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Article

1 - PURIFICATION ET SÉPARATION DES GAZ RARES

2 - CHIMISORPTION

3 - PHYSISORPTION

4 - PROCÉDURES DE PURIFICATION ET DE SÉPARATION DES GAZ RARES

  • 4.1 - Purification de He/Ne
  • 4.2 - Purification de He/Ne/Ar
  • 4.3 - Purification de He/Ne/Ar/Kr/Xe

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : J6635 v1

Purification et séparation des gaz rares
Purification des gaz rares sous ultravide - Méthodes de purification

Auteur(s) : Laurent ZIMMERMANN, Evelyn FÜRI, Pete BURNARD

Date de publication : 10 sept. 2015

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RÉSUMÉ

Cet article présente les méthodes, développées dans les laboratoires de recherches, pour purifier les gaz rares extraits d'échantillons géologiques par chimisorption et physisorption dans une ligne de purification sous ultravide. Ces méthodes de purification permettent de piéger irréversiblement l'ensemble des espèces réactives (N2, O2, H2O, CO2, CxHy, etc.) afin de minimiser les interférences de masse pendant l'analyse des gaz rares. Les gaz sont aussi séparés, en utilisant plusieurs pièges refroidis à différentes températures pour les analyser séquentiellement avec un spectromètre de masse.

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Auteur(s)

  • Laurent ZIMMERMANN : Ingénieur d'études CNRS Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, UMR 7358, Vandoeuvre-lès-Nancy, F-54501, France

  • Evelyn FÜRI : Chargée de recherche CNRS Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, UMR 7358, Vandoeuvre-lès-Nancy, F-54501, France

  • Pete BURNARD : Directeur de recherche CNRS Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, UMR 7358, Vandoeuvre-lès-Nancy, F-54501, France

INTRODUCTION

Notre planète, pendant son accrétion il y a 4,56 milliards d'années, a piégé les gaz rares de la nébuleuse solaire. Ceux-ci, de composition primitive (peu ou mal connue, 3He/4He > ≈ 10–4, 40Ar/36Ar ≈ 10–4) se sont ensuite différenciés à la fois au niveau élémentaire et isotopique suite à la formation de la croûte, au dégazage du manteau et à sa différenciation. Les gaz rares sont actuellement présents dans les trois grands réservoirs terrestres, à savoir l'atmosphère, la croûte et le manteau et leurs compositions ne cessent d'évoluer suite :

  • aux interactions entre ces réservoirs (zones de subduction, volcanisme, etc.) ;

  • aux pertes par échappement dans l'espace ;

  • à des réactions nucléaires.

Ces compositions ont une composante :

  • radiogénique, générée par des réactions de fission et de décroissance certains isotopes (4He, 40Ar, 129Xe, 136Xe) à partir de radionucléides (235-238U, 232Th, 40K, 129 I, 244Pu, etc.) ;

  • nucléogénique, produite suite à des réactions entre le noyau de certains éléments (6Li, 17-18O, 24-25Mg, 35-37Cl, etc.) et des neutrons ou des particules α (4He) des isotopes des gaz rares (3He, 20-21-22Ne, 36Ar, 38Ar, etc.) ;

  • cosmogénique, résultat de l'interaction entre des éléments cibles (O, Mg, Si, Al, Fe, Ca, Rb, Sr, Te, Ba, La, etc.) avec le rayonnement cosmique (réaction de spallation) et la capture de muons pour produire un grand nombre d'isotopes de gaz rares (3He, 20-21-22Ne, 36-38Ar, 78-83Kr, 124-132Xe).

Une dernière composante, d'origine humaine cette fois-ci, a modifié le rapport 3He/ 4He dans le cycle de l'eau suite à 3He produit à partir du tritium (3H) émis par les essais nucléaires dans l'atmosphère.

L'étude de la composition élémentaire et isotopique de ces réservoirs se fait à partir d'un échantillonnage de roches et/ou de fluides (liquide ou gazeux) collecté sur le terrain par le géologue dont le but est de comprendre l'histoire géologique d'une région ou plus globalement celle de la Terre ou du système solaire. Le scientifique, notamment le géochimiste spécialisé dans l'analyse des gaz rares, s'appuie pour traiter ces échantillons, sur une ou plusieurs techniques d'extraction [J 6 632] pour libérer les gaz dans une enceinte, sous ultravide, spécialement développée pour la purification des gaz rares [J 6 634]. Cet article décrit les principales techniques de purification des gaz rares pour permettre aux ingénieurs de mettre en place, en adéquation avec les conditions analytiques qui leur sont imposées, des protocoles de purification physico-chimiques.

