FR2973105A1 - Four a haute temperature sous ultra vide - Google Patents

Abstract

L'invention propose un four à haute température sous ultra vide performant en termes de blanc d'hélium généré et peut coûteux à fabriquer et à entretenir. A cette fin, l'invention a pour objet un four à haute température sous ultra vide comprenant : - une unique enceinte tubulaire (110) fermée à une extrémité et comprenant un premier orifice (112) de connexion à une pompe à ultravide ; - un support (120) de l'enceinte comprenant : • une plaque (121) de fermeture étanche de l'enceinte (110) présentant une face intérieure (121a) et une face extérieure (121b), en référence à la position d'utilisation ; • une résistance électrique chauffante (122) disposée du côté de la face intérieure et conformée pour loger et chauffer par conduction et radiation un creuset (123) ; • des électrodes (124-125) d'alimentation électrique montées traversantes à travers la plaque (121) de fermeture étanche de l'enceinte (110), reliées électriquement à la résistance chauffante (122) et apte à être reliées électriquement à un générateur électrique (G).

Description

FOUR A HAUTE TEMPÉRATURE SOUS ULTRA VIDE.

L'invention se rapporte à un four à haute température (HT) sous ultra vide (UHV).

Les caractéristiques classiques d'un four HT sous UHV sont les suivantes : Température maximale aux environs de 1600°C, et une pression de l'ordre de 5x10"8 mbar à 800°C. L'hélium-3 (noté 3He) est un isotope stable de l'hélium qui provient principalement de la nucléosynthèse primordiale lors de la formation de l'univers. II peut être, cependant, produit à la surface de la Terre par des réactions de spallation dont l'origine est due au bombardement cosmique (GCR) que la Terre subit en permanence. La quantité d'hélium-3 produit (3He cosmogénique) dans les échantillons géologiques est directement proportionnelle au temps d'exposition de la roche au GCR. Mesurer ces quantités de 3He cosmogénique a alors des applications dans les domaines de la géologie, de la géomorphologie et de la paléoclimatologie. Actuellement, l'extraction de l'hélium-3 cosmogénique est réalisée dans la plupart des laboratoires avec un four HT sous UHV (1500°C-1800°C) dans lequel un tube en Tantale (Ta) contenant un creuset (en Molybdène (Mo) ou en Tantale (Ta)) est chauffé par radiation, grâce une résistance en tungstène (W). Un tel four de l'état de la technique est illustré en figure 1. Deux enceintes 10 et 20 indépendantes ,sous ultra vide (UHV), forment donc l'ensemble du four HT sous UHV : 1) Le tube en Ta 10, dans lequel l'échantillon est chauffé, 2) l'enceinte externe 20 dans laquelle une résistance en tungstène 21 est chauffée par effet Joule pour chauffer le tube 10 en Ta. Ces deux enceintes ne communiquent, normalement, pas entre elles.

Le tube en Ta 10 est relié à une ligne sous ultravide 11 pour purifier les gaz qui sont extraits d'un échantillon chauffé dans un creuset 12.

Cette ligne de purification 11 comprend des pièges d'adsorption chimique (chimisorption) et physique (physisorption) pour purifier l'hélium extrait. La chimisorption permet le piégeage de toutes les espèces réactives (H2O, CO2, CXHy, etc ...). La physisorption, utilisée généralement après la chimisorption permet la séparation des gaz rares en fonction de leur température de condensation à basse température sur une surface (charbon actif par exemple).

L'enceinte externe 20 est reliée à un groupe de pompage turbo moléculaire 22, dédié, à l'évacuation des gaz, notamment de l'oxygène (désorbé des surfaces à l'intérieur de l'enceinte externe 20), pour éviter d'endommager par oxydation la résistance chauffante 21. Un écran thermique 23 entoure le tube 10 en Ta pour limiter le transfert de chaleur vers les parois externes de l'enceinte 20.

Le principal avantage de ce type de four demeure son système de double enceinte sous vide qui facilite la purification de l'hélium extrait. En effet, le dihydrogène (H2) produit à chaud par la résistance en Tungstène, et qui pourrait dégrader l'efficacité des pièges d'adsoprtion chimique utilisés dans la ligne de purification 11, est pompé par le groupe de pompage 22. Cependant, ce type de four HT sous UHV de l'état de la technique possède de nombreux désavantages : 1) Une masse importante de Ta est chauffée (tube) et dégaze vers la ligne de purification 11 de grandes quantités d'hélium (plus de 10-14 moles d'hélium 4) 25 qui entachent la mesure de l'hélium cosmogénique. 2) L'étanchéité entre le tube en Ta 10 et la ligne de purification 11 est délicate à obtenir et demeure souvent une source de fuites. En effet le Ta est difficile à usiner, de sorte que la liaison entre le tube en Ta 10 et la ligne de purification 11 se fait par l'intermédiaire de brides 13 totalement planes, entre lesquelles un 30 joint en Or 14 est écrasé. Ce système de connexion, fort onéreux, est non seulement long mais également difficile à mettre en oeuvre. Le positionnement

