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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

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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ABSTRACT

Cooling techniques at subKelvin temperature

For decades technological developments at low temperature have been impelled by fundamental research: lowering temperature to reduce average kinetic energy of molecules and gain access to a variety of otherwise hidden phenomena. The advent of "practical" applications, particularly for space in the sub-Kelvin domain, has boosted most of the recent technological advances. This article focuses on the three main sub-Kelvin cooling solutions: evaporative cooling, adiabatic demagnetization and dilution refrigeration.

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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KEYWORDS

active cooling   |   cryogenic   |   subkelvin   |   space and ground applications   |   evaporative cooling-sorption   |   dilution   |   adiabatic demagnetization

DOI (Digital Object Identifier)

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


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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

HAUT DE PAGE

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

HAUT DE PAGE

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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