Construction de la nouvelle station d’essais

La principale conséquence à l’utilisation des PCB d’AlN pour la réalisation des contacts fût le changement de matériau pour le pot et la platine, passant ainsi de l’aluminium série 1050 à du cuivre OFHC pour être compatible au brasage fort. De plus, ce changement était bénéfique car la conductivité thermique du cuivre OFHC est meilleure que celle de l’aluminium série 1050.

La platine du 1er étage, cf. Figure II-33a, a donc fait l’objet d’un travail d’optimisation:  En réduisant sa section au minimum pour réduire le rayonnement reçu,

 En augmentant la surface d’échange entre le manchon et la platine deux PCB d’AlN,  En rapprochant les manchons du cryogénérateur.

Figure II-33 : a) Vue de la platine du 1^er étage après brasure des deux manchons des ADI HTc, il y a deux PCB AlN par ADI. b) Vu du pot après brasure des plages de soudure des conducteurs CMS, il y a un PCB AlN par conducteur.

Pour le pot du 2ème étage, nous avons fait le choix de déplacer le contact thermique avec les conducteurs CMS en les mettant sur la face latérale et en supprimant le doigt, cf. Figure II-33b. Ceci a

permis de thermaliser les deux barres indépendamment les unes des autres et d’augmenter la surface de contact avec le pot du 2ème étage (un PCB d’AlN par conducteur).

Ce changement de position des conducteurs CMS sur le pot est rendu possible par la suppression des équerres de thermalisation des amenées de courant. En effet, le deuxième axe majeur d’amélioration qui avait été identifié était la suppression des tresses en cuivre.

La nouvelle solution était d’utiliser des feuillards en cuivre plutôt que des tresses, cf. Figure II-34a et b. Cette solution permettait d’obtenir facilement la section de passage que l’on souhaitait tout en ayant la flexibilité nécessaire pour rattraper la dilatation différentielle. Nous avons donc choisi d’utiliser des feuillards de même section que les conducteurs CMS. Cette augmentation de section permettait un refroidissement suffisamment efficace des amenées de courant pour supprimer les équerres de thermalisation et donc de libérer la place pour les conducteurs CMS.

Ces feuillards sont composés de 200 feuilles en cuivre OFHC de 0,2 mm d’épaisseur soudées entre elles par diffusion atomique (SDA en abrégé pour Soudure par Diffusion Atomique). Ce procédé de brasage permet de souder des pièces en cuivre de manière autogène (sans métal d’apport) tout en préservant le RRR du matériau. Ainsi d’un point de vue thermique, ces feuillards sont identiques à un monolithe de cuivre OFHC, la flexibilité en plus.

La connexion des amenées de courant au drain thermoélectrique ne posait pas de problème particulier, cf. Figure II-34a ce qui n’était pas le cas de celle permettant de relier le drain au mandrin. En effet, en raison de la construction même du mandrin, il était nécessaire de pouvoir passer le pad de connexion inférieur par son centre ce qui demandait un feuillard pouvant se plier à 90°, cf. Figure II-34b.

Figure II-34 : a) Vue des feuillards permettant de connecter les amenées de courant aux bus thermoélectriques, b) Vue des feuillards pliables à 90° permettant de connecter le mandrin aux bus thermoélectriques.

En dehors des deux points majeurs ci-dessus, nous avons aussi profité de l’occasion pour procéder à une amélioration globale de l’insert, cf. Figure II-35, dont les principaux éléments sont:

 Minimisation de la taille de l’écran du 1er étage,

 Ajout d’écran passif entre la platine 300 K et 1er étage pour réduire le rayonnement,  Ecran en deux parties pour faciliter l’accès au mandrin de test,

 Réduction des pertes liées au fils d’instrumentation notamment pour le 1er étage,  Tirants de supports tout en époxy pour réduire les pertes par conduction,

 Installation d’un presse-étoupe sur les drapeaux pour améliorer le vide,

 Suppression des filetages remplacés par des boulons notamment pour l’écran du 1er étage ou à défaut renforcement des filetages par filet rapporté,

 Joint indium sur le contact entre la platine et le 1er étage,

 Utilisation du soudage/brasage plutôt que le vissage/boulonnage notamment pour l’écran. II.5.5 Performance globale de l’insert froid

On peut voir sur la Figure II-36 que le comportement de l’insert froid pendant la mise en froid est différent de celui que l’on avait sur la première version.

