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1 - ÉVAPORATION HÉLIUM 4 OU HÉLIUM 3

2 - DÉSAIMANTATION ADIABATIQUE

3 - CRYOSTAT À DILUTION

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BE9817 v1

Cryostat à dilution
Réfrigération aux températures inférieures à 1 K

Auteur(s) : Lionel DUBAND, Philippe CAMUS

Relu et validé le 28 mai 2021

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RÉSUMÉ

Les développements en cryogénie ont été longtemps motivés par la recherche fondamentale : diminuer la température pour réduire l'agitation des atomes et avoir accès à des phénomènes autrement masqués. L'avènement d'applications « pratiques », avec comme moteur fort pour la cryogénie appliquée les applications spatiales, notamment dans le domaine subKelvin, a motivé la plupart des avancées technologiques. Cet article discute les trois technologies subKelvin majeures, le refroidissement par évaporation, le refroidissement magnétique et la dilution.

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Auteur(s)

  • Lionel DUBAND : Directeur du Service des Basses Températures (SBT) Université Grenoble Alpes, CEA INAC-SBT

  • Philippe CAMUS : Ingénieur de recherche Institut Néel – CNRS/UJF UPR 2940

INTRODUCTION

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.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be9817


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3. Cryostat à dilution

En laboratoire, les cryostats à dilution se sont imposés pour réaliser des instruments à très haute sensibilité ou pour étudier les propriétés physiques aux très basses températures (de 2 à 500 mK). Les principes de la réfrigération datent des études menées dans les années 1960 [London – Radebaugh]. Les premiers appareils se sont répandus dans les laboratoires au début des années 1970.

Avec le développement récent des cryoréfrigérateurs atteignant les températures de l'hélium liquide, on a vu les premiers réfrigérateurs à dilution fonctionnant sans liquides cryogéniques. Ils sont disponibles commercialement depuis une dizaine d'années et évitent les contraintes opérationnelles liées à l'approvisionnement et à la récupération de l'hélium liquide.

La conception de ce type de réfrigérateurs est actuellement bien maîtrisée et s'adapte à de nombreuses contraintes expérimentales.

Le satellite scientifique Planck (ESA, 2008), par exemple, était équipé d'un réfrigérateur à dilution fonctionnant en l'absence de gravité.

Les difficultés actuelles d'approvisionnement de l'hélium 3 limitent considérablement l'usage de ces cryostats. Quelle que soit l'évolution future de ce marché, les cryostats à dilution restent indispensables dans les applications scientifiques qui ont des contraintes sévères de puissance (jusqu'à 1 mW à 100 mK) et de sensibilité au champ magnétique.

3.1 Principes physiques

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3.1.1 Diagramme de phase 3He-4He

Les deux isotopes de l'hélium ont des natures très différentes : l'isotope 4He a un spin nul, c'est un boson, alors que le 3He a un spin 3/2 et est un fermion. L'hélium 4 devient superfluide au-dessous de 2,17 K, alors que l'hélium 3 manifeste cette propriété au-dessous de 2 mK seulement. Au-dessous de 0,86 K et à basse pression (< 0,3 MPa), un mélange 3He-4He se sépare en deux phases :

  • une phase concentrée en hélium 3 ;

  • une phase pauvre, ou diluée.

De masse...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DRAGOVAN (M.) -   He3 refrigerator of operation to 0,237 K.  -  Applied Optics, vol. 23 (1984).

  • (2) - DUBAND (L.) -   Double stage helium sorption coolers.  -  Cryocoolers, Plenum Press, NY, États-Unis, nov. 2001.

  • (3) - TORRE (J.P.) et al -   Miniature liquid 3He refrigerator.  -  Review of Scientific Instruments, vol. 56 (1985).

  • (4) - ROUBEAU (P.) -   Adsorption de l'Hélium 4 par le charbon actif.  -  Colloque international vide et froid, SFITV, Grenoble (1969).

  • (5) - KHALATNIKOV (I.) -   *  -  Zh. Eksp. Teo. Fiz., vol. 22 (1952).

  • (6) - DUBAND (L.) et al -   HERSCHEL flight models sorption coolers.  -  Cryogenics, vol. 48 (2008).

  • ...

1 Sites Internet

Ressources en ligne de l'école DRTBT (CNRS/CEA) http://www-ecole-drtbt.grenoble.cnrs.fr

On consultera en particulier les notes de Patrick Pari sur les cryostats à dilution. Elles contiennent de nombreuses informations sur le dimensionnement et la conception de ces systèmes

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2 Brevets

Cryostat à dilution EP 0188976 B1

Portable hélium 3 cryostat US 4136526 A

Appareil et procédé de cryorefroidissement WO 2013021217 A2

Dilution refrigerator with sample holding device EP 0675330 B1

Réfrigérateur et procédé de production de froid à très basse température EP 2307823 B1

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3 Annuaire

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3.1 Constructeurs – Fournisseurs

Janis Research Company, Inc., États-Unis https://www.lakeshore.com/

Leiden Cryogenics, The Netherlands http://www.leidencryogenics.com

Advanced Research Systems, Inc., États-Unis ...

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