Purification des gaz rares sous ultravide - Enceinte de purification

Les gaz rares forment l'ensemble des éléments chimiques classés dans le groupe 18 du tableau périodique. Ils sont au nombre de 7, à savoir l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon, le radon et l'ununoctium de symboles respectifs He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn et Uuo. Seuls les cinq premiers éléments de ce groupe sont évoqués en détail pour permettre aux lecteurs de mieux comprendre les processus physico-chimiques aboutissant, après leur extraction par broyage, fusion, ou ablation d'un échantillon géologique, à leur purification dans une enceinte sous ultravide (UHV). Il n'est pas fait état dans cet article de commentaires spécifiques sur le radon, qui est produit par la désintégration radioactive du radium et dont les applications en géosciences sont très limitées, ni d'ailleurs sur l'ununoctium qui est un élément purement synthétique, produit dans certains laboratoires de physique spécialisés en recherche fondamentale.

Les cinq gaz rares, hélium (He), néon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr) et xénon (Xe) possèdent chacun plusieurs isotopes naturels. Ils sont au nombre de 2 (He) et de 3 (Ne, Ar) pour les gaz rares légers, et atteignent 6 et 9 pour Kr et Xe. Tous ces isotopes sont stables, mais certains d'entre eux ont été produits par des réactions radiogéniques, nucléogéniques ou fissiogéniques (⁴He, ²¹Ne, ⁴⁰Ar, ^84-86Kr, ^129-136Xe) ayant abouti à des variations de la composition isotopique des gaz rares. Les études sur les couples père/fils sont à l'origine de méthodes de datation (K/Ar, U-Th-Sm/He, etc.) et fournissent des indications temporelles sur la formation des roches étudiées. Les gaz rares subissent également, au cours de nombreux processus physiques, des fractionnements élémentaires. Ceux-ci peuvent avoir une origine cinétique puisque la diffusion des gaz rares légers dans une roche est, comparée à celle des gaz rares lourds, plus rapide pour des conditions de température et de pression données. L'adsorption des gaz rares sur les solides est aussi une source de fractionnement. Elle tire son origine des liaisons de type Van der Waals qui fixent préférentiellement sur un solide les gaz rares lourds au détriment des légers. Enfin, la solubilité des gaz rares, vis-à-vis du milieu dans lequel ils se trouvent, entraîne également un fractionnement élémentaire. Il est proportionnel ou inversement proportionnel à la masse des éléments si la phase porteuse est respectivement de l'eau ou un liquide silicaté. Comprendre et expliquer les processus à l'origine de ces variations isotopiques et/ou élémentaires (dégazage ou différenciation du manteau, volcanisme, etc.) dans un échantillon dont l'histoire géologique a commencé pour les plus vieux, il y a 4,56 milliards d'années est un véritable défi en géoscience et nécessite de développer, en complément de systèmes d'extraction sous vide, des enceintes de purification et de séparation des gaz rares.

Cet article présente une description détaillée du matériel (vanne, groupe de pompage, mesure des pressions, choix des standards de gaz rares, étuvage in situ) nécessaire à la réalisation de ce type d'enceinte particulière et des précautions d'usage à respecter pour obtenir rapidement un niveau et une qualité de vide indispensable à la purification des gaz rares. Il vient en appui de l'article [J 6 635] dédié aux protocoles de purification et de séparation des gaz rares par chimisorption et physisorption. Ils complètent, ensemble, un premier article [J 6 632] consacré aux méthodes d'extraction des gaz rares sous ultravide.

Un glossaire placé en fin d'article, redonne les principales définitions nécessaires à la compréhension de l'article.