délicat du joint en or par rapport aux brides 13 aurait tendance à générer des fuites. 3) Le tube en Ta recristallise sous l'effet de la chaleur. Des fissures résultantes de ce phénomène peuvent induire une fuite d'Hélium issus de l'échantillon vers la deuxième enceinte 20 induisant le pompage partiel ou total de cet hélium, faussant ainsi les résultats. Des vérifications analytiques sont donc toujours nécessaires pour la validation des résultats. 4) Le tube en Ta est souvent endommagé après réaction avec les silicates présents dans les échantillons. En effet, les réactions chimiques (alliage) entre le tantale et les silicates fondus engendrent des déformations dangereuses pour l'intégrité du four. Le remplacement du tube en Ta nécessite le démontage complet du four avec le risque de détériorer les résistances en W et les écrans thermiques. 5) Le coût total de ce type de four peut le rendre inaccessible à de nombreux 15 laboratoires. En effet, l'ensemble du four est estimé à 25000 E : 20 La maintenance au quotidien est également à prendre en compte avec le prix de revient des tubes en Ta (1500 E / tube) ainsi que l'entretien du système de pompage (1000 E). Outre les fours HT sous UHV à double parois, des systèmes 25 d'extraction alternatifs existent : les lasers (CO2 et Nd-Yag) ainsi que les fours à induction. - Les lasers CO2 et Nd-Yag sont de très bons outils d'extraction des gaz, mais ils sont limités par la masse d'échantillon pouvant être chauffée. En effet, seulement quelques dizaines de milligrammes peuvent être 30 analysés par ce procédé. Les échantillons pauvres en hélium cosmogénique et, donc, nécessitant des quantités (300 à 500 - Résistance (W) et écran thermique (sur mesure) : 15000 E; - Groupe de pompage turbomoléculaire: 5000 E; Mesure de la pression : 1500 E; Tube en Ta : 1500 E; - Enceinte UHV / circuit d'alimentation électrique : 2000 E.

milligrammes) importantes pour réaliser une analyse ne peuvent pas être analysés. L'utilisation d'un système d'extraction par laser rend ainsi impossible la datation des surfaces d'exposition très jeunes (environ 1000 ans). - Fabriqués en partie en verre (poreux à l'hélium), les fours à induction ont pour principal inconvénient de générer un blanc d'hélium très important. Il est donc souhaitable de développer un nouveau type de four haute température, plus performant en terme de blanc d'hélium mais également plus facile à maintenir en état de fonctionnement, tout en réduisant les coûts liés à la fabrication et à la maintenance du four. La présente invention vise donc à palier aux nombreuses difficultés rencontrées pour maintenir durablement en état de fonctionnement un four HT sous UHV à double paroi (dues notamment aux problèmes de fuite rémanente des enceintes, au coût et à la mauvaise fiabilité des tubes en tantale) et pour diminuer les quantités d'hélium dégazées par le four (à partir des surfaces internes, du creuset, du circuit d'alimentation électrique de la résistance chauffante) de manière à pouvoir dater, par la mesure de l'hélium cosmogénique, de très jeunes surfaces d'exposition (environ 1000 ans). L'invention propose de supprimer la structure en double enceinte par une structure à simple enceinte, et de conformer une résistance chauffante pour supporter un creuset en nitrure de bore et le chauffer par radiation et conduction. Les gaz extraits peuvent ensuite être purifiés dans une ligne UHV qui comprend différents types de pièges (chimisorption et physisorption pour purifier l'hélium extrait.

