Cryostats de réfrigérateurs à dilution

Nous rappelons ici brièvement la base de conception d’un cryostat classique destiné à

re-cevoir un réfrigérateur à dilution muni d’un échangeur de prérefroidissement par les vapeur

d’

3

He entre 4,2 K et la température de l’évaporateur. Cela nous permettra ensuite

d’appré-hender la conception des cryostats prérefroidis par tube à gaz pulsé en insistant sur les

spé-cificités de leur réalisation.

1.3.1 Cryostats classiques

Comme cela est schématisé sur la figure 1.12, les cryostats classiques de réfrigérateurs à

dilution sont constitués de deux parties distinctes : d’une part, le vase permettant de contenir

le bain d’

4

He liquide, et d’autre part, la canne à dilution munie du calorimètre contenant la

dilution dans le bain à 4,2 K.

F

IG

. 1.12: Schéma de principe d’un cryostat pour réfrigérateur à dilution

1.3.1.1 Vase

La conception du vase est orientée de manière à minimiser les entrées de chaleur sur le

bain d’

4

He, dans le but d’obtenir l’autonomie la plus grande à partir d’un volume de liquide

donné. Pour cela il est nécessaire de parer les apports par convection, conduction et

rayonne-ment.

Le vase est constitué premièrement d’une enceinte à vide permettant de supprimer les

échanges de chaleur par convection et conduction dans l’air. La pression dans l’enceinte doit

être inférieure à10

−4

mB pour que la conduction à travers le gaz commence à diminuer

Le rayonnement à 300 K constitue un apport non négligeable de chaleur sur un bain d’

4

He.

Avec une chaleur latente de seulement 20,9 joules par gramme, un réservoir d’

4

He de surface

égale à 100 cm

2

, d’émissivité égale à 0.1, évapore 640 cm

3

d’hélium par heure. Pour couper

la puissance de ce rayonnement, un écran thermique, réalisé par une garde d’azote liquide

à 77 K, est la plupart du temps employée. La consommation en

4

He chute alors à environ

3 cm

3

/100 cm

2

par heure. Le rayonnement peut aussi être coupé en utilisant des vases

super-isolés.

La conduction thermique à travers les supports du réservoir d’

4

He est minimisée en

utili-sant des matériaux peu conducteurs et en les thermaliutili-sant au bain d’azote liquide.

Les vases ont des contenances des plus variées. De quelques litres à plusieurs centaines de

litres, le choix est effectué en fonction de l’autonomie dont le réfrigérateur est censé disposer.

Certains types de réfrigérateurs à dilution de faible puissance utilisent directement les vases

de stockage et transport d’hélium liquide. Cela a l’avantage d’économiser le temps et l’hélium

liquide nécessaires au prérefroidissement du vase.

1.3.1.2 Canne à dilution

La canne comporte un calorimètre (enceinte étanche à basse température) spécifique

per-mettant le fonctionnement du réfrigérateur. Sa conception est réalisée de telle sorte, qu’une

fois insérée dans le vase, elle coupe les apports de chaleur par rayonnement le long du col du

vase sans que les supports et tubes de connexion au calorimètre apportent trop de chaleur par

conduction sur le bain d’

4

He.

En plus des tubes passe fils et du tube de pompage du gaz d’échange, le calorimètre doit

disposer d’un tube de pompage auquel sera connecté l’évaporateur, et aussi d’un dispositif de

prérefroidissement de l’injection d’

3

He de 300 K à 4,2 K.

L’injection d’

3

He est généralement prérefroidie par les vapeurs d’

4

He avant d’être

therma-lisée au contact du bain afin de limiter l’apport de chaleur sur celui-ci.

1.3.1.3 Mise en froid et températures de fonctionnement

Une fois le calorimètre fermé et rempli de gaz d’échange, la canne à dilution est insérée

dans son vase. Le prérefroidissement du vase et de la canne nécessite d’évacuer de grandes

quantités de chaleur. L’utilisation à moindre coût de l’azote liquide permet un refroidissement

efficace de l’ensemble de 300 K à 77 K en quelques heures et évacue la majorité de la chaleur

contenue dans les matériaux. Le refroidissement à 4,2 K de la canne est réalisé lors du

trans-fert de l’

4

He liquide, en prenant soin d’utiliser les vapeurs froides de l’

4

He entre 4,2 K et 77 K

comme source froide.

Lorsque la consommation d’azote et d’hélium liquide n’est pas un souci, les cryostats

clas-siques peuvent être mis en froid en des temps très rapides de l’ordre de 4 à 5 heures. La

température de l’écran thermique de 77 K et celle du calorimètre de 4,2 K sont constantes

et uniformes quelles que soient les charges thermiques appliquées. La qualité d’un cryostat

classique se juge uniquement sur sa consommation en fluides cryogéniques.

1.3.2 Cryostats refroidis par machines frigorifiques

La réalisation de cryostats refroidis par des machines frigorifiques ne peut être envisagée

rapidement comme une simple substitution des sources froides sur un cryostat classique.

Deux facteurs importants changent en effet la manière d’appréhender la conception :

•La puissance froide limitée de la machine et sa dépendance en température.

•Le fonctionnement dans le vide d’isolement de l’écran thermique et du calorimètre.

Alors qu’il s’agissait de limiter la consommation de fluides cryogéniques, il est dans le cas

présent nécessaire de limiter les charges thermiques sur les sources froides de la machine de

sorte que ses températures et celles de l’écran thermique et du calorimètre restent en dessous

des valeurs limites de fonctionnement du réfrigérateur à dilution.

Alors que l’écran et le calorimètre étaient parfaitement thermalisés grâce à la dispersion

homogène de la puissance froide dans les bains d’azote et d’hélium liquide, il faut ici tenir

compte des gradients de températures qui s’établissent en fonction des charges thermiques,

des sections conductives, des longueurs caractéristiques et de la conductivité thermique des

matériaux employés.

Enfin, alors que le refroidissement des cryostats n’était pas un problème du fait que les

puissances froides des bains sont considéralbes, il est ici important de limiter les masses à

refroidir et d’utiliser judicieusement les performances de la machine pour refroidir en un

mi-nimum de temps écrans et calorimètre.

Nous constatons sur ces bases que la réalisation de cryostats refroidis par des machines

fri-gorifiques constitue une nouvelle approche de conception. Il est aussi à prendre en compte que

les machines frigorifiques génèrent plus ou moins de vibrations suivant leur principe de

fonc-tionnement et que les développements de cryostats appliqués aux réfrigérateurs à dilution

doivent intégrer ce facteur nouveau dans le but d’atteindre des performances comparables

aux cryostats classiques, l’autonomie en plus.

Dans le document Développement d'un réfrigérateur à dilution prérefroidi par un tube à gaz pulsé (Page 34-37)