Expérience de désaimantation nucléaire

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Submitted on 1 Jan 1963

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Expérience de désaimantation nucléaire

A. Dupré, A. van Itterbeek, G. Brandt

To cite this version:

A. Dupré, A. van Itterbeek, G. Brandt. Expérience de désaimantation nucléaire. Journal de Physique,

1963, 24 (8), pp.577-580. �10.1051/jphys:01963002408057700�. �jpa-00205533�

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

EXPÉRIENCE DE DÉSAIMANTATION NUCLÉAIRE

Par A. DUPRÉ (1), ^{A. VAN ITTERBEEK et} G. BRANDT (2),

Institut des Basses Températures ^{et de} Physique Appliquée, ^Louvain.

Résumé.

Une désaimantation adiabatique par ^rotation d’un monocristal de nitrate de cérium-

magnésium ^{a été utilisée} pour atteindre les conditions initiales nécessaires pour ^un refroidissement nucléaire dans le cuivre en contact thermique ^{avec le sel} paramagnétique. ^Une description ^de l’appareillage pour la détermination ^et la mesure de la température ^des systèmes ^{des électrons}

et des noyaux est donnée.

Abstract.

Rotational demagnetization ^{of a} monocrystal ^{of cerium} magnesium ^{nitrate was}

used to obtain the necessary initial conditions for nuclear cooling in copper, in thermal contact with the paramagnetic ^{salt. A} description ^{of the} demagnetization apparatus ^{and of} the thermo- meters for the electronic and nuclear systems is given.

Introduction.

Les conditions initiales pour ^un refroidissement nucléaire exigent la simultanéité d’un champ magnétique ^{intense et d’une} tempé-

rature très basse dans ^un même endroit. Puisqu’une température suffisamment basse ne peut ^{être obte-}

nue que par ^une désaimantation adiabatique, ^la

deuxième condition est en contradiction avec l’exis- tence d’un champ magnétique.

Une première manière de résoudre le problème

consiste à séparer ^les systèmes ^{des électrons} (sel paramagnétique) ^{et des} noyaux (cuivre), ^{de sorte}

que, après avoir refroidi le sel, ^et par ^contact ther-

mique ^{aussi le} cuivre, ^on puisse ^{aimanter le cuivre}

sans influencer la température ^{du sel. Cette mé-}

thode a été utilisée par le groupe de Kurti ^à 1. oxford [1].

La méthode exige la construction d’un électro- aimant capable ^de produire ^un champ ^{intense à}

l’endroit où se trouve le cuivre, ^{et un} champ négli- geable ^{à une distance} limitée. Un transport ^efficace

de chaleur du cuivre ^vers le sel ne peut être effec- tué que par ^une grande surface de contact entre les deux matériaux.

Dans une deuxième méthode [2] pour obtenir les conditions initiales ^on fait usage des propriétés magnétiques anisotropes de certains sels _parama-

gnétiques. ^Si la valeur du facteur de Landé varie

d’après les différentes directions cristallines on peut (1) ^Chercheur qualifié auprès du Fonds National de la Recherche Scientifique.

(2) ^Boursier auprès du Centre Interuniversitaire des Sciences Nucléaires.

effectuer un refroidissement par ^une rotation adia-

batique ^du champ magnétique ^{vers une direction}

où la valeur du facteur de Landé est plus petit.

’

Dans le cas idéal le rapport ^des températures

initiales et finales TIlT 2 ^est égale ^au rapport ^des

valeurs du facteur de Landé dans les directions

correspondantes gI/ g 2. ^{Si de nouveau} le cuivre est mis en contact thermique ^{avec le} sel, ^{un refroi-}

dissement du système des noyaux de cuivre se

produit ^{en enlevant le} champ magnétique.

Cette méthode offre l’avantage que l’électro- aimant peut ^{être d’un} type plus simple

^la possi-

bilité d’une rotation autour d’un axe vertical suffit - et que la chaleur ne doit être transportée que

sur une distance très petite.

’

D’autre part, ^{le choix des sels} paramagnétiques

est très limité à cause de l’anisotropie magnétique.

En plus, ^{on a besoin d’un} monocristal.

Dans ce qui suit, ^une description ^{est donnée de}

notre appareillage ^{pour un} refroidissement nu-

cléaire par la deuxième méthode, ^{utilisant un}

électro-aimant du type ^{Weiss et des} monocristaux du nitrate de cérium-magnésium ^comme sel para-

magnétique.

L’échantillon (fig. 2)

^Dans le nitrate de

cérium-magnésium la valeur du facteur de Landé dans la direction perpendiculaire ^{à l’axe} trigonal

du cristal est environ 60 fois plus grande ^{que dans}

la direction parallèle ^{à cet axe.} Avec de l’hélium

liquide ^à 1,2 ^{OK et un} champ magnétique ^sufùi-

samment intense on peut arriver à une tempé-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002408057700

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v

FIG. 1.

Appareillage de refroidissement.

A, ^azote liquide.

^{B, vide ou} gaz de contact.

C, ^sulfate ferrique ammoniacal.

