Le circuit de liquéfaction du xénon

La partie du prototype chargée de liquéfier le xénon est principalement constituée du Pulse Tube Refrigerator, qui assure la liquéfaction à proprement parler. Nous pouvons cependant y ajouter le cryostat et l’enceinte à vide qui assurent le stockage du xénon sous sa phase liquide. Ce sont ces éléments que nous allons décrire dans la suite de cette partie.

Le Pulse Tube Refrigerator

Différentes méthodes peuvent être utilisées pour atteindre et maintenir la température de liquéfaction du xénon. Parmi les plus anciennes, on peut citer le bain de fréon, ou celui d’azote liquide. Cette dernière méthode a été très utilisée du fait de sa simplicité. Ces méthodes pré-sentent comme inconvénient principal une faible stabilité en température et en pression du xé-non liquide et l’approvisionnement constant en liquide calorifique. Une autre solution a été développé par une équipe du laboratoire KEK, le Pulse Tube Cryocooler (PRC), encore appelé Pulse Tube Refrigerator (PTR) [120]. Il s’agit de l’instrument cryogénique le plus utilisé ac-tuellement dans les différentes expériences utilisant du xénon liquide. Parmi les avantages du PTR, on peut citer un faible encombrement pour une puissance cryogénique pouvant atteindre

FIGURE 3.3 – Dispositif expérimental de XEMIS 1. De gauche à droite : a) Circuit de purifi-cation, b) Cryostat extérieur, c) Pulse Tube Cryocooler, d) Système de pompage auxiliaire, e) Système d’acquisition, f) Automate

200 W ainsi qu’une excellente capacité de maintien de la stabilité de la température du xénon liquide.

Voyons maintenant comment est composé le PTR. L’appareil se divise en deux parties dis-tinctes. Tout d’abord, il y a le compresseur à Hélium, dont la capacité détermine la puissance cryogénique de l’ensemble. En l’occurence, le compresseur utilisé dans XEMIS possède une puissance de 100 W pour maintenir le xénon à une température de 165 K. Il s’agit du modèle CryoMini Compressor OW404 commercialisé par la société Iwatani. L’autre partie est la tête qui va liquéfier le xénon. Nous pouvons voir sur la figure3.5le schéma d’une coupe cette tête. Elle se compose de trois parties principales : le piston, le régénérateur et le pulse tube. Entre chacune de ces parties se situe un échangeur de chaleur. Enfin, le pulse tube est relié à un ré-servoir extérieur, appelé « buffer »et est accolé à la tête froide en cuivre qui est plongée dans le xénon gazeux. Cette tête froide est designée dans l’optique de maximiser les échanges de chaleurs entre le cuivre et le gaz. D’autre part, un système de refroidissement par eau est utilisé afin d’évacuer la chaleur accumulée par le PTR.

(a) (b)

FIGURE3.5 – Schéma d’un PTR (a) et vue de la tête froide du PTR de XEMIS 1 (b)

Le piston est animé par le compresseur, et va en permanence compresser et dilater le gaz cryogène, en l’occurence de l’hélium. Le gaz compressé va traverser le régénérateur, qui est composé d’un matériau poreux et bon conducteur thermique, en y donnant sa chaleur et se diriger vers le buffer. Par rapport au reste de l’appareil, le buffer possède un volume

impor-tant. L’apport de gaz lors de la compression est donc négligeable et la pression y est constante. L’expansion du gaz nécessite de l’énergie et l’hélium va recevoir de la chaleur venue de la tête froide en cuivre. Lors des phases de recul du piston et donc de décompression de l’hélium, le gaz va s’étendre dans l’autre sens, vers le régénérateur. Tout au long de ces cycles de décom-pression/compression, le pulse tube et donc la tête froide vont alors se refroidir jusqu’à atteindre la température voulue.

Le xénon gazeux va donner sa chaleur à la tête froide jusqu’à atteindre la température de liquéfaction. On assistera alors à une condensation du xénon sur le cuivre. Les gouttes de xénon liquide vont ensuite couler vers la coupelle située sous la tête froide, puis le long des tubes jusqu’à atteindre le cryostat. Le xénon liquide y sera stocké.