Avantageusement, en supprimant la deuxième enceinte et en prévoyant un orifice d'entrée d'un échantillon stocké sous vide, l'invention permet de dégazer le four à haute température (1500-1600 °C) avant d'introduire un échantillon dans le creuset en nitrure de bore pour extraire l'hélium cosmogénique. Grâce à ce dégazage, une grande partie du blanc d'hélium est éliminée. A cette fin, l'invention a pour objet un four à haute température sous ultra vide comprenant :

- une unique enceinte tubulaire fermée à une extrémité et comprenant un premier orifice de connexion à une pompe à ultravide ; - un support de l'enceinte comprenant : - une plaque de fermeture étanche de l'enceinte présentant une face intérieure et une face extérieure, en référence à la position d'utilisation ; - une résistance électrique chauffante disposée du côté de la face intérieure et conformée pour loger et chauffer par conduction et radiation un creuset ; - des électrodes d'alimentation électrique montées traversantes à travers la plaque de fermeture étanche de l'enceinte, reliées électriquement à la résistance chauffante et apte à être reliées électriquement à un générateur électrique. Selon d'autres modes de réalisation : - l'unique enceinte peut comprendre en outre un deuxième orifice de connexion à un réceptacle de stockage sous vide d'échantillons ; - la résistance chauffante peut être en tungstène et se présenter sous la forme d'un cylindre fermé à une extrémité et ouvert à une autre extrémité pour constituer un réceptacle de creuset, l'extrémité ouverte se prolongeant radialement par des bras de connexion aux électrodes d'alimentation électrique ; - le creuset peut être en un matériau choisi parmi le tantale, l'oxyde de magnésium, le molybdène, préférentiellement le nitrure de bore ; - le four peut comprendre, en outre, un écran thermique en contact avec la plaque de fermeture étanche de l'enceinte, et agencé entre le réceptacle de creuset et les électrodes d'alimentation électrique pour protéger ces dernières de la chaleur ; - le four peut comprendre, en outre, un écran thermique en contact avec la plaque de fermeture étanche de l'enceinte, et agencé sous le 30 réceptacle de creuset.

- le four peut comprendre, en outre, au moins un dissipateur de chaleur en liaison thermique avec l'enceinte et fixé à l'extérieur de l'enceinte pour permettre un refroidissement de l'enceinte ; - le dissipateur de chaleur peut être agencé à proximité du premier orifice de connexion à une pompe à ultravide, et/ou du deuxième orifice de connexion à un réceptacle de stockage sous vide pour limiter la température de l'enceinte ; - le four peut comprendre, en outre, au moins un dissipateur de chaleur en liaison thermique avec un écran thermique, et fixé à l'extérieur de la plaque de fermeture étanche de l'enceinte pour permettre un refroidissement de l'écran thermique et du support de l'enceinte ; - le four peut comprendre, en outre, au moins un ventilateur agencé pour favoriser la circulation d'air en contact avec le ou les dissipateur(s) de chaleur. ; - l'enceinte et le support d'enceinte peuvent comprendre chacun une bride de fixation présentant une surface de contact avec l'autre bride munie d'une gorge de logement pour un joint en cuivre ; - le réceptacle de stockage sous vide d'échantillons peut être un carrousel ; - l'unique enceinte et le support d'enceinte peuvent être fixés l'un à l'autre de manière dissociable ; - l'unique enceinte et le support d'enceinte peuvent être fixés l'un à l'autre de manière indissociable, l'unique enceinte comprenant une trappe d'accès pour l'entretien ; et/ou - les électrodes d'alimentation électrique peuvent être constituées par deux colonnes en cuivre traversant la plaque de fermeture étanche de l'enceinte, comprenant chacune une extrémité disposée à l'extérieur du four pour une connexion à un générateur électrique, et une extrémité intérieure à l'enceinte pour une connexion directe de la résistance chauffante.

L'invention se rapporte également à un système comprenant un four selon l'une quelconque des revendications précédentes et une ligne UHV, celle-ci comprenant des pièges à base de mousse de titane aptes à créer des liaisons chimiques avec des gaz réactifs extraits, tels que l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, pour les piéger par chimisorption, et des pièges à base de charbon actif pour séparer par physisorption des gaz rares les uns des autres, et ainsi purifier l'hélium extrait. Selon un mode de réalisation particulier, l'une des électrodes d'alimentation électrique peut être reliée à la terre.

Grâce à ses caractéristiques, le four selon l'invention permet de : - minimiser le blanc d'hélium à haute température (1x10-15 mole de 4He et moins de 4x10"21 mole de 3He). Ces quantités résiduelles d'hélium (obtenues dans les mêmes conditions analytiques que celles utilisées pour une extraction) sont en moyenne inférieures à 10 fois celles obtenues avec un four de l'état de la technique. - minimiser les problèmes de fuite sur l'enceinte UHV. - supprimer les problèmes liés à l'utilisation d'un tube en Tantale pour chauffer l'échantillon (recristallisation du Ta, dégradation du tube au contact des silicates fondus présents dans les échantillons); - mesurer le rendement d'extraction du four. Des mesures réalisées avec un échantillon 300 milligrammes d'olivine réfractaire, de granulométrie comprise entre 0.3 et 0.5 millimètre, ont permis de montrer que le four selon l'invention présente un rendement d'extraction supérieure à 99%. - réduire les coûts de fabrication (par dix environ) d'un four HT sous UHV afin de le rendre accessible à de nombreuses équipes de recherche et petites sociétés. - analyser des échantillons pauvres en hélium cosmogénique et donc de dater de très jeunes surfaces d'exposition (environ 1000 ans) grâce à la possibilité de pouvoir analyser des échantillons allant jusqu'à 500 mg.