Sur le premier étage, on constate qu’il n’y a plus de palier intermédiaire de refroidissement. Mais surtout, c’est avec une immense satisfaction que nous avons pu observer la quasi parfaite superposition des courbes de refroidissement du 1er étage (qui est désormais mesuré) et des manchons des ADI, ce qui montre la très bonne qualité de leur thermalisation avec le cryogénérateur.

On remarque de nouveau l’excellente thermalisation pour les deux amenées sur le 1er étage avec un gradient de seulement 0,3 K sans courant (pour une puissance de 15 W par amenée de courant) à comparer aux 20 K de la première version dans les mêmes conditions. Le Tableau II-23 donne les températures typiquement atteintes par l’insert froid.

Figure II-36 : Courbes de mise en froid typique de la deuxième version de la mise en froid, les températures des ADI sur le 2^ème étage plafonnent à 31 K car elles sont mesurées par des Pt100.

Température

1er étage ADI + 39,0 K

1er étage ADI - 39,0 K

Platine 1er étage 38,7 K

Pot 2ème étage 3,4 K

Mandrin 4,45 K

Tableau II-23 : Température typiquement atteinte par la deuxieme version de l’insert froid sans courant.

Le gradient (statique) avec courant n’est pas connu car nous n’avons jamais passé 600 A suffisamment longtemps pour atteindre le régime stationnaire, le temps d’établissement en régime stationnaire étant très long pour les amenées de courant résistives. Néanmoins, nous n’avons jamais

0 50 100 150 200 250 300 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 27:00 30:00 Tem pér atur e (K) Temps (h:min) 1er ADI+ 1er ADI-1er étage 2ème ADI+ 2ème ADI-2ème étage Mandrin

observé un gradient supérieur à 1,5 K sur plus d’un an de fonctionnement ce qui laisse à penser qu’il n’y a pas de problème pour atteindre les 600 A en statique car nous avons encore 8,5 K de marge pour cela. De même sur la même période, nous n’avons pas relevé de dégradation du contact.

Si la température du 2ème étage est conforme à ce que l’on attendait, la température du mandrin est un peu plus haute qu’espérée mais sans commune mesure à la température atteinte, 13 K, sur la première version de l’insert froid.

On dispose donc d’une bonne marge pour le test des maquettes à 10 K. On remarque en revanche que le refroidissement des amenées de courant au niveau du deuxième étage est différent, ce qui laisse à penser à une différence dans la résistance de contact au niveau du pot avec les conducteurs CMS qui sont thermiquement indépendants l’un de l’autre. Néanmoins la température atteinte sur le mandrin nous convenant, nous avons considéré que ceci n’avait pas d’importance majeure.

Le temps de mise en froid est typiquement de 26h ce qui est plus faible que sur la première version alors que le drain a été rallongé de 0,4 m. On remarque cependant que le temps de mise en froid est supérieur de 10h au temps calculé sous Cast3m, ce qui est lié à la ‘’faiblesse’’ du modèle Cast3m qui ne modélise que le fonctionnement du deuxième étage. De plus, la modélisation du 2ème

étage est relativement simpliste:

 La géométrie a été simplifiée (mais quiconque qui a déjà modélisé des pièces sous Cast3m comprendra aisément pourquoi),

 Le couple feuillard/pad et les amenées de courant sont absents,  Les résistances de contact ne sont pas prises en compte,

 La puissance du cryogénérateur est mal connue à haute température. Elle a dû être estimée à partir de courbes de mise en froid fournit par Sumitomo [71].