tension pour engendrer une décharge magnétron dans l'enceinte, et - un circuit (16) pour mesurer un courant électrique résultant de la décharge magnétron et pour déterminer la pression résiduelle à partir du courant ainsi mesuré, le dispositif étant caractérisé en ce que l'aimant permanent (24), ayant sensiblement la forme d'un anneau, comprend un ensemble d'aimants permanents élémentaires (30), formant une structure cylindrique (26), apte à créer le champ magnétique sensiblement uniforme suivant l'axe (Z) de l'anneau. 2. Dispositif selon la revendication 1, 30 dans lequel la structure cylindrique (26) est un empilement d'anneaux élémentaires (281r 282, ..., 28N), 19 chaque anneau élémentaire comprend des aimants permanents élémentaires juxtaposés (30), et tous les aimants permanents élémentaires de la structure sont aimantés dans le même sens, parallèlement à l'axe (Z) de l'anneau. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les aimants permanents élémentaires (30) sont identiques les uns aux autres et les anneaux élémentaires (282r 282, 28N) sont également identiques les uns aux autres. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les aimants permanents élémentaires des anneaux élémentaires de rang pair (282, 284) forment des rangées (32) parallèles à l'axe (Z), et les aimants permanents élémentaires des anneaux élémentaires de rang impair (281r 283) forment des rangées (34) parallèles à l'axe (Z), qui sont décalées, en rotation autour de l'axe, par rapport aux rangées correspondant aux anneaux élémentaires de rang pair. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les aimants permanents élémentaires (30) ont une forme parallélépipédique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les aimants permanents élémentaires (30) sont montés sur des supports amagnétiques (36).20 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un blindage magnétique (44) qui entoure l'aimant permanent (24), 5 tout en permettant l'introduction de l'enceinte à vide scellée (4) dans l'anneau formé par l'aimant permanent.