a Description du cryostat

La conception et l’aménagement d’un cryostat ont pour principal objectif de réduire les échanges thermiques entre le coeur du montage que l’on souhaite porter à basse température et l’enceinte extérieure du cryostat se trouvant à une température ambiante de 300 K. L’isolation thermique du coeur repose d’une part sur une réduction des modes de transfert thermique (en se limitant principalement au rayonnement) et d’autre part sur un principe de gradation des températures entre 300 K et 0.4 K.

Le plan du cryostat est représenté sur les Figures (II.2) et (II.3). Nous rencontrons en pre-mier lieu une enceinte à vide en contact avec l’extérieur à la température ambiante de 300 K. L’enceinte à vide extérieure est dotée de hublots étanches traités antireflets. La partie supérieure renferme les réserves de fluides cryogéniques permettant de maintenir à froid les divers éléments du cryostat. Un réservoir d’azote liquide auquel est suspendue une jupe en aluminium fait office d’écran thermique à la température de 77 K, protégeant un réservoir d’hélium 4 liquide auquel

est également suspendue une jupe en acier-inoxydable faisant office d’écran thermique à la tem-pérature de 4.2 K. Les écrans thermiques azote et hélium se trouvant dans la partie inférieure du cryostat sont percés de trous de 1 cm de diamètre afin de disposer d’accès optiques jusqu’au coeur du montage où les états de Rydberg vont être générés. Les accès optiques de la jupe hélium sont dotés de hublots, visant d’une part à améliorer le vide1 dans la partie destinée à accueillir le coeur du montage expérimental et d’autre part à limiter la pénétration du rayonnement dû au corps noir à température ambiante que constitue l’enceinte extérieure. Notons également la présence d’accès dédiés au jet atomique.

Les échanges thermiques entre les différentes parties du cryostat sont autant que peut se faire réduits. En présence des fluides cryogéniques, un système de pompage assuré par une pompe primaire à palettes et une pompe turbo-moléculaire PFEIFFER VACCUM permet d’atteindre un vide d’isolement de 5.10−7mbar. Sous ces conditions, le seul échange thermique persistant (entre les écrans thermiques) est le rayonnement thermique. Nous pouvons évaluer les puissances mises en jeu à l’aide de la loi de Stefan-Boltzmann. Un corps gris d’émissivité ǫ, de surface S, porté à la température T émet un rayonnement de puissance :

P_r= ǫσST4 (II.1)

où σ = 5.67 10−8W.m−2.K−4 est la constante de Stefan-Boltzmann et ǫ = 0.15 pour de l’alu-minium poli. La puissance rayonnée reçue par la jupe hélium, en provenance de la jupe azote, s’élève à P_r= 0.454 W, soit un volume d’hélium liquide à vaporiser par journée de 15.4 l.j−1 afin de fournir la même puissance. En l’absence de jupe azote, la jupe hélium serait en regard avec l’enceinte extérieure à 300 K, la puissance rayonnée reçue s’élèverait à 104 W, soit 1L d’hélium liquide vaporisé toutes les 24 s. Nous voyons là tout l’intérêt des paliers de températures entre l’enceinte extérieure du cryostat et le coeur du dispositif expérimental. De plus, afin d’amoindrir l’impact du rayonnement thermique, nous ajoutons de multiples feuilles de mylar gauffrées. La superposition de n feuilles permet de diviser d’un facteur n + 1 la puissance rayonnée émise ou reçue [75]. Ainsi, la jupe hélium, l’extérieur du réservoir d’azote ou bien encore la plaque se trouvant au dessus des réservoirs en regard avec l’enceinte extérieure se voient recouvert de ces feuilles hautement réfléchissantes. L’utilisation de 10 feuilles permet de porter la puissance rayonnée P_r reçue par la jupe hélium à 0.04 W, soit un volume d’hélium liquide à vaporiser par journée de 1.4 l.j−1. Mentionnons la présence de tubes en inox - dédiés à la descente des câbles - traversant le réservoir d’hélium, représentés sur la Figure (II.3). Par l’intermédiaire de ces tubes, la partie supérieure de l’enceinte à 300 K rayonne dans un angle solide pénétrant le coeur du cryostat, il conviendra d’obstruer les trous débouchant avec du ruban adhésif métallique hautement réfléchissant.

1. En effet, les hublots limitent la pénétration de particules - produites par dégazage des zones chaudes du cryostat - au coeur du montage. Ces particules seraient susceptibles d’accroitre le nombre de collisions avec les atomes de Rydberg, de dégrader le temps de vie des miroirs supraconducteurs ou bien encore de créer des gradients de champ électrique parasites.

É lé me nts du disp ositif exp érime ntal 97

Figure II.2 – (à gauche) Plan mécanique du cryostat. Le coeur du dispotif expérimental se trouve tout en bas. La majeure partie du cryostat est formée des réservoirs d’azote et d’hélium. (à droite) Schéma du cryostat. Les couleurs des différentes parois indiquent les températures locales.

