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RÉSUMÉ
Cet article a pour objet la cryogénie, c’est-à-dire la production et l’utilisation de très basses températures. Différents moyens pour atteindre ces basses températures sont présentés, notamment la cascade de fluides judicieusement choisie, le cycle de Stirling avec l’air liquide, puis l’hélium liquide (fluide frigorigène souffrant de rareté). Sont ensuite abordés les principes de la désaimantation nucléaire, puis celui de la machine frigorifique magnétique, avant d’évoquer quelques perspectives sur ce sujet très loin d’être épuisé.
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Michel FEIDT : Ingénieur physicien de l’Institut national des sciences appliquées de Lyon - Docteur ès sciences - Professeur à l’université Henri-Poincaré (Nancy)
INTRODUCTION
Cette étude s’intéresse tout particulièrement à la production et l’utilisation des très basses températures ; le domaine considéré est classiquement appelé cryogénie.
Les basses températures correspondantes (typiquement inférieures à – 100 oC) nécessitent soit de recourir à des techniques différentes de celles imposées dans les deux études précédentes Production de froid et revalorisation de la chaleur : principes généraux et Production de froid et revalorisation de la chaleur : machines particulières, soit de faire appel à de nouveaux principes physiques. Les deux approches sont examinées dans le présent document.
On remarquera ici que la revalorisation de la chaleur à haute température, qui est le pendant de la cryogénie, reste un domaine peu exploré, qui mériterait sans doute plus de considération ; ce sujet ne sera qu’évoqué ici, pour préserver la symétrie formelle.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1998 par Michel FEIDT
- Version courante de avr. 2018 par Michel FEIDT
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Cycles en cascade1. Domaine de température de la cryogénie
Dans le domaine de la cryogénie, l’accent est surtout mis sur la variable température, plus que sur le flux d’énergie transféré qui reste majoritairement très faible (prééminence de la variable intensive sur la variable extensive).
Le domaine de température est donné usuellement [22] des environs de 100 K (voisinage de la liquéfaction de l’oxygène de l’air, à pression atmosphérique) jusqu’à 20 nK, température atteinte par Lounasmaa en 1983 par désaimantation adiabatique nucléaire. Une expérience réalisée en 1990, par des chercheurs de l’École normale supérieure (ENS) de Paris a permis de gagner un ordre de grandeur par rapport à ce résultat (2 nK). En novembre 2003, le record semblait être de 450 pK [23] ; cette température, obtenue par des physiciens du Massachusetts Institute of Technology (MIT), nécessite de ralentir le mouvement des atomes, en l’occurrence un nuage de sodium, par action simultanée de champs magnétiques et gravitationnels. Sans doute ce record a-t-il été amélioré depuis, vu les enjeux théoriques, mais aussi industriels. Parmi ceux-ci pour les records considérés ci-devant, on vise à l’amélioration des horloges atomiques. De façon naturelle, la température la plus basse est celle qui correspond au rayonnement cosmique dans lequel baigne l’univers (environ 2,7 K).
D’un point de vue fondamental et microscopique, la notion de température devient alors explicitement liée au degré d’agitation des particules scrutées (la vitesse des particules représente alors la température thermodynamique associée, conformément aux notions de base de thermodynamique statistique).
L’utilisation de photons émis par laser a permis à l’équipe d’Aspect, d’obtenir 2 µK, par interaction entre les photons et une vapeur d’hélium confinée. Cette expérimentation délicate ouvre des portes nouvelles dans les études de supraconduction et de superfluidité.
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