D, ^hélium liquide ^{à 4,2 °K.}

E, ^hélium liquide ^à 1,15 ^oR.

rature de 0,02 OK par ^une rotation sur 900. Avec un

champ magnétique ^{d’environ 20} kilogauss ^{on peut}

obtenir un refroidissement important des noyaux du cuivre. A cause d’une différence de vitesse de croissance ^{dans les} différentes directions; ^{la forme}

FIG. 2.

Schéma d’assemblage de l’échantillon.

naturelle d’un monocristal du nitrate de cérium-

magnésium ^{est un} disque ^{dont les} plans principaux

sont perpendiculaires ^à l’axe cristallin. L’échan- tillon paramagnétique ^est constitué de plusieurs disques, ^{dont les bords sont} taillés de façon que l’ensemble soit sphérique.

Un grand nombre de fils de cuivre très mince sont insérés ^entre les disques ^{et fixés à ceux-ci au}

moyen d’un vernis. Les fils de cuivre ^sortent de la

sphère ^{d’un côté et ils sont} pliés plusieurs ^{fois sur}

eux-mêmes pour constituer l’échantillon nucléaire.

L’ensemble est suspendu ^au moyen de fils minces de coton pour ^{assurer une} isolation thermique

suffisante. Le tas de fils de cuivre est dirigé ^en bas ;

les disques cristallins prennent donc ^une position

verticale et l’axe cristallin est horizontal.

Le cryostat et l’isolation thermique.

^Deux cryostats ^{en verre} contiennent respectivement

l’azote liquide ^{et l’hélium} liquide ^à 4,2 ^oK ( fcg. 1).

L’hélium à tension de vapeur réduite (environ 1,15 OK) ^{se trouve dans un} cryostat métallique ; ^il

refroidit le tube intérieur, qui ^contient l’échantillon Celui-ci est suspendu ^{dans un} cylindre perforé, qui

est refroidi à une température ^d’environ 0,1 oK par désaimantation adiabatique ^{d’une dizaine de}

grammes de sulfate ferrique ammoniacal (fig. 3).

Ce cylindre ^est suspendu ^{à son tour dans le tube}

intérieur au moyen de fils ^{en coton. Le} but prin-

FIG. 3.

Système ^de suspension, montrant le cylindre perforé, ^refroidi par le ^sulfate ferrique ammoniacal.

cipal ^du cylindre y consiste à adsorber le _gaz qui

est libéré de la paroi ^du tube intérieur par suite des courants de Foucault au moment de la désaiman- tation. Deux pièges ^de radiation refroidis ^à 4,2 ^OK

et à 1,15 OK, empêchent ^{la radiation} d’atteindre l’échantillon. Enfin, pour éviter ^un échauffement par vibrations, l’appareil ^{a été alourdi avec du} plomb ^et suspendu par l’intermédiaire de quatre

ressorts. Grâce à ces précautions, l’échauffement de l’échantillon est réduit à moins de cinq ergs par minute.

La mesure des températures.

^La susceptibilité

magnétique, qui ^est une mesure pour la tempé-

rature des systèmes paramagnétiques, ^{est déter-}

minée au moyen d’une induction mutuelle qui

contient la substance. Il _y a deux inductions mu- tuelles : une pour le sel ^et l’autre pour le cuivre.

Les bobines secondaires de chaque ^{induction mu-}

tuelle consistent de deux parties égales, ^{mais bo-}

binées en sens inverse, de manière à donner une

tension zéro en absence de la substance et à dimi-

nuer l’effet des inductions parasitaires. Chaque

bobine contient quelques dizaines de milliers de

spires.

Pour mesurer la susceptibilité ^du système ^des électrons, ^{un courant} continu dans la bobine pri-

maire est inversé et la charge ^{débitée dans la}

bobine secondaire est lu sur un galvanomètre ^balis- tique.

La bobine primaire ^du système des noyaux est alimentée _par un courant alternatif d’une fré- quence de 17 c!s. La tension secondaire est filtrée, amplifiée ^et lue sur un oscillographe cathodique.

L’anisotropie magnétique ^de Ce 2Mg3 (N03)12.24lR20-

La valeur du rapport gI/ gII, ^dans lequel

gI : le facteur de Landé dans une direction _per-

pendiculaire ^{à l’axe} cristallin, ^et

gII : le facteur de Landé dans ^une direction paral-

lèle à l’axe cristallin,

détermine la température initiale pour la désai- mantation nucléaire. Nous avons mesuré ce rapport

pour ^une sphère, composée ^de plusieurs disques.

Parce _{que le} rapport ^{des deux} valeurs du facteur de

1

FiG. 4.

Schéma des directions relatives entre les disques cristallins, ^l’axe trigonal ^{et le} champ magnétique.

a) Direction de l’axe cristallin.

b) Direction finale du champ magnétique.

c) Direction du mouvement de translation de l’électro.

aimant.

ç) Angle ^{de rotation.}

580

Landé est égale ^au rapport ^des températures ^corres- pondantes, la méthode la plus simple pour déter- miner le rapport gI/gII ^{consiste à mesurer la tem-} pérature réalisée dans les positions correspondantes.

