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RÉSUMÉ
Aux basses températures de la cryogénie, la mesure des grandeurs physiques est délicate à maîtriser. Les techniques de mesures sont souvent dérivés des techniques utilisées à température ambiante. Toutefois, certaines sont spécifiques à ces basses températures, en utilisant des propriétés physiques, comme la supraconductivité, qui n'existent pas à température ambiante. Cet article présente les techniques de mesure de grandeurs fondamentales comme l'aimantation et les propriétés thermodynamiques.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Frédéric AYELA : Maître de Conférence, Université Joseph Fourier, Grenoble
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Patrick DECOOL : Ingénieur, Service Tokomak, Exploitation et Pilotage, Commissariat à l’Énergie Atomique, CEN Cadarache
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Jean-Luc DUCHATEAU : Ingénieur, Service Tokomak, Exploitation et Pilotage, Commissariat à l’Énergie Atomique, CEN Cadarache
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Philippe GANDIT : Chargé de Recherche, CNRS, Centre de Recherche sur les Très Basses Températures (CRTBT), Grenoble
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François KIRCHER : Adjoint au Chef du Service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme, Commissariat à l’Énergie Atomique, CEN Saclay
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André SULPICE : Chargé de Recherche, CNRS, Centre de Recherche sur les Très Basses Températures (CRTBT), Grenoble
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Louis ZANI : Ingénieur, Service Tokomak, Exploitation et Pilotage, Commissariat à l’Énergie Atomique, CEN Cadarache
INTRODUCTION
Atteindre une température cryogénique n’est plus un problème ; cependant, d’une manière générale, les mesures dans cet environnement restent délicates à maîtriser. En effet si, à température ambiante, un wattheure vaporise 1,6 centimètre cube d’eau, il vaporise 1000 fois plus d’hélium liquide à 4.2 kelvin. Les puissances qui sont mises en jeu sont donc beaucoup plus faibles, ce qui peut avoir des conséquences importantes. Ainsi, le rayonnement haute fréquence qui nous entoure (ondes radio, téléphonie sans fil), qui en principe perturbe peu les mesures à température ambiante, peut devenir catastrophique à très basse température.
Dans cet article, nous allons décrire différentes techniques de mesures à basse température. Le lecteur pourra se reporter aux articles « Cryogénie » de l’ouvrage Génie énergétique pour la production des températures cryogéniques et leur mise en œuvre ainsi que pour les propriétés physiques aux basses températures.
La plupart des techniques de mesures sont en fait dérivées des mesures à température ambiante. Cependant certaines d’entre elles sont spécifiques aux très basses températures, car elles mettent en jeu des propriétés physiques, comme la supraconductivité, qui n’existent aujourd’hui qu’à très basse température.
Nous développerons, dans cet article, le principe de mesure de grandeurs fondamentales comme l’aimantation et les propriétés thermodynamiques des corps aux basses températures. Enfin quelques aspects de la supraconductivité, comme les mesures de courant critique et l’application des SQUIDs, seront abordés.
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3. Électronique aux températures cryogéniques
La mesure électronique d’une grandeur physique résulte de la conversion du paramètre étudié en une tension, de son amplification et de sa détection. L’électronique aux températures cryogéniques est motivée par trois raisons majeures :
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la connaissance de l’intensité du paramètre étudié dans cette plage de température ;
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la nécessité d’utiliser pour la conversion du paramètre des propriétés physiques spécifiques aux très basses températures ;
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l’amélioration de la sensibilité de la mesure grâce à la diminution des fluctuations thermiques.
Ces trois aspects sont évidemment plus ou moins corrélés suivant l’application recherchée. Ce paragraphe est composé de trois parties :
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la première est consacrée au bruit électronique de circuits passifs et actifs utilisés dans un environnement cryogénique ;
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la seconde rappelle brièvement les propriétés élémentaires des supraconducteurs et leurs applications éventuelles ;
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la dernière présente de façon non exhaustive quelques dispositifs expérimentaux cryogéniques, leurs applications et leur sensibilité.
3.1 Bruit aux très basses températures
Le bruit est un phénomène aléatoire inhérent, susceptible de limiter la sensibilité expérimentale à chaque étape de la mesure. Suivant le schéma expérimental de la figure 20, du bruit apparaît intrinsèquement dans le phénomène étudié, au niveau du convertisseur et au niveau du premier étage d’amplification. Il s’agit de comprendre son origine et de pouvoir le mesurer, ou à défaut de pouvoir estimer sa valeur avec la meilleure précision. D’après la logique suivie dans ce paragraphe, la détection finale est une tension, aussi parlera-t-on principalement de tension de bruit ; mais il est clair que, en amont du convertisseur, le bruit est relatif à l’unité du paramètre mesuré.
Quelle...
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BIBLIOGRAPHIE
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(4) - SULLIVAN (P.F.), SEIDEL (G.) - Steady- State, ac-Temperature Calorimetry. - Phys. Rev., vol. 173, p. 679 (1968).
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(5) - LU (L.) et al - 3 omega method for specific heat and thermal conductivity measurements. - Review of Scientific Instruments, 72, p. 2996-3003 (2001).
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