D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après, faite en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue schématique en coupe sagittale d'un 5 four HT sous UHV à deux enceintes, connu de l'état de la technique ; - la figure 2, une vue schématique en coupe sagittale d'un four HT sous UHV selon l'invention en position ouverte ; - la figure 3, une vue schématique en coupe sagittale du four de la figure 2 en position fermée, et comprenant en outre des 10 caractéristiques techniques optionnelles ; - la figure 4, une vue schématique en coupe transversale d'un four HT sous UHV selon l'invention ; - la figure 5, une photo des connections électriques vues de l'intérieure de l'enceinte, d'un des deux écrans thermiques et de la résistance 15 chauffante portant un creuset en nitrure de bore selon l'invention ; et - la figure 6, une courbe illustrant le rendement d'extraction de 3He du four selon l'invention, en fonction du temps d'extraction à haute température. Un mode de réalisation d'un four HT sous UHV selon 20 l'invention est illustré en figure 2. Ce four 100 comprend une unique enceinte tubulaire 110 (avantageusement cylindrique) fermée à une extrémité par une paroi supérieure 111. Cette enceinte 110 comprend un premier orifice 112 de 25 connexion à une pompe à ultravide. Dans le mode de réalisation illustré en figure 2, l'enceinte 110 comprend avantageusement un deuxième orifice 113 de connexion à un réceptacle de stockage sous vide d'échantillons (tel qu'un carrousel qui permet de stocker une série d'échantillons sous UHV). Ceci permet de stocker le ou les échantillon(s) et de l'introduire dans l'enceinte 30 sans avoir à ouvrir l'enceinte. Le four selon l'invention permet ainsi de réaliser une étape de dégazage de l'enceinte avant introduction et chauffage de

l'échantillon. Cette étape de degazage de l'enceinte consiste à réaliser un étuvage de l'enceinte entre 200°C et 300°C pour désorber les espèces chimiques adsorbées sur les parois internes de l'enceinte. Parallèlement à cet étuvage, le creuset en nitrure de bore est également chauffé à haute température (1500°C) pour son propre dégazage. L'étape de dégazage se fait systématiquement sous pompage turbomoléculaire afin d'évacuer les gaz désorbés. Après refroidissement du four (enceinte + creuset), l'échantillon peut être introduit. Les gaz extraits de l'échantillon ne sont donc pas pollués par les espèces chimiques adsorbées sur les parois de l'enceinte car celles-ci ont été pompées durant l'étape de dégazage. Avantageusement, l'enceinte 110 est connectée à la ligne UHV (purification) et au carrousel de stockage des échantillons grâce à des flexibles afin de minimiser les contraintes mécaniques de l'ensemble. De préférence, l'enceinte 110 et les flexibles sont pourvus de brides de fixation présentant une surface de contact munie d'une gorge de logement pour un joint en cuivre. A la différence des fours selon l'état de la technique, les structures utilisées peuvent être facilement usinées pour présenter une gorge de logement. II est ainsi possible d'utiliser un joint en cuivre plutôt qu'un joint en or. La mise en oeuvre est donc plus facile et moins chère qu'avec un four connu. Le four 100 comprend également un support 120 de l'enceinte 110. Ce support 120 comprend : - une plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte présentant une face intérieure 121a et une face extérieure 121b, en référence à la 25 position d'utilisation ; - une résistance électrique chauffante 122 disposée du côté de la face intérieure 121a et conformée pour loger et chauffer par conduction et radiation un creuset 123 ; - des électrodes 124-125 d'alimentation électrique montées 30 traversantes à travers la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte 110, reliées électriquement à la résistance chauffante 122

et aptes à être reliées électriquement à un générateur électrique G (voir figure 3). De préférence, l'enceinte 110 et le support d'enceinte 120 comprennent chacun une bride de fixation, respectivement 114 et 126. Pour un travail en ultra vide, les brides de fixations présentent une surface de contact avec l'autre bride munie d'une gorge 115 de logement pour un joint en cuivre 130. Il est également possible d'utiliser des brides planes pour les utiliser avec des joints en or ou des brides de type KF pour utiliser des joints viton.

