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Rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité entre 80 et 300K

Rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité entre 80 et 300K. Rappels théoriques Exemples de modèles Exploitation des connaissances en mesure optique. Lionel SIMON. CERN - LHC/ECR Laboratoire de Cryogénie. 10/11/1999. Travaux sur le rayonnement thermique. 1 Rappels théoriques.

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  1. Rayonnement thermique et mesure optique d'émissivité entre 80 et 300K • Rappels théoriques • Exemples de modèles • Exploitation des connaissances en mesure optique Lionel SIMON CERN - LHC/ECR Laboratoire de Cryogénie 10/11/1999

  2. Travaux sur le rayonnement thermique 1 Rappels théoriques Graphe du spectre électromagnétique L.SIMON LHC-ECR

  3. Travaux sur le rayonnement thermique • Loi de Planck : Avecc1 = 3.743x108 W.mm4/m2 et c2 = 1.439x104mm.K • Loi de Wien :lMAX T = 2898 mm.K L.SIMON LHC-ECR

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

  5. 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 L.SIMON LHC-ECR

  6. 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 L.SIMON LHC-ECR

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

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

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

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

  11. 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 L.SIMON LHC-ECR

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

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

  14. Travaux sur le rayonnement thermique Pourquoi une garde ? L.SIMON LHC-ECR

  15. Travaux sur le rayonnement thermique • Evaluation des pertes latérales (max. 2mW) • Limiter l ’entrée de rayonnement parasite par le trou de pompage (- 67 %) L.SIMON LHC-ECR

  16. 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%. L.SIMON LHC-ECR

  17. 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 L.SIMON LHC-ECR

  18. Travaux sur le rayonnement thermique • Noircir l’intérieur d ’un écran ? L.SIMON LHC-ECR

  19. Travaux sur le rayonnement thermique 2.3 Modélisation de la superisolation • Emissivité apparente • Influence de l’émissivité de l’enceinte à vide L.SIMON LHC-ECR

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

  21. Travaux sur le rayonnement thermique • Mesure optique : directe ou par réflexion L.SIMON LHC-ECR

  22. Travaux sur le rayonnement thermique • Détecteurs optiques (photoconducteurs, photovoltaïques, photoémissifs, ...) L.SIMON LHC-ECR

  23. 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 L.SIMON LHC-ECR

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

  25. Travaux sur le rayonnement thermique • A froid L.SIMON LHC-ECR

  26. 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) L.SIMON LHC-ECR

  27. 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) L.SIMON LHC-ECR

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