Rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité entre 80 et 300K Rappels théoriques Exemples de modèles Exploitation des connaissances en mesure optique Lionel SIMON Coopérant depuis 1 an Travail sur les échanges thermiques par rayonnement Pendant 1h environ, je vais vous présenter le travail fait jusqu’ici, en collaboration avec l ’équipe du Cryolab et GV en particulier. Rappels théoriques Exemples de calculs que l ’on a fait Ce qu’on en a tiré. Le projet qui a motivé l’acquisition de ces connaissances Les projets Lionel SIMON CERN - LHC/ECR Laboratoire de Cryogénie 10/11/1999

Graphe du spectre électromagnétique Travaux sur le rayonnement thermique 1 Rappels théoriques Graphe du spectre électromagnétique 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Loi de Planck : Loi de Wien : lMAX T = 2898 mm.K Travaux sur le rayonnement thermique Loi de Planck : Avec c1 = 3.743x108 W.mm4/m2 et c2 = 1.439x104 mm.K Loi de Wien : lMAX T = 2898 mm.K 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Loi de Stefan-Boltzmann : (W/m2) Travaux sur le rayonnement thermique Loi de Stefan-Boltzmann : (W/m2) Avec T en K et s = 5.67x10-8 W/(m2.K4) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Quelques exemples d ’émissivité (e) : Corps Noir : 1 Travaux sur le rayonnement thermique Corps Noir : Wb=s.T4 Corps Réel : Wr=e.s.T4 Quelques exemples d ’émissivité (e) : Corps Noir : 1 Aluminium brut : 0.25 Aluminium poli : 0.20 Chrome : 0.08 Laiton Poli : 0.03 Or-Argent : 0.02 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Conservation de l ’énergie Equilibre thermique, loi de Kirchhoff Travaux sur le rayonnement thermique Conservation de l ’énergie Equilibre thermique, loi de Kirchhoff Pémis = Pabsorbé Po=Po.(r+a+t) r+a+t=1 e.Po = a.Po r+a=1 Matériau opaque : t=0 e = a e a = e r = 1 - e 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Ce que contient l’émissivité (e) Travaux sur le rayonnement thermique Ce que contient l’émissivité (e) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Ce que contient l’émissivité (e) - suite Travaux sur le rayonnement thermique Ce que contient l’émissivité (e) - suite 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Ce que contient l’absorptivité (a) Travaux sur le rayonnement thermique Ce que contient l’absorptivité (a) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

La géométrie : facteur de vue et angle solide Travaux sur le rayonnement thermique La géométrie : facteur de vue et angle solide A1.F12 = A2.F21 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

La géométrie : facteur de vue et angle solide - suite Travaux sur le rayonnement thermique La géométrie : facteur de vue et angle solide - suite F1-2,3 = F1-2 + F1-3 F11= 0 F12 = 1 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Calcul pratique par analogie électrique Travaux sur le rayonnement thermique Calcul pratique par analogie électrique Formule finale générale : 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

2.1 Expérience de test du MLI (cryostat horizontal) Travaux sur le rayonnement thermique 2 EXEMPLES DE MODELES 2.1 Expérience de test du MLI (cryostat horizontal) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Pourquoi une garde ? Travaux sur le rayonnement thermique 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique Evaluation des pertes latérales (max. 2mW) Limiter l ’entrée de rayonnement parasite par le trou de pompage (- 67 %) Avec Tc=85K ; Tf=2K ; Tbg=37K et la répartition en température des feuilles de MLI 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique Comparaison des résultats théoriques et expérimentaux avec et sans garde. 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%. 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

2.2 Modélisation d’un trou dans un écran thermique 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 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique Noircir l’intérieur d ’un écran ? La simplification porte su le réseau, mais surtout, elle évite des calculs de facteurs de forme (dans une logique de pré-dimensionnement) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

2.3 Modélisation de la superisolation Travaux sur le rayonnement thermique 2.3 Modélisation de la superisolation Emissivité apparente Influence de l’émissivité de l’enceinte à vide Trou dans l ’écran = dans la superisolation des connexions. 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

3.1 Quelles mesures, quel détecteur ? Travaux sur le rayonnement thermique 3 Mesure d’émissivité 3.1 Quelles mesures, quel détecteur ? Mesure calorimétrique 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique Mesure optique : directe ou par réflexion 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique Détecteurs optiques (photoconducteurs, photovoltaïques, photoémissifs, ...) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

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 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique 3.2 Principe de fonctionnement de l’appareil Dornier (fourni par G. Perinic) A l’ambiante 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique A froid 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique Résultats de calibration (par le développeur) Les références utilisées sont : une plaque d’aluminium couverte d ’une peinture noire (0.99) une plaque d’inox poli (0.11) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR

Travaux sur le rayonnement thermique Résultats des premières mesures effectuées au Cryolab Les références utilisées sont : le vide, considéré comme noir (r=0) une plaque de cuivre dorée sur 30mm d ’épaisseur (0.01) 10/11/1999 L.SIMON LHC-ECR