rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité entre 80 et 300k cern - lhc/ecr...
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Rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité
entre 80 et 300K
CERN - LHC/ECR Laboratoire de CryogénieLionel SIMON 10/11/1999
• Rappels théoriques
• Exemples de modèles
• Exploitation des connaissances en mesure optique
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Travaux sur le rayonnement thermique
Graphe du spectre électromagnétique
1 Rappels théoriques
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Travaux sur le rayonnement thermique
• Loi de Planck :
Avec c1 = 3.743x108 W.m4/m2 et c2 = 1.439x104 m.K
( )[ ]{ }1/exp 25
1
−=
Sb TC
CE
λλλ
• Loi de Wien : MAX T = 2898 m.K
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Travaux sur le rayonnement thermique
• Loi de Stefan-Boltzmann :
Avec T en K et = 5.67x10-8 W/(m2.K4)
4
0.. TdEW bb ==
× (W/m2)
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Travaux sur le rayonnement thermique
Corps Noir : Wb=.T4 Corps Réel : Wr=..T4
Quelques exemples d ’émissivité () :
• Corps Noir : 1• Aluminium brut : 0.25• Aluminium poli : 0.20• Chrome : 0.08• Laiton Poli : 0.03• Or-Argent : 0.02
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Travaux sur le rayonnement thermique
Conservation de l ’énergie Equilibre thermique, loi de Kirchhoff
Po=Po.(++)
Matériau opaque : =0 +=1
++=1 Pémis = Pabsorbé
.Po = .Po
=
=
= 1 -
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Travaux sur le rayonnement thermique
Ce que contient l’émissivité ()
Métal T(K) n
Or 30080
0.020.01
Argent 300804
0.020.010.005
Aluminiumcommercialbrut
300804
0.250.120.07
Aluminiumpolimécanique
300804
0.200.100.06
Aluminiumpoliélectrolytique
300804
0.150.080.04
Chrome 300 0.08Cuivrepolimécanique 300
804
0.100.060.02
Etain 300804
0.0500.0120.013
Nickel 30080
0.050.02
Laitonpoli 300804
0.030.030.02
Acierinoxydable18-8 300804
0.200.120.10
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Travaux sur le rayonnement thermique
Ce que contient l’émissivité () - suite
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Travaux sur le rayonnement thermique
Ce que contient l’absorptivité ()
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Travaux sur le rayonnement thermique
La géométrie : facteur de vue et angle solide
A1.F12 = A2.F21
n = nombre de surfacesi, j Î [1,n]Fij à n2 inconnues
=
=n
iijF
1
1 à n équa tions à re s te (n2-n)/2 ca lculs
212121 .. FAFA = à (n -1).n/2 équa tions 2 surfacesà 1 calcul3 " à 3 calculs4 " à 6 "5 " à 10 "
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Travaux sur le rayonnement thermique
La géométrie : facteur de vue et angle solide - suite
F11= 0F12 = 1
F1-2,3 = F1-2 + F1-3
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Travaux sur le rayonnement thermique
Formule finale générale : ( )
( ) 22
2
1211
1
42
41
12 1112
2
1
1
εε
εεσ α
εα
ε
AAFA
TTq
−++
−−
=&
Calcul pratique par analogie électrique
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Travaux sur le rayonnement thermique
2.1 Expérience de test du MLI (cryostat horizontal)2 EXEMPLES DE MODELES
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Travaux sur le rayonnement thermique
Pourquoi une garde ?
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Travaux sur le rayonnement thermique
• Evaluation des pertes latérales (max. 2mW)
• Limiter l ’entrée de rayonnement parasite par le trou de pompage (- 67 %)
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Travaux sur le rayonnement thermique
L’amélioration théorique apporté par la garde est de 12 à 15% (Flux supplémentaire).
L’augmentation de flux constatée expérimentalement varie de 10 à 20%.
• Comparaison des résultats théoriques et expérimentaux avec et sans garde.
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Travaux sur le rayonnement thermique
2.2 Modélisation d’un trou dans un écran thermique
1 - Remplacer un trou et ce qu’il y a derrière par une surface aux propriétés optiques équivalentes
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• Noircir l’intérieur d ’un écran ?
Travaux sur le rayonnement thermique
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Travaux sur le rayonnement thermique
2.3 Modélisation de la superisolation
• Emissivité apparente
• Influence de l’émissivité de l’enceinte à vide
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Travaux sur le rayonnement thermique
3 Mesure d’émissivité
3.1 Quelles mesures, quel détecteur ?
• Mesure calorimétrique
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Travaux sur le rayonnement thermique
• Mesure optique : directe ou par réflexion
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Travaux sur le rayonnement thermique
• Détecteurs optiques (photoconducteurs, photovoltaïques, photoémissifs, ...)
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Travaux sur le rayonnement thermique
• Détecteurs thermiques (Cellule de Golay, bolomètre, pyroélectrique, thermopile …)
- Une limite fondamentale : le bruit
- Le détecteur idéal : le pyroélectrique.
• Utilisation d ’une fenêtre
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( ) 44 1 RSSSSSS TATAQ σεσε −+=&
( )AB
ASABAS
QQ&&
&&
−
−−+= εεεε
3.2 Principe de fonctionnement de l’appareil Dornier (fourni par G. Perinic)
Travaux sur le rayonnement thermique
• A l’ambiante
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Travaux sur le rayonnement thermique
• A froid
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• Résultats de calibration (par le développeur)
Travaux sur le rayonnement thermique
Les références utilisées sont :
• une plaque d’aluminium couverte d ’une peinture noire (0.99)
• une plaque d’inox poli (0.11)
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Travaux sur le rayonnement thermique
• Résultats des premières mesures effectuées au Cryolab
Les références utilisées sont :
• le vide, considéré comme noir (=0)
• une plaque de cuivre dorée sur 30m d ’épaisseur (0.01)