La résistance chauffante 122 est de préférence en tungstène et se présente sous la forme d'un cylindre fermé à une extrémité et ouvert à une autre extrémité pour constituer un réceptacle du creuset 123. L'extrémité fermée du cylindre est destinée à entrer en contact avec le creuset 123. L'extrémité ouverte de la résistance chauffante se prolonge radialement par des bras de connexion aux électrodes d'alimentation électrique. Les bras de connexion servent avantageusement de support à l'ensemble de la résistance électrique entre les deux électrodes. Les électrodes d'alimentation électrique sont constituées par deux colonnes, de préférence en cuivre, traversant la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte. Chaque électrode comprend une extrémité disposée à l'extérieur du four pour une connexion à un générateur électrique G (voir figure 3), et une extrémité intérieure à l'enceinte pour une connexion à la résistance chauffante 122. L'une des électrodes d'alimentation électrique peut être reliée à la terre, alors que l'autre est reliée à un générateur électrique. Les figures 4 et 5 illustrent un mode de réalisation de la fixation de la résistance chauffante 122 sur les électrodes 124 et 125, par des connecteurs électriques 160. Chaque connecteur comprend un palier 161 enserrant 30 fermement une électrode, et muni de taraudages pour l'insertion de tiges

filetées 162. Chaque connecteur 160 comprend également une plaquette 163 munie de passage pour les tiges filetées 162. La résistance chauffante 122 est pincée entre les paliers 161 et les plaquettes 163, et les tiges filetées 162 sont vissées dans les taraudages pour maintenir les plaquettes 162 serrées contre la résistance chauffante, elle-même serrée contre les paliers 161. Le creuset 123 peut être en tantale, oxyde de magnésium (MgO) ou molybdène. Cependant, le creuset 123 est de préférence en nitrure de bore. En effet, les meilleurs résultats ont été obtenus avec du nitrure de bore lorsque les exigences sur les blancs d'hélium sont drastiques, notamment pour la mesure d'hélium cosmogénique. . Le nitrure de bore (BN) dégaze une très faible quantité de blanc d'hélium à haute température (1400-1500 °C) (1.1x10"15 mole 4He). Les propriétés thermiques du BN sont exceptionnelles. Le BN, comparé aux métaux réfractaires ou aux céramiques, a une meilleure conductibilité thermique. Le creuset en BN peut aussi être en contact partiel (ou total) avec la résistance chauffante sans risquer sa détérioration. Le BN peut également être chauffé jusqu'à 2800°C sous atmosphère inerte ou réductrice sans être endommagé. Enfin, le BN est très résistant chimiquement car il est non mouillant avec les métaux fondus et ne forme pas d'alliage avec la plupart des éléments (Al, Mg, Si, Fe...) rencontrés dans les échantillons géologiques. Selon un mode de réalisation préférentiel, le four selon l'invention comprend un écran thermique 127 en contact avec la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte, et agencé entre le réceptacle de creuset de la résistance chauffante 122 et les électrodes d'alimentation électrique 124-125 pour protéger ces dernières de la chaleur. De même, le four selon l'invention peut également comprendre un écran thermique 128 en contact avec la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte, et agencé sous le réceptacle de creuset de la résistance chauffante 122, pour protéger de la chaleur la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte.

La figure 3 illustre le four de la figure 2 en position fermée. Comme illustré sur cette figure 3, le four peut comprendre avantageusement d'autres structures qui permettent d'optimiser le fonctionnement du four.

Ainsi, le four selon l'invention peut comprendre au moins un dissipateur de chaleur 140-141 en liaison thermique avec l'enceinte et fixé à l'extérieur de l'enceinte pour permettre un refroidissement de l'enceinte. De préférence, le dissipateur de chaleur 140 est agencé à proximité du premier orifice 112 de connexion à une pompe à ultravide, et/ou du deuxième orifice 113 de connexion à un réceptacle de stockage sous vide pour limiter la température de la partie supérieure du four (orifice de connexions 112 et 113 et enceinte 110). Le four selon l'invention peut comprendre, en outre, au moins un dissipateur de chaleur 140 en liaison thermique avec au moins un écran thermique 127-128, et fixé à l'extérieur de la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte pour permettre un refroidissement de l'écran thermique 127 et/ou 128. Pour améliorer l'évacuation de chaleur, il peut être prévu au moins un ventilateur 142 agencé pour favoriser la circulation d'air en contact avec le ou les dissipateur(s) de chaleur 140-141. Ainsi, durant l'extraction (qui se fait vers 1500°C), les écrans thermiques 127-128 sont refroidis par l'extérieur grâce aux dissipateurs de chaleur, l'un fixé au dessous pour protéger la plaque 121 et le second, fixé également à l'extérieure de l'enceinte pour la refroidir et, avantageusement, protéger les brides de connexion à la ligne UHV et au réceptacle de stockage sous vide d'échantillons. Une pâte siliconée entre les dissipateurs thermiques et le four est utilisée pour améliorer le transfert thermique. Avantageusement, les électrodes d'alimentation électrique, sont refroidies par une circulation de glycol 150 (figure 3).

