Cryostats

Les capteurs CCD sont confinés dans l’enceinte sous vide des cryostats dans laquelle elles sont refroidies à des températures très basses, de l’ordre de −120◦C. L’intégration et l’alignement de ces dernières constituent l’objet du chapitre 3 de ma thèse. Les spécifications des cryostats sont résumées tableau 2.3. La figure 2.10 décrit l’architecture d’un cryostat. La bride avant du cryostat est responsable de l’interface avec la caméra. La lentille de fermeture du cryostat est montée dans le FLA (Field Lens Assembly) qui est inséré au centre de la bride. Le système cryogénique et le maintien du vide sont discutés dans les paragraphes suivants. La chaîne ther- mique consiste en partie en l’extrémité du système cryogénique, appelée tête froide, connectée par des tresses en cuivre à la plaque froide sur laquelle est montée la CCD. Un cryostat entier avec tous ses composants pèse 30 kg et mesure 310 mm de diamètre pour 480 mm de long.

TABLE2.3 Spécifications des cryostats.

Spécifications Plage en température 140à 163 K

Précision en température ±1 K

Stabilité en température ±0.1 K

Temps de vie des LPT > 50 000heures MTBF

Vibration maximum < 3µm

Température ambiante 18à 22◦C

Qualité du vide < 1.0 × 10−3mbar

Pression ambiante 0.7 à 1 atm

FIGURE2.10 À gauche, photographie d’un cryostat rouge vu de derrière. Le système cryogé- nique (noté LPT) et son boîtier de commande (noté XPCDE) ainsi que que la pompe ionique sont visibles. À droite, vue CAO en coupe d’un cryostat. La bride d’interface du cryostat est la pièce en jaune. Le FLA est la pièce circulaire insérée au centre de la bride. La lentille de fer- meture n’est pas représentée. La tête froide (cold tip) et la tête chaude (hot head) du LPT en vert sont indiquées. Les parties chaudes du LPT sont enveloppées par les blocs échangeurs en bleu et dans lesquels circulent en continue un fluide réfrigéré à 10◦C. Le boîtier de commande de la CCD (FEE) est connecté sur la face arrière du cryostat. Au sommet apparaît l’orifice de sortie de l’enceinte surmontée par une vanne de fermeture/ouverture. Celle-ci est reliée à la ligne de pompage lors de la création initiale du vide.

Régulation en température

Les CCD bleues ITL sont refroidies à 163 K et les CCD rouges et NIR sont refroidies à 140 K. La précision exigée sur la température de consigne est de ±1◦Cautour de ces deux valeurs. La sta- bilité requise une fois la consigne atteinte est de ±0.1◦Cpour des variations de la température ambiante inférieure à 6 degrés. Chaque cryostat dispose de son propre système cryogénique. Celui utilisé est de type LPT (Linear Pulse Tube) fabriqué par l’entreprise Thales. Il présente de nombreux avantages par rapport à la méthode traditionnelle basée sur un fluide cryogé- nique à température fixe, comme l’azote liquide, complexe à mettre en œuvre. Le LPT est un module disponible sur catalogue, déjà éprouvé, et accompagné de son boîtier de commande appelé XPCDE. Une fois intégré au cryostat, le réglage de son asservissement en fonction de la charge thermique à refroidir est nécessaire. La durée de vie d’un LPT est estimée à 100 000

heures MTBF2_{à pleine puissance. Le LPT travaille à 35 % de sa puissance maximum pour une}

CCD refroidie à 140 K. De plus, la technologie du LPT convient parfaitement. Aucune pièce mobile n’est située à proximité de la tête froide où à lieu l’échange de calories avec la CCD car la partie mécanique dans laquelle les deux membranes responsables de la détente et de la compression du gaz est déportée, réduisant les vibrations de la CCD à moins de 3 µm en am- plitude. Le temps de descente en froid des CCD de 300 K à leur température de consigne est de ∼ 2 heures et le temps de stabilisation est de 2 à 4 heures supplémentaires respectivement pour les détecteurs dans le rouge/NIR et dans le bleu.

Maintien du vide

Le vide à l’intérieur des enceintes cryostats est obtenu par un groupe de pompage turbo- moléculaire afin de produire un vide à 1 × 10−6mbar. Environ 4 heures sont nécessaires pour atteindre ∼1 × 10−5mbar, pression à partir de laquelle la descente en froid peut être initiée. Une fois le cryostat retiré de la ligne de pompage et scellé, le vide statique est maintenu à un niveau de l’ordre de 1 × 10−7mbaravec une pompe ionique de débit 5 L s−1. La durée de vie de celle-ci est garantie par le constructeur supérieure à 500 000 h à 1 × 10−7mbar. Le taux de fuite des enceintes cryostats a été mesuré à ∼5 × 10−8mbar L s−1 à froid. En cas de dysfonc- tionnement de la pompe ionique, ce taux de fuite correspond environ à 2 à 4 heures avant que le refroidissement du la CCD soit arrêté.

Procédure d’assemblage et de tests

L’intégration et les tests d’un lot de trois cryostats associés à un même module spectrographe s’étalent sur huit semaines. Afin de livrer à Winlight un lot de cryostats toutes les six semaines, plusieurs opérations sont réalisées en parallèle :

— Nettoyage des pièces mécaniques : bains d’ultrasons afin d’enlever graisses et résidus d’usinage et étuvage dans un four sous atmosphère azotée pour le dégazage des pièces et l’élimination des molécules piégées, en majorité de l’eau.

— Montage du cryostat, du LPT et de la pompe ionique. Intégration et alignement des cap- teurs CCD. Montage du cryostat avec le FLA équipé du hublot plan de fermeture dans un premier temps. Opérations réalisées en salle blanche.

— Câblage des deux boîtiers de commande, XPCDE et FEE, et de la pompe ionique. Raccor- dement à l’automate de contrôle et à la ligne de vide.

2. MTBF : de l’anglais Mean Time Between Failures, traduit en français par temps moyen entre pannes. C’est une mesure de la fiabilité d’un produit évaluée comme la moyenne arithmétique du temps de fonctionnement entre les pannes d’un système.

— Tests de fuite, de maintien en vide et de régulation de la température. Contrôle de la position des CCD (c.f. chapitre 3).

— Assemblage du FLA équipé de la lentille asphérique définitive.

— Expédition à Winlight avec le support des équipes du CEA afin d’intégrer les cryostats sur le spectrographe.

Un automate installé dans un rack contrôle et assure le monitoring de tous les éléments et capteurs des trois cryostats constituant un module spectrographe. Deux baies de cinq racks sont ainsi installées au Mayall. En particulier, la chaîne thermique et le vide sont surveillés afin de détecter et prévenir toute anomalie et ainsi préserver les capteurs CCD. Une interface a été développée afin de visualiser en simultané l’état de tous les cryostats et de permettre de démarrer ou stopper certaines de leurs fonctions. La figure 2.11 affiche une capture d’écran de cette interface. L’automate et sa composante logicielle font partie de la contribution du CEA au projet DESI.

FIGURE 2.11 Interface à partir de laquelle l’opérateur a une vue globale de l’état, essentiel- lement les tensions, températures et niveaux de vide, des trente cryostats simultanément. Chaque cryostat peut aussi être visualisé individuellement.