b Autonomie du cryostat

En fonctionnement stationnaire, chaque litre d’azote et d’hélium liquide qu’on y stocke offre une certaine énergie frigorifique. Plus les pertes sont faibles, plus longtemps cette énergie les compensera. L’azote est un fluide cryogénique couramment utilisé, en raison de son extrême abondance bien sûr, mais surtout pour sa grande chaleur latente de va-porisation (Lvap = 160 kJ/). La charge thermique est donc au maximum reportée sur

II.1. Construction du dispositif expérimental 47 tube de pompage boite 1K enceinte extérieure réservoir d’hélium réservoir d’ azote écran hélium écran azote cœur du dispositif 300 K 77 K 4 K 1 K coupe-film 2 K capillaire (a) ^(b) (c)

Figure II.1 – Structure du cryostat. (a) Schéma général. Les couleurs indiquent la tem-pérature du palier. (b) Agrandissement sur le capillaire qui alimente en hélium liquide la boîte 1K en prélevant l’hélium dans le réservoir. La boite 1K est ensuite pompée par le tube central. Au milieu de ce tube, une pièce à arêtes tranchantes, le coupe-film, em-pêche l’hélium superfluide de remonter. (c) Photo du dispositif : en haut, la boîte 1K (en marron, au centre). En bas, le cœur du dispositif. Les pièces mécaniques sont recouvertes d’or pour garantir une bonne conduction thermique.

le réservoir d’azote. Pour notre cryostat, le volume du réservoir est de 34 . Sans consi-dérer l’apport énergétique lié à l’enthalpie du gaz, ce réservoir offre une énergie frigori-fique conséquente de 2, 6 MJ. Consommées approximativement en 100 heures, les réserves d’azote compensent des pertes de l’ordre de 10 W.

L’hélium-4 ne possède pas une aussi grande chaleur latente puisqu’elle ne vaut que

L_vap(He) = 2, 6 kJ/. L’avantage de ce fluide cryogénique réside simplement dans l’ex-trêmement basse température d’ébullition sous pression atmosphérique de 4, 22 K. En dehors de l’hélium-3, isotope encore plus rare que l’hélium-4, aucun liquide ne possède

de température d’ébullition aussi basse. Seule la chaleur latente de l’hélium est utilisée pour maintenir la température du cryostat à 4 K. L’hélium évaporé continuellement est récupéré à un taux moyen de 0, 090 /s, ce qui correspond à une puissance de vaporisation de 305 mW. Cela nous donne avec une bonne précision les pertes au niveau du cœur du dispositif. Avec une capacité de 26 , le réservoir d’hélium a une autonomie d’environ 54 heures, soit une consommation d’environ 11 /jour. Lorsque le pompage est activé pour abaisser la température à 1 K, un gradient thermique se crée entre la partie 1K et le réservoir d’hélium. Les pertes thermiques subies par la partie 1K se reportent toutes sur le réservoir d’hélium. Dans la mesure où le gaz pompé ressort relativement chaud, les pertes de l’ensemble 4K et 1K ne sont pas différentes de celles du réservoir seul et la consommation reste donc identique.

L’autonomie du cryostat sera d’autant meilleure que les pertes dues aux transferts thermiques entre les constituants du cryostat sont réduites. La première cause identifiable de pertes thermiques est la diffusion de chaleur dans les matériaux. La solidité du cryostat nécessite des contacts entre les différents réservoirs. Ainsi le réservoir d’hélium est fixé à l’enceinte extérieure au niveau du sommet du cryostat (fig.II.2). Le réservoir d’azote est quant à lui soutenu par le réservoir d’hélium à mi-hauteur de celui-ci. Pour minimiser ces pertes, les réservoirs sont en acier inoxydable dont la conductivité thermique est faible.