Dans l'exemple de réalisation, la température externe du four reste inférieure à 100°C après 25 minutes à une température intérieure de

1500°C (température mesurée dans le creuset par pyrométrie optique). Seul la bride de fixation au réceptacle de stockage sous vide d'échantillons est plus chaude (150°C). Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, l'unique enceinte et le support d'enceinte sont fixés l'un à l'autre de manière dissociable. Cependant, dans un mode alternatif de réalisation, l'unique enceinte et le support d'enceinte peuvent être fixés l'un à l'autre de manière indissociable. Dans ce cas, l'unique enceinte comprend une trappe d'accès pour l'entretien du four.

Un exemple de réalisation du four selon l'invention a été fabriqué de la manière suivante. L'ensemble du four a été réalisé, hormis les électrodes d'alimentation électrique, en acier inoxydable « 316L ». Le choix de cet acier s'est fait au regard de sa bonne soudabilité et de sa très faible perméabilité à l'hélium. Sa tenue mécanique permet un étuvage de l'enceinte à 300°C pour désorber les espèces chimiques adsorbées sur les parois internes de l'enceinte. Un cylindre (en acier inoxydable « 316L »), fermé à l'une de ces extrémités et d'un diamètre de 150 mm a été soudé sur une bride standard CF160. Deux brides standards CF16 et CF40 ont été soudées sur les parois de ce cylindre afin de connecter l'enceinte à la ligne UHV (purification des gaz), et à un carrousel (stockage sous vide des échantillons). Deux électrodes d'alimentation électrique, sur lesquelles a été fixée une résistance chauffante en Tungstène, sont soudées sur une deuxième bride CF160 constituant la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte. Afin d'éviter toute surchauffe électrique, un soin particulier a été apporté à la fixation de la résistance chauffante sur les électrodes d'alimentation électrique. Le creuset en nitrure de bore 123 est placé directement au centre de la résistance chauffante afin d'y être chauffé par conduction et radiation jusqu'à 1600°C.

Avantageusement, deux écrans thermiques (en acier inoxydable « 316L ») sont utilisés pour protéger le four des effets des radiations émises par la résistance à haute température : un premier écran thermique, soudé sur la face intérieure 121a de la plaque 121 (bride CF160,) est utilisé pour protéger les électrodes d'alimentation électrique alors qu'un second écran thermique est placé au dessous du creuset, pour protéger la plaque 121. Dans cet exemple de réalisation, l'enceinte a une hauteur de 70 mm, un diamètre de 150 mm, et un volume interne de 1400 cm3 environ.

L'enceinte et la plaque 121 de fermeture étanche de l'enceinte sont assemblées par les brides 114-126 standards (brides CF160) et un joint 130 en cuivre OFHC (« oxygen free high conductivity » en anglais, ou cuivre Cu-c selon la norme ISO 431). Après sa construction, et pour répondre aux normes de propreté exigées pour l'ultra vide, l'enceinte est soumise à des ultra-sons dans trois bains successifs de détergent (Decon 90) et dans un dernier bain à l'acétone ultra pur. Entre chaque bain, l'enceinte est rincée à l'eau déminéralisée. Cette procédure de nettoyage permet d'éliminer 99,95% des hydrocarbures présents sur la surface interne l'enceinte.

Cette invention diffère du four classique à deux enceintes, notamment par le fait que l'élément chauffant n'est plus porté à haute température uniquement par rayonnement (le tube en Ta chauffé par une résistance située dans une enceinte indépendante, et pompée sous UHV), mais également par effet Joule. Le four selon l'invention peut alors être plus petit que les fours connus. Les deux principaux avantages liés au four selon l'invention sont : 1) l'amélioration de la qualité des analyses grâce au faible blanc d'hélium obtenu (environ dix fois moins qu'avec un four classique à deux enceintes), et 2) Le coût de la résistance chauffante (entre 20 et 300 E suivant le modèle) et sa facilité technique pour être fixer sur les électrodes d'alimentation électrique.

