Vibrations mécaniques dues au remplissage du pot 1K

Le pot 1K est un élément essentiel de notre cryostat à dilution, il permet la

condensation du mélange3_{He -}4_{He avant son entrée dans l’unité de dilution. Le pot}

1K est un petit réservoir d’hélium sur lequel on pompe pour en abaisser sa tempé- rature. Le remplissage du pot se fait à partir du bain d’hélium 4 par l’intermédiaire d’un capillaire contrôlé par une microvanne. La microvanne permet de monter et descendre une longue tige qui passe dans le vase à hélium. Au bout de cette tige, une petite pointe vient contrôler le débit dans le capillaire de remplissage du pot 1K. Notre microvanne n’est cependant pas assez précise pour trouver un régime station- naire pour le remplissage du pot 1K. Le niveau d’hélium dans le vase change au cours du temps et donc les contraintes thermiques sur la tige varient elles aussi. À ceci se rajoute une petite hysteresis entre l’ouverture et la fermeture de la microvanne. Nous utilisons donc la microvanne en fonctionnement "tout ou rien", c’est-à-dire complètement ouverte ou complètement fermée, ce qui rend la régulation du niveau difficile. Par ailleurs, lors de nos mesures acoustiques, nous avons constaté que le pot 1K était une source de bruit mécanique. Les transducteurs piézoélectriques installés dans notre cellule acoustique sont très sensibles et ont permis de mesurer ce bruit en fonction du remplissage du pot 1K. Nous avons observé que le bruit mécanique était plus intense lorsque le pot 1K était en phase de remplissage de sa moitié su- périeure. Nous avons également observé qu’il disparaissait lorsque le pot se vidait. Pour réguler convenablement le niveau d’hélium dans le pot 1K, nous avons mis au point un système d’auto-régulation motorisé. Considérant le manque d’espace sur la plaque supérieure du cryostat il fallait penser tout d’abord à un système de fixation adéquat pour que le moteur tienne en place (voir Fig 2.6). Il a fallu aussi choisir un moteur avec une vitesse de rotation très lente et un couple fort pour pouvoir tourner la microvanne. Nous avons installé un moteur 12 V à 5 tr/min de chez "Crouzet". Nous remercions Philippe Jacquier et Jacques Dupont-Roc du Laboratoire Kastler Brossel qui utilisaient ce type de régulation motorisée et qui nous ont donné de judicieux conseils pour réaliser la notre.

La capacité dans le pot 1K nous donne la hauteur du niveau d’hélium, elle est mesurée avec un pont de mesure Andeen-Hagerling 2700A et l’action du moteur est contrôlée par une carte d’acquisition branchée à un amplificateur de courant réalisé par C. Hermann ingénieur électronique au laboratoire. Le système de régulation est numérique et se contrôle par l’intermédiaire d’un programme LabView. Ce système nous a permis de réguler à distance la microvanne s’en avoir à toucher le cryostat, ce qui dans les mesures faites avec l’oscillateur de torsion était important, ce dernier

soufflet de sécurité emplacement moteur tige moteur point de fixation sur la vanne tiges d’ancrage microvanne

Figure 2.6 – Schémas du support moteur de la microvanne.

étant très sensible aux perturbations extérieures. Nous avons pu également maintenir un niveau de remplissage dans le pot 1K suffisamment bas pour limiter le bruit mécanique.

Les discussions avec Alain Benoit, chercheur à l’institut Néel, nous ont permis de comprendre l’origine de ce bruit mécanique. Si l’hélium provenant du réservoir à 4 K n’a pas le temps de se thermaliser avant d’entrer dans le pot 1K alors il peut se former un mélange diphasique de gaz et de liquide dans le capillaire de remplissage lequel génère des vibrations mécaniques dans le pot 1K. L’apparition de bulles de gaz dans le capillaire de remplissage provient de la dépression occasionnée par la perte de charge le long du capillaire. Cet effet a été observé par d’autres groupes [99, 100, 101] et la solution évoquée dans ces travaux a été de thermaliser le capillaire de remplissage sur le pot 1K lui même de façon à ce que l’hélium soit dans l’état superfluide avant d’entrer dans le pot 1K. Nous avons thermalisé le capillaire de remplissage et ajouté une impédance hydrodynamique pour freiner le flux d’hélium. L’impédance est un morceau de capillaire en CuNi de plus petit diamètre (0.5 mm au lieu de 0.75 mm) que celui du capillaire de remplissage (voir photographie Fig.2.7). Après cette amélioration portée au cryostat, nous n’avons pas pu tester dans les mêmes conditions les effets de cette thermalisation du capillaire de remplissage puisque nous sommes passés à l’expérience de l’oscillateur de torsion qui ne nous permet pas de mesurer directement les petites vibrations du pot 1K. Cependant lors de forts taux de remplissage du pot 1K, nous avons pu observer du bruit anorma- lement élevé dans la mesure de la période de résonance de l’oscillateur de torsion. Ceci indique que la thermalisation du capillaire de remplissage sur l’étage du pot 1K n’a pas été suffisante. Nous avons prévu dans les expériences à venir d’améliorer encore la thermalisation de ce capillaire de remplissage en mettant des impédances plus grandes enroulées autour de plots en cuivre fixés à la plaque du pot 1K.

plaque 1K

impédances

Figure 2.7 – Photographie des impédances permettant la thermalisation du capil-

laire de remplissage sur la plaque du pot 1K.