Les différents écrans thermiques sont isolés par du vide pour limiter les échanges thermiques entre eux. Au sein du réservoir d’hélium cependant, le gaz fait contact entre l’hélium liquide et l’enceinte extérieure. Les pertes restent faibles dans la mesure où le gaz est stratifié par couche de température sans mouvement convectif. De plus, l’ébullition constante du liquide alimente en permanence le réservoir en gaz froid. L’enthalpie de ces gaz est une source importante d’énergie frigorifique qui refroidit le réservoir d’hélium. Cette enthalpie est utilisée pour thermaliser les fils qui descendent dans le cryostat à travers le bain d’hélium. Des écrans thermiques en cuivre sont disposés dans le réservoir pour exploiter cette enthalpie (cf fig.II.2).

La source principale de pertes thermiques reste, malgré la structure stratifiée du cryo-stat, le rayonnement thermique. Les puissances mises en jeu peuvent être estimées avec la loi de Stefan-Boltzmann, qui s’applique à un corps noir, en tenant compte de l’émissi-vité du corps émetteur considéré. La puissance totale rayonnée Pray par un corps gris de surface S, d’émissivité et de température T s’écrit comme

P_ray = σST⁴, (II.1)

où σ est la constante de Stefan-Boltzmann. Cette puissance augmente rapidement avec la température. A 300 K, l’enceinte extérieure, en acier ( = 0, 2) de 2, 4 m², rayonne 220 W. Si cette puissance arrivait directement sur l’hélium liquide, 1  serait vaporisé toutes les 12 s, ce qui représente une puissance considérable pour un cryostat. On comprend donc bien la nécessité de mettre en place des paliers de température entre l’extérieur et le cœur de l’expérience, de sorte que la puissance rayonnée se dissipe progressivement. L’écran d’azote reçoit le rayonnement à 300 K et dissipe la chaleur en vaporisant de l’azote du réservoir. L’écran hélium fait de même avec le rayonnement à 77 K de l’écran azote. De

II.1. Construction du dispositif expérimental 49

Figure II.2 – Plan du cryostat. L’expérience atomique prend place tout en bas. La majeure partie du cryostat est constituée des réservoirs d’azote et d’hélium.

cette façon le montage cavité ne reçoit plus qu’un rayonnement à 4 K de la part de l’écran d’hélium.

Pour réduire encore plus l’effet du rayonnement, les écrans thermiques qui protègent le cœur du dispositif, initialement en cuivre, sont recouverts d’une mince couche d’or. Avec une émissivité de l’ordre de 0,02, l’or reflète l’essentiel du rayonnement infrarouge qu’il reçoit et n’émet qu’une faible portion de rayonnement thermique. Au niveau des réservoirs en acier inoxydable, le rayonnement est atténué par l’ajout de feuilles de mylar froissées qui, entourant les réservoirs d’azote et d’hélium, réfléchissent le rayonnement. Avec n feuilles de mylar, le flux est divisé par un facteur n + 1 [98]. Avec une cinquantaine de feuilles, le rayonnement est considérablement réduit, ce qui explique les pertes de 10 W qu’on mesure sur le réservoir d’azote.

Tous les câbles ou fils descendants dans le cryostat induisent aussi des pertes par rayon-nement ou par conductivité thermique, faibles individuellement mais non négligeables collectivement. Nous avons fait en sorte que tous les courants soient faibles afin que la puissance dissipée par effet Joule soit négligeable. Les tensions continues et les signaux basses fréquences sont transportés dans des câbles en laiton de conductivité thermique dix fois plus faible que le cuivre. La section des fils est minimisée pour limiter le contact thermique. Les signaux radiofréquences et micro-ondes circulent dans des câbles coaxiaux en acier inoxydable qui limitent les pertes par rayonnement et les pertes thermiques. Pour les signaux hautes fréquences de la détection atomique, nous utilisons des cables en cuivre qui supportent les hautes tensions de 3500 V. Une section en acier inoxydable est insérée au milieu du cable pour couper le contact thermique. Ses caractéristiques (âme : fil de diamètre 0, 9 mm, gaine : tube de diamètres intérieur 3, 1 mm et extérieur de 3, 5 mm, sur une longueur de 10 cm) sont ajustées pour optimiser l’adaptation d’impédance avec le câble coaxial en cuivre.