Le coût global du four selon l'invention est estimé entre 2000 et 2500 E. Ce coût a été divisé par dix environ par rapport au coût global d'un four HT à double enceinte. L'encombrement de ce four a été réduit de manière notable par rapport aux fours à deux enceinte (dont la hauteur habituelle est de 280 mm et le diamètre est de 150 mm), et peut être directement inséré dans une ligne UHV et de purification des gaz selon l'invention. Ainsi, l'invention concerne également un système comprenant un four tel que décrit précédemment, connecté à une ligne UHV. Selon l'invention, cette ligne UHV permet également la purification des gaz car elle comprend des pièges à base de mousse de titane aptes à créer des liaisons chimiques avec l'ensemble des gaz réactifs extraits, tels que l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, pour les piéger par chimisorption et ainsi purifier l'hélium extrait. Des pièges à base de charbon actif sont également utilisés pour séparer par physisorption (cryopiègeage) les gaz rares les uns des autres. Avantageusement, l'enceinte 110 est connectée à la ligne UHV (purification) et au carrousel grâce à des flexibles métalliques qui permettent de diminuer le risque de fuite durant l'assemblage en minimisant les contraintes mécaniques sur l'ensemble.

De même, l'orifice 113 de connexion à un réceptacle de stockage sous vide d'échantillons (un carrousel, de préférence) est avantageusement pourvu d'un cône 116 de guidage de l'échantillon lorsque celui-ci tombe du carrousel dans le creuset en nitrure de bore. Avec le four HT sous UHV selon l'invention, la principale source de blanc d'hélium provient du creuset. Afin de minimiser cette source d'hélium, le creuset est dégazé entre 400 et 1500°C sous pompage- turbomoléculaire via la ligne UHV. Après 2 à 3 cycles de dégazage, la pression est inférieure à 5x10-8 mbar avec un creuset chauffé à 800°C. Les quantités résiduelles d'hélium (obtenues dans les mêmes conditions analytiques que celle utilisées pour une extraction) sont en moyenne

inférieures à dix fois celles obtenues avec un four de l'état de la technique, à savoir de 1x10-15 mole 4He et inférieure à 4x10-21 mole 3He . Grâce au fait qu'il n'est pas nécessaire d'ouvrir le four selon l'invention pour déposer l'échantillon dans le creuset, l'extraction de l'hélium cosmogénique est beaucoup moins polluée par le blanc d'hélium. Des essais de rendement d'extraction du four HT selon l'invention ont été réalisés et les résultats sont illustrés en figure 6. Pour cela, un échantillon réfractaire (olivines F086), de granulométrie 0.5-1 mm, de poids égal à 500 mg, a été emballé dans une feuille de cuivre. Après avoir chauffé cet échantillon pendant 20 minutes à 1430°C, 99,2% de l'hélium a été extrait (1.30 x10-12 mole 4He) (Figure 6). Après seulement 20 minutes à 1430 °C, plus de 99% de l'hélium a été extrait. La seconde et la troisième extraction représentent moins de 1% de l'hélium (cumulé).

Malgré les quantités importantes dégazées, nous n'avons pas observé d'effet de mémoire dans le four HT (aucune adsorption d'hélium sur les parois internes du four n'a pu être mise en évidence avec des mesures au spectromètre de masse). Comparé aux fours HT sous UHV à double enceinte rencontrés dans tous les autres laboratoires, le développement de ce four a permis d'améliorer la qualité des analyses faites jusqu'à présent grâce à une diminution des quantités d'hélium dégazées (blanc) par le four à haute température. Sa fiabilité et sa facilité d'utilisation ont été augmentées en améliorant sa conception et en abandonnant la structure classique à deux enceintes, alors même que cette structure était considérée comme essentielle pour limiter le mélange entre l'hydrogène dégagé par la résistance et l'hélium-3 dégagé par l'échantillon. Enfin, son coût de fabrication a été réduit d'un facteur 10 et sa maintenance peut être considérée comme nulle grâce à l'absence de tube en Ta et de pompe turbomoléculaire.

Le four selon l'invention peut être utilisé pour extraire l'hélium par fusion et/ou diffusion dans des minéraux (ou des poudres) tels que les apatites, les, pyroxènes et les olivines. L'hélium est un atome extrêmement petit (rayon atomique: 128 pm) qui n'est pas toujours retenu dans la maille cristalline de certains minéraux (quartz). Sa diffusion hors de celui-ci rend alors impossible la mesure d'un âge d'exposition. Le néon cosmogénique (21Ne) lui aussi produit par spallation peut alors être utilisé pour accéder à ces âges d'exposition, car de rayon atomique plus important (160 pm) que l'hélium, il ne diffuse pas à travers les minéraux. Le four selon l'invention peut également être utilisé pour extraire, avec un bon rendement d'extraction (99 à 100%), le néon dans des quartz, tout en ayant un blanc de néon très faible (< 2x10"16 mole 20Ne).

