4.6.1 Cahier des charge
L’enceinte cryogénique doit maintenir l’ensemble du banc à la température de 100 K. Cette température de fonctionnement impose que l’enceinte soit sous vide. Dans le cas contraire l’en- ceinte se transformerait en boule de givre. Le vide recherché n’est pas “poussé”, car ses seuls rôles sont de supprimer l’eau de l’intérieur de l’enceinte et de minimiser les turbulences de l’atmosphère pour l’interféromètre. Un vide de 10−6mbarest suffisant pour cette application.
Comme nous l’avons déjà vu, il est crucial pour l’interféromètre de minimiser les vibrations mécaniques de toute provenance afin de minimiser les défauts dynamiques de différence de marche.
Pour une utilisation confortable, il est souhaitable que la cuve puisse être refroidie et réchauf- fée dans un intervalle de temps permettant d’avoir une mise en froid et une remontée en tem- pérature dans une semaine de 5 jours. Le cahier des charges a donc été fixé à un temps de refroidissement ou de réchauffement de 24h.
La conception de l’enceinte cryogénique a été faite par une équipe de l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPN), en particulier M. Commeaux et M. Blache.
4.6.2 Conception
Tout d’abord, la cuve doit être isolée autant que possible des vibrations du sol. Pour ce faire elle doit être placée sur un bloc sismique : une masse de 10 tonnes suspendue sur des amortisseurs à air comprimé. Un deuxième étage d’amortissement est prévu pour l’interféromètre. Il est composé d’une table en nid d’abeille posant sur un deuxième jeux d’isolateurs pneumatiques. La table optique sur laquelle se trouvera l’interféromètre sera elle reliée rigidement à la table en nid d’abeille via trois pieds traversant la cuve (voir figure 4.36).
Il faut bien sûr aussi minimiser les vibrations mécaniques produites par les différentes servi- tudes de l’enceinte cryogénique. La source de vibration la plus évidente est le pompage de l’enceinte. Les pompages primaires et secondaires devraient être assurés par des pompes clas- siques et turbo-moléculaires, qui sont de très bons générateurs de vibrations. Ces vibrations sont inacceptables pendant l’utilisation de l’interféromètre. A ce moment là, des pompes io- niques prendront le relais, aidées par le pompage cryogénique réalisé par les écrans thermiques de l’enceinte. Ces deux pompages se font sans aucune vibration, car ils ne nécessitent pas de pièces en mouvement. Une seule source de vibration mécanique n’a pu être retirée : une circu- lation d’hélium gaz dans le circuit de refroidissement de la table et des écrans. Pour minimiser les apports en vibration de cette circulation, les sections de tuyaux ont été calculées de façon à
4.6. Conception de l’enceinte cryogénique 119
FIG. 4.36: A gauche une vue schématique de l’enceinte cryogénique, à droite une vue du concept méca-
nique.
FIG. 4.37: Schéma de principe explicitant la méthode de refroidissement retenue pour l’enceinte cryogé-
nique
assurer des écoulements laminaires en leur sein. De plus la pompe qui entretient cette circula- tion de fluide caloporteur se trouve en dehors de la cuve (On ne sait pas faire facilement des pompes fonctionnant à 77K). Elle sera reliée à la cuve par des tuyaux souples de façon à encore minimiser l’excitation mécanique qu’elle apporte. Pour le bon fonctionnement du système il y a un échangeur thermique qui permet de réchauffer le fluide sortant en refroidissant le fluide rentrant. Cette circulation externe n’augmente que faiblement la consommation d’azote de la cuve.
Le refroidissement de la cuve sera produit à partir d’azote liquide. Pour arriver à 100 K cet azote sera réchauffé et viendra refroidir de l’Hélium gaz, utilisé comme fluide caloporteur. Une fois arrivée à température l’enceinte sera maintenue à température grâce un bain mort d’azote traversé par la circulation d’Hélium gaz (voir figure 4.37). Ce bain mort d’azote devrait permettre une autonomie de 30h sans avoir à effectuer de réapprovisionnement en azote. L’interféromètre sera monté sur une table optique en nid-d’abeille faite d’invar. Cette table doit
être modifiée pour pouvoir être refroidie. Un circuit de refroidissement sera fixé à sa surface, puis sera recouvert d’une peau supplémentaire en invar de façon à disposer d’une table optique intégralement libre pour fixer les optiques. Des études numériques ont été menées pour conce- voir le circuit de refroidissement de façon à obtenir que la table se déforme de façon suffisam- ment faible pour pouvoir conserver l’alignement des optiques. Les résultats des simulations sont encourageants : les déformations angulaires obtenues étaient de l’ordre de la dizaines de seconde d’arc. Ces simulations numériques donnent cependant une confiance toute relative : Pour effectuer les simulations il a été supposé que les coefficients de dilatation des matériaux sont homogènes. Cette hypothèse est certainement vraie jusqu’à un certain point, mais nous ne savons pas quantifier les inhomogénéités pour des pièces de métal aussi grande qu’une table optique. Par conséquent une approche plus sûre serait de faire des tests expérimentaux et de mesurer les déformations de la table.
4.6.3 Conclusion sur la cuve
L’étude de la cuve est arrêtée depuis 2004, car le cahier des charges manque de précision. Nous ne savons pas très bien spécifier les gradients thermiques souhaités. Nous voulons minimiser l’impact des vibrations mais la relation entre les niveaux d’excitation de la cuve et les défauts dynamiques de différence de marche ne sont pas modélisables de façon fiable, à cause du trop grand nombre d’assemblages et d’interfaces mécaniques. Il est donc difficile d’établir des spé- cifications chiffrées. La conception doit être fait de façon empirique. Un consensus entre les différents intervenants concepteurs de la cuve n’a pas encore été trouvé. C’est pourtant un des points cruciaux de la conception.
Il est nécessaire que la table optique ne subisse pas trop de déformations lors du passage en froid. Une étude a déjà été réalisée à ce sujet pour déterminer la forme optimale des circuits de refroidissement, mais elle demande à être réactualisée. En effet une incertitude demeure sur la manière d’accommoder le circuit de refroidissement et la table optique. Encore une fois le consensus sur la conception de ce circuit n’a pas été vraiment trouvé. Il faudra, de plus, passer par une phase expérimentale pour pouvoir vérifier que la modélisation n’est pas trop incorrecte.
Nous avons aussi modifié nos souhaits concernant la disposition des hublots dans la cuve. Au départ nous souhaitions que les hublots restent fixes. Aujourd’hui il semble souhaitable qu’ils soient amovible pour faciliter le processus d’alignement de l’interféromètre (dans le cas contraire il faudrait vraiment un grand nombre de hublots pour effectuer l’alignement). Il n’est de plus pas possible de dire à l’heure actuelle quelle sera la position de ces hublots car le dessin mécanique complet de l’interféromètre n’est pas fini.