Réfrigération aux températures inférieures à 1 K

Une tendance forte dans les basses températures est la suppression des réservoirs de liquide cryogénique au profit des cryoréfrigérateurs mécaniques. Cette rupture technologique permet un gain de place, de masse, ne nécessite pas de fluides cryogéniques en termes de consommable et par conséquent, surtout pour le spatial, accroît considérablement la durée de vie des missions. Pour des températures extrêmement froides, plusieurs systèmes doivent être associés en cascade pour couvrir l'intégralité de la gamme de température. Les cryoréfrigérateurs mécaniques sont alors utilisés comme moyens de prérefroidissement et amènent des spécificités et contraintes supplémentaires : les puissances frigorifiques sont limitées et certains systèmes nécessitent par exemple une gestion des charges thermiques (pics de puissance). Par ailleurs, le froid est en général produit localement sur une interface en cuivre et des moyens de distribution de ces « Joules froides » peuvent être nécessaires. Enfin, les vibrations induites doivent être considérées pour éviter des échauffements aux très basses températures.

Cette tendance motive des développements sur tous les éléments de la chaîne cryogénique. On note de plus que cette approche s'applique aux besoins sur sites isolés pour lesquels la disponibilité de fluides cryogéniques comme l'azote liquide et a fortiori l'hélium liquide est difficile et/ou extrêmement coûteuse.

Cet article est limité au domaine subkelvin, c'est-à-dire aux systèmes capables de refroidir un objet à des températures inférieures à 1 K (– 272,15 ^oC). Le refroidissement par boucle Joule Thomson hélium 3, qui permet en effet d'obtenir des températures sensiblement inférieures au kelvin, est également volontairement omis. Son principe est identique à une boucle fonctionnant avec l'isotope hélium 4 classique et la différence de performance provient des caractéristiques physiques particulières de l'hélium 3 (se reporter à l'article « Liquéfaction de l'hélium et réfrigération à l'hélium de moyennes et fortes puissances » [BE 9 816]). L'excursion en température se limite également à la dizaine de millikelvin. Les températures inférieures concernent le domaine des ultrabasses températures, un domaine a priori limité à quelques laboratoires dans le monde, et qui nécessiterait un article à lui seul tant les techniques utilisées sont complexes et difficiles à mettre en œuvre.

En pratique, trois technologies ou méthodes émergent :

• le refroidissement par évaporation utilisant les isotopes de l'hélium ;

• le refroidissement magnétique (désaimantation adiabatique) ;

• la dilution (propriété de la séparation de phase des deux isotopes de l'hélium).

Les deux premières méthodes sont des techniques dites one shot qui permettent d'obtenir de la puissance frigorifique à très basse température pendant une durée donnée. Au terme de cette durée, le système doit être recyclé à nouveau. L'efficacité est toutefois excellente en général, et le rapport durée à froid sur durée totale du cycle approche les 98 %, voire les 99 %. On peut cependant imaginer des arrangements qui permettent d'obtenir un fonctionnement en continu. Par exemple, en associant deux systèmes en parallèle, ou bien en série et en utilisant dans ce cas un des étages comme volant thermique pendant que l'autre étage est recyclé. Il est d'ailleurs possible de combiner les deux techniques. La dilution, quant à elle, est continue.