La structure électronique des gaz rares en 1s2 pour He et ns2np6 pour Ne, Ar, Kr et Xe a la particularité d'être saturée d'électrons. Cette caractéristique induit une stabilité et une inertie chimique importante de ces éléments vis-à-vis du milieu dans lequel ils se trouvent et permet d'envisager une étape de purification par la chimisorption des espèces réactives (N2 , O, CxHy , CO2 , H2O , etc.), présentes dans le gaz initial, à la surface de pièges appelés communément « getters ». Les caractéristiques physiques des gaz rares autorisent ensuite, au cours d'une seconde étape de purification, leur séparation par physisorption sur des adsorbants refroidis à basse température. Leur désorption contrôlée permet de les séparer séquentiellement et de les analyser, dans des conditions optimales, à l'aide d'un spectromètre de masse.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j6635


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1. Purification et séparation des gaz rares

1.1 Intérêts de la purification

La purification et la séparation des gaz rares permettent, à l'aide de processus d'adsorption chimiques et physiques, de s'affranchir de la présence, dans une ligne de purification, de toutes les espèces polluantes (N2 , H2 , CxHy , H2O, etc.) vis-à-vis des gaz rares (interférences isobariques, effet de pression) et de l'enceinte (effet de mémoire). Ces deux étapes doivent permettre au final les améliorations suivantes.

– Introduire dans l'analyseur une pression compatible avec celle exigée par la spectrométrie de masse en mode statique, à savoir 10–9 à 10–7 mbar. Le respect de cette gamme permet, dans la plupart des cas, d'éviter la saturation des collecteurs (cage de Faraday) ou leur endommagement (multiplicateur d'électrons). De plus, des pressions trop élevées (> 5 × 10–7 mbar) dans les analyseurs de dernière génération, comme l'Helix MC (ThermoScientific) sont fortement déconseillées car, au-delà de 5 × 10–7 mbar, les différentes plaques de focalisation de la source à ionisation, portée à un potentiel de 10 000 V pour son fonctionnement, peuvent générer des arcs électriques et endommager l'analyseur.

– Mieux contraindre les effets de pression (signal sur figure 1) qui entraînent un fractionnement sur les mesures isotopiques et/ou des variations de la sensibilité des spectromètres de masse pouvant atteindre 15 % aussi bien sur l'hélium que sur le xénon . Ce phénomène proviendrait d'une inhomogénéité de la répartition des charges électriques au niveau de la source à ionisation qui perturberait le rendement d'extraction des isotopes d'un élément en direction des collecteurs ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PINTI (D.L.) -   Géochimie isotopique des gaz rares dans le pétrole du bassin parisien.  -  Thèse (1993).

  • (2) - BURNARD (P.G.), FARLEY (K.A.) -   Calibration of pressure-dependent sensitivity and discrimination in Nier-type noble gas ion sources.  -  Geochemistry Geophysics Geosystems, 1, p. 1-7 (2000).

  • (3) - BURNARD (P.), ZIMMERMANN (L.), SANO (Y.) -   The noble gases as geochemical tracers : history and background.  -  Spinger, 391 p. (2013).

  • (4) - SCHUFFENECKER (L.), SCACCHI (G.), PROUST (B.), FOUCAUT (J.F.), MARTEL (L.), BOUCHY (M.) -   Thermodynamique et cinétique chimiques.  -  Techniques et documentation, Lavoisier, p. 436 (1991).

  • (5) - ICHIMURA (K.), MATSUYAMA (M.), WATANABE (K.) -   Alloying effect on the activation processes of Zr-alloy getters.  -  Journal of Vacuum Science and Technology A, 5(2), p. 220-225 (1987).

  • ...

1 Événements

DINGUE (Development In Noble Gas Understanding and Expertise. Workshop ) organisé chaque année en marge de la conférence GOLDSCHIMDT

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2 Normes et standards

Éléments de raccordement à bride CF : les éléments sont en acier inoxydable 316L [(DIN 17 440 – WN 14 404) Z2CND 17-12] et conformes à la norme « Pneurop » 6601/1981 et DIN 28 403

Cuivre OFHC (Oxygen Free High Conductivity) : cuivre élaboré suivant une méthode américaine. Son équivalent français est le cuivre Cu-c1 ou 2. Norme ISO 431

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3 Annuaire

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3.1 Matériel pour l'ultra-vide (bride CF, traversée en rotation translation et électrique, joint cuivre,...

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