L’obtention de températures inférieures à 4, 2 K peut se faire en récupérant la chaleur latente de l’hélium 3 ou de l’hélium 4. Nous avons opté pour un cryostat basé sur un procédé de pompage visant à réduire la pression de la phase gazeuse associée aux différents bains de fluides cryogéniques.

a) Atteindre le Kelvin

Un premier étage, constitué d’une plaque de cuivre massif dénommée plaque 1.6 K, est suspendu au fond du réservoir d’hélium liquide à 4.2 K par l’intermédiaire de tiges en acier-inoxydable dont la faible conductivité thermique garantit l’isolation thermique vis à vis du réservoir d’hélium.

FigureII.3 –Zoom sur la partie inférieure du cryostat, constituée de la plaque hélium à une température de 4.2 K, de la plaque 1.6 K et de la plaque 0.4 K ainsi que les cryogénérateurs associés à ces deux dernières. (à gauche) Photographie. (à droite) Plan mécanique.

L’obtention d’une température de un Kelvin est assurée par la présence d’un cryogénérateur

à 4He constitué d’une « boîte 1.6 K » cylindrique, représentée sur la Figure (II.2). La partie

supérieure de la boîte est faite d’acier inoxydable, tandis que la partie inférieure - faite de cuivre - est mise en contact thermique, par l’intermédiaire d’un joint d’indium, avec la plaque 1.6 K. Le cryogénérateur est alimentée en hélium 4 liquide par le biais d’un capillaire de débit réglable à l’aide d’une vanne pointeau de grande impédance et l’hélium injecté peut être pompée via un tube en acier-inoxydable passant par le tronc central du cryostat. À l’équilibre liquide-vapeur, la température T de la phase liquide d’hélium est alors gouvernée par la pression P de la phase gazeuse selon l’expression de la pression de vapeur saturante P = psat(T ). Le pompage sur la boîte permet ainsi de diminuer la pression P imposée à la surface du liquide, permettant de récupérer la chaleur latente de l’hélium. Sous pression atmosphérique de 1 bar la température d’équilibre est de 4.2 K tandis que sous une pression de 5.10−2mbar, facilement atteignable avec une pompe primaire PFEIFFER, la température d’équilibre chute à 1.6 K. Mentionnons un détail technique à l’intérieur du tube en acier inoxydable permettant le pompage. En deçà de la température critique de 2.17 K l’hélium 4 subit une transition de phase et devient superfluide.

L’hélium liquide risquerait alors de remonter le long des parois du tube et de réaliser un contact thermique avec le réservoir d’hélium 4 liquide, entrainant un réchauffage de la plaque 1.6 K. Afin de contrecarrer cette ascension, une pièce à arête vive nommée coupe-film est placée le long du tube. Le principe est d’amoindrir l’épaisseur du film superfluide, ce dernier accroit aussitôt sa vitesse afin de garder un flux constant et perd son caractère superfluide lorsqu’il dépasse la vitesse critique.

Finalement, le fonctionnement du cryogénérateur à4He repose sur un équilibre délicat entre le taux de vaporisation sous pompage et le débit d’hélium liquide traversant le capillaire. Un as-servissement électronique de la température associée à la plaque 1.6 K est réalisé par rétroaction sur le pourcentage d’ouverture de la vanne pointeau.

b) Atteindre 0.4 Kelvin

Un deuxième et dernier étage, constitué d’une plaque de cuivre massif dénommée plaque 0.4 K, soutient le montage mécanique expérimental (cavité supraconductrice, électrodes ...). Cette plaque est suspendue à la plaque 1.6 K par l’intermédiaire de tiges en acier inoxydable mais également d’un interrupteur thermique dont le remplissage avec de l’hélium gazeux as-sure le contact thermique avec la plaque 1.6 K et, a contrario, la mise sous un vide de l’ordre de 10−6mbar en assure l’isolation thermique. Notons que l’interrupteur thermique est utilisé lors des mises à froid du cryostat afin de refroidir le montage expérimental. L’obtention d’une température de 0.4 K nécessite l’utilisation d’un cryogénérateur à 3He, isotope rare et cher de l’hélium. Lors de tests préliminaires du cryostat, sans le dispositif expérimental suspendu à la plaque 0.4 K, nous sommes parvenus à porter la plaque à sa température nominale et à atteindre un régime de fonctionnement stationnaire. Depuis le rattachement du dispositif expérimental à la plaque, nous ne sommes plus parvenus à atteindre un régime stationnaire vis à vis du cryogé-nérateur à hélium 3. Les résultats présentés dans ce manuscrit ont été obtenus uniquement en présence du cryogénérateur à hélium 4 et de l’interrupteur thermique remplit d’hélium gazeux assurant l’égalisation des températures entre la plaque 0.4 K et 1.6 K.