Le pilotage du PTR

Le compresseur fournit en permanence la même puissance cryogénique. Dans le prototype développé pour XEMIS 1, cette puissance est de 100 W. Lorsque le cryostat est rempli et que l’on n’effectue pas de circulation, cette puissance est largement supérieure à la puissance néces-saire pour maintenir le xénon sous forme liquide. Sans moyen de contrôle supplémentaire, la tête froide dépasserait la température de solidification et le xénon finirait par y geler. Pour éviter cela, la régulation de la température du doigt froid est effectuée par un régulateur PID (pour Proportionnel Intégral Dérivé). Ce régulateur contrôle une résistance, baptisée « heater » ou encore « R4 » sur la figure3.4, qui est utilisée afin de garder la température de la tête froide à la température de consigne. Cette résistance peut délivrer jusqu’à 100 W de chaleur, et peut donc couvrir toute la gamme de fonctionnement du compresseur. La température du doigt froid est relevée au niveau du contact thermique entre le pulse tube et la tête en cuivre par deux capteurs de température PT100. L’un de ces capteurs sert à l’ajustement de cette température, l’autre est en réserve.

Le cryostat et l’enceinte à vide

En phase liquide, le xénon est stocké dans le cryostat. Les échanges de chaleur entre le xénon liquide et l’extérieur s’y produisent donc en majorité. Afin de conserver le xénon sous forme liquide, il convient de limiter au maximum ces échanges. La puissance cryogénique du PTR est en effet limitée à 100 W et ne peut pas maintenir le xénon liquide si celui-ci est réchauffé par l’air ambiant. Les échanges de chaleur s’effectuent par différentes voies : par conduction, par convection et par rayonnement. Le xénon liquide est conservé dans un cryostat en acier inoxydable. Celui-ci se trouve, par échange de convection, à la même température que le xénon. Afin de limiter les échanges de chaleur par conduction entre le cryostat et l’extérieur, le cryostat est relié le moins possible à d’autres matériaux solides. Les tubes qui relient le cryostat au reste du circuit sont donc limités au maximum et le cryostat est posé sur un support avec une faible surface de contact. Ce support est en époxy, qui est un mauvais conducteur thermique,

tout comme l’acier inoxydable qui compose les tubes et le cryostat, ce qui permet de limiter la conduction. Pour éviter des échanges de chaleur par convection entre l’atmosphère et le cryostat, ce dernier est placé dans une enceinte à vide. Le vide dans cette enceinte est un vide dynamique, c’est-à-dire qu’il est maintenu en permanence à son niveau par des pompes à vide. Deux types de pompes sont utilisées, une pompe primaire sèche qui amène le vide jusqu’à 10⁻² bar (soit 10³ Pa) puis une pompe turbomoléculaire fonctionnant en parallèle de la première, qui sert à atteindre un vide de l’ordre de 10⁻⁶à 10⁻⁸bar. Le volume de l’enceinte à vide étant important, deux couples de ces pompes sont utilisés pour atteindre le vide désirés. Après quoi, seul un couple de pompe reste en fonctionnement. Enfin, le cryostat, le PTR et les tubes présents dans l’enceinte à vide sont enveloppés dans un tissu appelé Multi-Layer Insulation (MLI). Celui ci est composé de plusieurs couches alternées d’aluminium et de mylar (entre 10 et 20 couches), et sert à absorber les photons infra-rouge. Cela permet de limiter les échanges de chaleur par rayonnement entre le cryostat et l’enceinte à vide. La figure3.6montre l’intérieur de l’enceinte d’isolation, où se situe le cryostat. Nous pouvons remarquer qu’en dépit des mesures prises pour limiter les échanges thermiques, un certain nombre de cables indispensables au détecteur, tel que les alimentations ou les sorties de signaux, sont présent et constituent des ponts thermiques. Il s’agit donc de limiter au maximum les autres sources d’échanges de chaleur.

FIGURE 3.6 – Vue du cryostat à l’intérieur de l’enceinte à vide, emballé dans du MLI