Toutefois il était difficile de mesurer la tempé-

rature pendant que l’électro-aimant était ^{en fonc-} tion.

Pour les substances paramagnétiques idéales, ^il

est possible ^de calculer la température T2 ^{en fonc-}

tion de la température T3, qui ^{est facile à mesurer,}

et de la température T1, qui ^{est connue, si on}

dénote _par T1: ^la température de l’hélium liquide (1,15 -K) ; T2 : ^la température ^{du sel} après ^{la rota-}

tion ( T2 ^{est donc la} température initiale pour le refroidissement nucléaire) ; T3 : ^la température ^du

sel après l’enlèvement du champ magnétique.

Le rapport gI/ gII ^est fonction du rapport T:I/T:I ^des températures ^finales après deux désai-

mantations, ^dans lesquelles ^les angles ^{de rota-}

tion (pi et cp 2 sont différents.

,p est l’angle ^{entre l’axe} cristallin et le champ magnétique ^au commencement du processus, la valeur de _cl à la fin étant toujours égale ^{à zéro}

(fig. 4).

Si la valeur de H/T ^est suffisamment petite pour éviter la saturation paramagnétique ^{-- ce} qui ^n’est

pas le cas dans nos mesures

on a :

Quand ^on s’approche ^{de la} saturation, ^le rapport

des températures T3 ^devient plus petit que celui

qui correspond à la valeur de gI/gII.

Une fois le rapport gilgii ^{connu, on} peut ^éva-

luer T2 par la relation : Pour une rotation de n/2 :

La valeur maximum expérimentale ^du rapport des _g peut ^être inférieure à la valeur théorique

pour plusieurs ^raisons. Puisque le minimum de g

en fonction de cp ^{est très} aigu, la moindre erreur

dans le parallélisme ^des disques ^ou dans la valeur de _cp aux environs de zéro, peut ^{causer des écarts} importants ^{de la valeur} théorique. ^La valeur maxi-

mum que nous avons mesurée était égale ^{à 21, ce} qui correspond ^{à une} température initiale de

0,05 DK pour le refroidissement nucléaire.

La désaimantation nucléaire.

Nous donnons ici une brève description ^du processus nécessaire

pour arriver à un refroidissement nucléaire. Après

avoir mis l’électro-aimant dans la position m == 7r/2,

le champ magnétique ^est augmenté jusqu’à ^sa

valeur maximum d’environ 20 kilogauss. ^{A ce} moment, le tube intérieur contient une quantité

bien déterminée d’hélium gazeux, qui établit le contact thermique ^entre l’échantillon et l’hélium

liquide. Après quelques minutes, la chaleur d’aimantation est transportée ^{vers le} liquide ^{et le}

tube est évacué. On tourne l’électro-aimant lente- ment vers la position ^{p =} 0. Pendant cette rota-

tion, le nitrate de cérium-magnésium ^se refroidit,

et à cause du contact thermique ^{avec le} cuivre, celui-ci atteint la même température. ^{A la} posi- tion p

0, ^le champ magnétique ^{est diminué et}

l’électro-aimant est déplacé ^de quelques ^mètres.

Le système des noyaux du cuivre ^est refroidi et on

peut mesurer la susceptibilité. ^%XI’

Nous n’avons _pas construit une vanne ther-

mique entre-le cuivre et le sel, parce que le temps

de relaxation entre le système ^{des moments} magné- tiques des noyaux ^et le système des électrons du cuivre est de l’ordre de quelques dizaines de se-

condes, ^{si le sel est à une} température ^de 0,02 ^OK.

Ce temps suffit pour ^mesurer la température ^du système des noyaux de cuivre.

Résultats préliminaires ^et conclusion.

Quoique

la température initiale pour la désaimantation nucléaire soit encore relativement élevée (0,05 OK),

un refroidissement nucléaire a été observé. Nous

avons ainsi obtenu une température ^d’environ

10-b oK. Dans l’avenir l’appareillage ^{sera com-} plété par ^un détecteur de phase ^{et un} enregistreur.

En outre on essayera de réduire la température

initiale pour la désaimantation nucléaire. Si l’iso- lation thermique ^{et la} quantité de cuivre le per-

mettent, ^{une vanne} thermique ^sera construite,

afin de pouvoir retenir la basse température pen- dant un temps plus long.

REMERCIEMENTS. - Nous remercions le « Fonds National Belge de la Recherche Scientifique » pour l’aide financière qui ^{nous a} permis ^{d’acheter le} grand électro-aimant.

Nous remercions également ^l’

Institut Interuni- versitaire des Sciences Nucléaires ^» qui ^{a attribué}

une bourse d’étude àl’un de ^nous et a subventionné

ce travail.

Manuscrit _{reçu le} 2 mai 1963.

BIBLIOGRAPHIE

1] ^KURTI (N.), ^SIMON (F.), ^ROBINSON (F. ^N. H.) ^{et SPOHR} (D. A.), ^Nuclear cooling, Nature, 1956,17.

[2] ^BLAISSE (B. S.), ^A proposal ^{for a new nuclear demagne-}

tization method, ^{Annexe 1960-1961 au} Bulletin de

l’Institut International du Froid, 1960, p. 215.