2.6 Dynamique de l’électron
3.2.2 Refroidissement du détecteur
Les semi-conducteurs au silicium peuvent fonctionner à température ambiante mais la contribution des courants de fuite au bruit est alors importante. La résolution du détecteur peut être améliorée en le refroidissant. Notre détecteur est refroidi à la température de 77 K,
soit -196.15 ◦
C, en utilisant de l’azote liquide. À cette température, les courants de fuite sont
compris entre 10−9
et 10−12
A. En pratique, le refroidissement se fait par simple contact ther- mique, par l’intermédiaire du porte-détecteur, du détecteur avec le doigt froid en cuivre qui plonge dans un réservoir isolé thermiquement du milieu extérieur dans lequel est conservé l’azote liquide (le vase Dewar). Ses performances ne sont pas altérées à cette température.
Le refroidissement à l’azote liquide présente l’avantage de ne pas produire de vibrations mé- caniques et c’est une méthode très accessible puisqu’elle est couramment utilisée au laboratoire. Toutefois, il existe des alternatives à cette méthode. Des systèmes commerciaux basés sur le cycle de Solvay produisent suffisamment peu de vibrations pour être utilisés quand le détecteur est en fonctionnement. Des modules Peltier montés en série peuvent également être utilisés mais
ils sont limités à une température minimale de quelques dizaines de ◦
C. Ces solutions seraient à envisager si le refroidissement à l’azote liquide n’était pas possible, ce qui n’est pas le cas ici.
En pompant directement dans le Dewar, nous avons constaté qu’il était difficile d’atteindre
un vide inférieur à 10−2
mbar. Nous avons donc décidé d’isoler le Dewar de la chambre de détection. La première solution envisagée consistait à simplement souder le doigt froid à la bride. Mais une soudure métal sur métal aurait induit une déperdition thermique importante. Il fallait donc trouver un moyen d’isoler la chambre de détection du Dewar tout en assurant un bon refroidissement du détecteur. Les ingénieurs de l’atelier de mécanique de Strasbourg nous ont proposé une solution utilisant un joint de colle, visible sur l’image de la figure (3.7).
Figure 3.7 – Le joint de colle assure l’étanchéité de la chambre de détection. En fonctionne-
ment, le doigt froid s’enchâsse dans une pièce en cuivre en contact avec l’azote liquide contenue dans le Dewar. L’embout visible sur la photo est de type KF.
La colle utilisée est un adhésif époxyde bi-composant Araldite 2011 adapté aux collages des métaux et qui présente une bonne tenue aux sollicitations dynamiques. Les tests réalisés à l’atelier de mécanique ont démontré une bonne résistance du joint de colle à l’azote liquide. Cependant, une fois en place, les contraintes de froid et de contraction du barreau de cuivre, après plusieurs cycles de refroidissement, ont fragilisé le joint de colle causant des microfissures. En régime continu, la pression n’était pas altérée par ces microfissures. Mais lors des rem- plissages d’azote, les contraintes sur le barreau de cuivre occasionnaient des sauts de pression de plusieurs ordres de grandeur. Il n’était pas envisageable de réaliser des mesures dans des conditions expérimentales instables. Dans un premier temps, les fissures ont été colmatées en ajoutant de la colle sur le joint. Cette réparation superficielle n’a pas résisté longtemps et une solution pérenne a dû être envisagée.
Nous avons finalement imaginé une solution, que nous avions rejetée lors de la conception, qui consiste à pomper le volume d’air entre le joint de colle et le Dewar. Pour cela, nous avons cherché un nouveau Dewar avec une meilleure étanchéité. Le joint de colle a été conservé pour maintenir le barreau de cuivre. Le volume d’air est pompé directement grâce à l’ajout d’une vanne comme illustré sur le schéma de la figure (3.8). Pour réaliser cela, le tuyau en inox a été percé puis un tube de 6 mm de diamètre y a été soudé. La vanne est ensuite fixée sur ce tube. À la place du « té » visible à gauche sur les images des figures (3.1) et (3.5), nous avons installé
une croix. Un tombac est connecté de la base de la croix à la vanne située au niveau du Dewar. Quand cette vanne est ouverte, le volume d’air derrière le joint de colle est pompé.
Figure3.8 – Schéma de la zone entre la chambre de détection et le Dewar.
En ajoutant les pièces décrites dans le paragraphe précédent, nous avons augmenté le volume d’air à pomper. De plus, nous sommes maintenant en présence d’un nombre de raccords plus important. Par conséquent, nous ne sommes plus en mesure d’atteindre des pressions inférieures
à 10−7
mbar à froid comme ce fut le cas avec la première configuration du dispositif expéri- mental. Cependant, nous avons mis en évidence, à l’aide de simulations Monte Carlo détaillées
au paragraphe 3.6.3, qu’avec une pression de 10−3
mbar les interactions des électrons avec les
molécules sont négligeables. Or, nous atteignons un vide de l’ordre de 5 · 10−6
mbar, ce qui est tout à fait satisfaisant. Avec cette qualité de vide, les rares molécules d’eau contenues dans l’air iront s’adsorber préférentiellement sur le porte-détecteur dont la température est inférieure à celle de la surface du détecteur. Enfin, nous descendons suffisamment bas en pression pour ne pas être inquiétés par la remontée d’un ordre de grandeur de la pression au sein de la chambre de détection lors du changement de la source.
Le mode opératoire à suivre lors d’un changement de source a déjà été décrit précédemment. Nous revenons rapidement dessus pour préciser l’utilisation de la nouvelle vanne. Suite à un changement de source, une entrée d’air a lieu. La chambre de détection, qui a préalablement été isolée en fermant des vannes, reste sous vide. La nouvelle vanne doit également avoir été fermée. Quand la croix est refermée, le pompage a uniquement lieu à son niveau. Quand la différence de pression entre la chambre de détection et la croix est suffisamment faible, toutes les vannes peuvent être rouvertes, y compris la nouvelle.
Le nouveau Dewar, d’un volume plus important, est posé sur un second châssis fabriqué pour l’occasion. Un Dewar de ce volume positionné en hauteur est discutable d’un point de vue pratique. Mais les contraintes en termes de budget et de temps nous ont poussés à être astu- cieux et à utiliser au maximum les ressources dont nous disposions au laboratoire. Finalement, l’ensemble du dispositif expérimental est sûr et ne présente aucun risque de sécurité.
La principale difficulté rencontrée au cours de ce travail concerne l’absence d’étanchéité de la chambre de détection causée par les microfissures du joint de colle. Plusieurs solutions ont été testées avant de trouver la bonne, occasionnant un arrêt de plusieurs mois de l’expérience. Nous disposons aujourd’hui d’un dispositif opérationnel et stable présenté sur la figure (3.9).
Figure3.9 – Photographie du « nouveau » dispositif expérimental.