Très basses pressions : une nouvelle jauge normalisée

Pour mesurer de très basses pressions (ultravide), notamment dans la recherche en physique fondamentale, en métrologie ou dans l’industrie des semi-conducteurs, les jauges à ionisation sont utilisées. Cette ionisation résulte de la collision du faisceau d’électron émis par la cathode de la jauge puis accéléré, avec les molécules du gaz mesuré. Le courant d’ions collecté est proportionnel à la densité volumique du gaz donc à sa pression.

Cependant la maîtrise de la sensibilité de ces instruments, essentiellement liée au rapport entre la pression du gaz et le courant collecté, est actuellement peu satisfaisante. La sensibilité dépend de la géométrie de la jauge utilisée, de la pression à mesurer et du gaz considéré, et manque en outre de stabilité dans le temps.

Pour remédier à ce problème, le projet européen IonGauge(1), réunissant le LNE, plusieurs laboratoires européens de métrologie(2) et des partenaires industriels, visait à développer un nouveau modèle de jauge à ionisation, normalisé, doté de caractéristiques métrologiques améliorées, pouvant servir d’étalon de référence fiable.

Une conception inédite

Par rapport aux jauges à ionisation existantes, ce nouveau modèle présente l'avantage que la longueur du trajet électronique est bien définie. En particulier, les électrons ne heurtent pas l'anode d’où ils peuvent être réfléchis, générer des électrons secondaires ou provoquer la désorption de neutrons ou d’ions. La conception, validée par simulations numériques, présente l’avantage que la fabrication de la jauge par différents constructeurs donnerait des exemplaires dotés non seulement d’une sensibilité prédictible (et donc reproductible) pour un grand nombre de gaz, mais également d’une bonne stabilité sur le long terme. Ce type de jauge serait alors particulièrement adapté comme étalon de référence dans la gamme de 10^-6 Pa à 10^-2 Pa pour l’étalonnage de manomètres à vide ou de spectromètres de masse quadripolaires.

Le LNE a notamment participé à la caractérisation de plusieurs prototypes de jauges à ionisation réalisés selon ces nouvelles prescriptions, de même qu’à une comparaison entre trois laboratoires nationaux de métrologie. Résultat : une sensibilité maitrisée à 1 % pour un exemplaire donné et une reproductibilité entre exemplaires de l’ordre de 2,5%, légèrement au-delà des espérances. De quoi assurer à terme une précision inégalée des mesures de pression dans la gamme comprise entre 10^-6 Pa et 10^-2 Pa.

Cette nouvelle jauge à ionisation pourra facilement être reproduite par tout constructeur expérimenté et offrira une plus grande précision des mesures aux utilisateurs exigeants du domaine des très basses pressions.

(1) Le projet 16NRM05 Ion Gauge a reçu un financement du programme EMPIR, cofinancé par les États membres, et du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne.
(2) CMI (République Tchèque), MIRS/IMT/LMT (Slovénie), PTB (Allemagne), RISE (Suède)

 

Référence :
Electrons on a straight path: A novel ionisation vacuum gauge suitable as reference standard,
Karl Jousten, Matthias Bernien, Frédéric Boineau, Nenad Bundaleski, Claus Illgen, Berthold Jenninger, Gustav Jönsson, Janez Šetina, Orlando M.N.D. Teodoro, Martin Vičar
Vacuum 189 (2021), 110239

Contacts presse

 Alexandre Papin • 01 40 43 38 92 • alexandre.papin@lne.fr - Valérie Mulot • 01 40 43 40 93