Claims (17)

1. REVENDICATIONS1. Four à haute température sous ultravide caractérisé en ce qu'il comprend - une unique enceinte tubulaire (110) fermée à une extrémité et comprenant un premier orifice (112) de connexion à une pompe à ultravide ; - un support (120) de l'enceinte comprenant : - une plaque (121) de fermeture étanche de l'enceinte (110) présentant une face intérieure (121a) et une face extérieure (121b), en référence à la position d'utilisation ; - une résistance électrique chauffante (122) disposée du côté de la face intérieure et conformée pour loger et chauffer par conduction et radiation un creuset (123) ; - des électrodes (124-125) d'alimentation électrique montées traversantes à travers la plaque (121) de fermeture étanche de l'enceinte (110), reliées électriquement à la résistance chauffante (122) et apte à être reliées électriquement à un générateur électrique (G).
2. 2. Four à haute température sous ultravide selon la revendication 1, dans lequel l'unique enceinte (110) comprend en outre un deuxième orifice (113) de connexion à un réceptacle de stockage sous vide d'échantillons.
3. 3. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la résistance chauffante est en tungstène et se présente sous la forme d'un cylindre fermé à une extrémité et ouvert à une autre extrémité pour constituer un réceptacle de creuset, l'extrémité ouverte se prolongeant radialement par des bras de connexion aux électrodes d'alimentation électrique.
4. 4. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le creuset est en un matériau choisi parmi le tantale, l'oxyde de magnésium, le molybdène, préférentiellement le nitrure de bore.
5. 5. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant, en outre, un écran thermique en contact avec la plaque de fermeture étanche de l'enceinte, et agencé entre le réceptacle de creuset et les électrodes d'alimentation électrique pour protéger ces dernières de la chaleur.
6. 6. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant, en outre, un écran thermique (128) en contact avec la plaque de fermeture étanche de l'enceinte, et agencé sous le réceptacle de creuset.
7. 7. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant, en outre, au moins un dissipateur de chaleur en liaison thermique avec l'enceinte et fixé à l'extérieur de l'enceinte pour permettre un refroidissement de l'enceinte.
8. 8. Four à haute température sous ultravide selon la revendication 7, dans lequel le dissipateur de chaleur est agencé à proximité du premier orifice de connexion à une pompe à ultravide, et/ou du deuxième orifice de connexion à un réceptacle de stockage sous vide pour limiter la température de l'enceinte (110).
9. 9. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 5 à 8, comprenant, en outre, au moins un dissipateur de chaleur en liaison thermique avec un écran thermique, et fixé à l'extérieur de la plaque de fermeture étanche de l'enceinte pour permettre un refroidissement de l'écran thermique et du support (120) de l'enceinte.
10. 10. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 5 à 9, comprenant, en outre, au moins un ventilateur agencé pour favoriser la circulation d'air en contact avec le ou les dissipateur(s) de chaleur.
11. 11. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'enceinte (110) et le support d'enceinte (120) comprennent chacun une bride de fixation présentant une surface de contact avec l'autre bride munie d'une gorge de logement pour un joint en cuivre.
12. 12. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 2 à 11, dans lequel le réceptacle de stockage sous vide d'échantillons est un carrousel.
13. 13. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel l'unique enceinte et le support d'enceinte sont fixés l'un à l'autre de manière dissociable.
14. 14. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel l'unique enceinte et le support d'enceinte sont fixés l'un à l'autre de manière indissociable, l'unique enceinte comprenant une trappe d'accès pour l'entretien.
15. 15. Four à haute température sous ultravide selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel les électrodes d'alimentation électrique sont constituées par deux colonnes en cuivre traversant la plaque de fermeture étanche de l'enceinte, comprenant chacune une extrémité disposée à l'extérieur du four pour une connexion à un générateur électrique, et une extrémité intérieure à l'enceinte pour une connexion directe de la résistance chauffante.
16. 16. Système comprenant un four selon l'une quelconque des revendications précédentes et une ligne UHV, celle-ci comprenant des pièges à base de mousse de titane aptes à créer des liaisons chimiques avec des gaz réactifs extraits, tels que l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, pour les piéger par chimisorption, et des pièges à base de charbon actif pour séparer par physisorption des gaz rares les uns des autres, et ainsi purifier l'hélium extrait.
17. 17. Système selon la revendication précédente, dans lequel l'une des électrodes d'alimentation électrique est reliée à la terre.30