MTZ (MulTiZone Furnace)
Objectif
Les conditions de transferts thermique et solutal au sein de la phase fluide sont l'un des paramètres qui contrôlent l'homogénéité et la cinétique de croissance des cristaux élaborés par transport en phase gazeuse. Compte tenu de la grande diversité des mouvements convectifs pouvant entrer en jeu, il est primordial d'accéder à une meilleure connaissance des lois qui les gouvernent.
L'intérêt de la microgravité est de contribuer à la résolution des problèmes de qualité, de perfection, d'homogénéité de ces matériaux avec pour objectifs la modélisation des mécanismes de croissance par transport en phase gazeuse et l'influence du vecteur gravité sur l'anisotropie et la cinétique de croissance ce qui sera rendu possible grâce aux mesures de leurs propriétés thermo physiques.
Ce four multizone MTZ a donc été conçu pour effectuer ces expérience en sciences des matériaux, notamment la croissance en phase vapeur et la solidification dirigée. Il répond pleinement aux exigences spatiales: faible encombrement, consommation minimale de puissance, poids et sécurité. D’autre part l'étude thermique de ce four "trois zones" a montré l'efficacité des caloducs au sodium pour l'obtention de zones isothermes.
Concept Opérationnel
Dans le cadre du programme de la mission de la plate-forme EURECA-I. (European Retrievable Carrier), premier satellite récupérable européen, 4 fours de ce type ont été montés sur un équipement modulaire MFA (Multi-Furnace Assembly) .
Ce satellite lancé en Juillet 1992 (STS 46) a été récupéré en mai 1993 (STS 57) comme le montre le schéma suivant :
L’équipement MFA (Multi Furnace Assembly) permet de regrouper plusieurs fours (jusqu’à douze fours de trois types différents) avec des interfaces communes. Les fours avec leurs échantillons et leurs senseurs sont dédiés chacun à une expérience particulière, certains peuvent être pressurisés si besoin est.
Les opérations sont programmées de manière automatique mais il est possible d’intervenir depuis le sol grâce à une interface spécifique, le monitoring des données aussi bien que le commanding étant rendus possibles grâce aux liaisons de communication de la plateforme Eureca.
Les expériences :
Deux des expériences réalisées entre octobre et décembre 1992 ont consisté à étudier la croissance en phase vapeur des semi-conducteurs Pbo,sSno,2Te (Tellurure de plomb et d'étain) et GaAs (Arséniure de gallium), respectivement par transport physique et par transport chimique.
- Dans la 1ère expérience les ampoules en quartz contenant le tellurure ont été scellées sous une pression de 1 atmosphère pendant 265 heures dans le four où chaque zone affichait les températures suivantes : 834 deg.C, 826 deg.C, 818 deg.C.
- La 2éme expérience avait pour objectif d'étudier l'épitaxie en phase vapeur par transport chimique du monocristal GaAs (arséniure de gallium). Celui-ci, contenu dans 2 ampoules de quartz, dans l’une sous sa forme pure et dans l’autre dopé, était placé dans deux enceintes réactionnelles dans le four multizone, à des températures différentes selon la zone (700 deg.C, 758 deg.C, 797 deg.C) ce qui a permis de déterminer l'influence de la température et de la gravité sur les mécanismes de croissance.
Matériel utilisé
Un four constitué de trois zones chauffantes indépendantes et isothermes.
Chacune de ces zones comprend neuf caloducs au sodium (type "CRAYON") intégrés dans un bloc diffuseur en nickel. Un tube central supporte les trois blocs diffuseurs.
L'isolation thermique est assurée par du super isolant. Un vide dynamique de l'ensemble du four permet d'une part d'améliorer l'isolation thermique et d'autre part d'avoir le même profil de température pour des températures de consigne équivalentes entre l'espace et le sol.
Les avantages de ce four sont les suivants :
- Très faible consommation électrique (180 Watt pour 900°C, température maximum) due a une super isolation,
- Isothermie parfaite des zones grâce à ses caloducs au sodium,
- Stabilité en haute température (+/- 0,2°C en vol),
- Légèreté due au boitier en alliage d’aluminium.
