vide (suite)

Pompes cryogéniques

Un écran porté au voisinage du zéro absolu condense toutes les molécules de la phase gazeuse environnante et constitue la pompe à vide la plus efficace que l’on puisse imaginer. On atteint ce résultat en faisant bouillir de l’hélium liquide sous pression réduite, mais ce procédé est coûteux à cause du prix élevé de l’hélium liquide ; de plus, il ne permet évidemment pas de pomper les molécules d’hélium présentes dans l’enceinte. La pression limite obtenue est ainsi limitée par la pression partielle de l’hélium dans l’air. De plus, les couches de gaz condensés sur la cryopompe produisent une certaine isolation thermique de celle-ci, ce qui augmente sa température apparente et diminue ses performances. Pour pallier cet inconvénient et aussi pour diminuer la consommation d’hélium liquide, les cryopompes sont toujours associées à des écrans cryogéniques refroidis à l’azote liquide, qui fixent les molécules facilement condensables (comme celles de la vapeur d’eau) et servent d’écran thermique. Les cryopompes à hélium liquide, bouillant sous pression réduite, sont généralement utilisées de 10 à 4 K et associées à des pompes turbomoléculaires, à des pompes ioniques ou aux deux pour éliminer l’hélium et les molécules difficilement condensables.

Appareils de mesure du vide

Ces appareils couvrent le domaine de pression de 760 à 10^–11 torr. Pour les pressions plus faibles, on utilise des spectromètres de masse spéciaux. Jusqu’à 1 torr environ, on peut employer des manomètres à liquide ou à membrane. Au-delà, on fait des mesures indirectes à l’aide d’appareils de mesure électriques.

À partir de 10^–8 torr environ, la notion même de pression peut être discutée, et, pour des pressions encore plus faibles, il serait plus judicieux de considérer la notion de nombre de molécules, d’atomes ou de particules par unité de volume.

Propriétés physiques des phases gazeuses à très basse pression — applications

• Lorsqu’on fait le vide dans une enceinte, la différence de pression qui en résulte donne naissance à une force qui s’exerce sur toute l’enveloppe de cette enceinte. Cette force augmente lorsque la pression intérieure diminue. À 380 torr, elle atteint déjà la moitié de sa valeur pour le vide absolu, qui est de 1 daN/cm² environ, et, à partir de 1 torr, elle n’augmente pratiquement plus. Aussi, les enceintes à vide doivent-elles être conçues pour résister à cette force, qui est de 10 t environ sur un couvercle d’un peu plus de 1 m de diamètre. On utilise l’effet de cette force dans les machines à former sous vide, quelquefois aussi pour aspirer des liquides.

• Le vide grossier ainsi que le vide fin sont utilisés pour des opérations d’imprégnation de matériels électriques, de dégazage et de coulée sous vide de métaux et d’alliages, de débullage sous vide, de séchage sous vide, etc.

• Si, par des pompes à vide, on amène la pression totale, au-dessus d’un liquide, à une valeur inférieure à la tension de vapeur de ce liquide à la température considérée, celui-ci se met à bouillir sans qu’il soit nécessaire d’élever sa température. Les molécules vaporisées sont alors soit aspirées à l’état de vapeur par les pompes à vide (séchage sous vide), soit condensées à l’état liquide ou solide sur les parois intérieures froides (cryodéshydratation et distillation sous vide). La cryodéshydratation par sublimation, improprement appelée lyophilisation, s’effectue en général vers 4.10^–1 torr.

• Le vide grossier et surtout le vide fin sont caractérisés par l’absence d’échange thermique par convection et conduction gazeuses. Dans le vide poussé, la chaleur se propage presque exclusivement par rayonnement. C’est la raison pour laquelle les engins spatiaux hors de l’atmosphère terrestre sont soumis à des conditions thermiques toutes particulières, nécessitant des écrans thermiques et une conception complexe de construction afin d’assurer une certaine uniformité de température par conduction thermique dans la structure métallique. Afin de s’assurer, avant le lancement, que la température en tout point de l’engin reste dans un domaine compatible avec le bon fonctionnement des matériels électroniques et que la sécurité des hommes qui se trouvent à bord de cet engin est garantie, celui-ci est testé dans de très grandes chambres à vide appelées installations de simulation spatiale.

L’absence, dans le vide, d’échange thermique par convection et conduction gazeuses est aussi la raison pour laquelle les réservoirs de gaz liquides (azote, oxygène, hydrogène, argon, hélium, etc.) sont isolés par une double enveloppe vide de gaz comme le sont aussi les vases Dewar et les bouteilles Thermos. La même technique est utilisée, par exemple, pour isoler les enveloppes refroidies à l’hydrogène liquide des chambres à bulles ainsi que les zones très chaudes des fours sous vide à résistance, à haute fréquence et à bombardement électronique.

• Sous vide, on diminue les risques d’oxydation même pour des corps très oxydables portés à haute température. Cette propriété trouve son application dans les lampes à incandescence, mais aussi dans les fours sous vide, à l’aide desquels on peut fondre tous les matériaux, quelle que soit leur avidité pour l’oxygène de l’air.

• Sous vide, on augmente le libre parcours moyen des molécules gazeuses, c’est-à-dire la distance moyenne qu’elles parcourent entre deux chocs successifs avec d’autres molécules, compte tenu de l’agitation thermique. À la pression atmosphérique, cette quantité est de 6.10^–6 cm pour les 3.10¹⁹ molécules contenues dans un centimètre cube. Elle est de 50 cm à 10^–4 torr et de 50 m à 10^–6 torr. Ainsi, à 10^–5 torr dans une enceinte de dimensions inférieures au mètre, les chocs entre molécules sont pratiquement inexistants et ne se produisent presque exclusivement que sur les parois. Cette propriété permet de produire dans le vide des faisceaux de molécules et de particules diverses. La métallisation sous vide en est une application, de même que les accélérateurs de particules, les machines à souder et à usiner par faisceaux de particules, les fours à bombardement électronique, les installations de plasma, notamment celles qui sont construites pour étudier la fusion thermonucléaire.

G. F.