S’il est relativement facile d’envisager le refroidissement à température contrôlée et l’extraction de puissance avec de l’hélium en phase gazeuse, il est plus complexe d’ajuster ces deux paramètres pour obtenir un contrôle en température stable au centième de degré. Un premier pas avait été franchi avec la cible Clas il y a une dizaine d’années, mais il s’appuyait sur la condensation de gaz intermédiaires (hydrogène et deutérium) pour assurer un tel niveau de stabilité.
Dans le cadre des essais des supraconducteurs à haute température critique, nous avons étendu cette technique à la gamme de température allant de 5 à 80 kelvins pour des puissances de l’ordre de 1 à 10 watts sans fluide intermédiaire. La technique développée utilise 3 niveaux d’échangeurs, en série, pour affiner ces paramètres. Les principales applications concernées par ce procédé sont le cryostat de Mirim et le porte échantillon de la station d’essais Cétacé.
Dans le cadre du projet Agata, pour la physique nucléaire, il est nécessaire de refroidir 180 cristaux de germanium à la température de l’azote sans vibrations acoustiques. Ces cristaux sont regroupés par trois dans 60 cryostats. Hors les importantes quantités d’azote nécessaires pour absorber la puissance à extraire, les vibrations seront suffisamment bruyantes pendant le remplissage des cryostats pour nécessiter l’arrêt des mesures en cours.
Vue en coupe du système d’accouplement étudié pour Agata. L’interrupteur thermique est constitué de deux cônes emboîtés qui se rapprochent ou s’écartent en fonction du besoin. Quand l’interrupteur est fermé les cônes sont en contact et les interstices mécaniques sont comblés par de l’hélium gazeux. Quand il est ouvert, les cônes sont écartés de quelques millimètres et on assure un vide primaire dans le volume qui les sépare.
Vue 3-D du système d’accouplement étudié pour Agata en cours de désaccouplement. Le cône central, bleu marine, est isolé de l’extérieur par l’interrupteur thermique qui assure la protection aux rayonnements et la barrière de vide qui sont indispensables pour le maintenir à 80 kelvins.
En solution alternative, nous avons proposé de refroidir ces cristaux avec de l’hélium gazeux dont les qualités fluidiques devraient permettre un fonctionnement continu silencieux. Nous avons étudié une solution par thermosiphon en hélium gazeux, entre les cristaux et un échangeur refroidi à l’azote liquide déporté suffisamment loin pour ne pas perturber le fonctionnement. Les études ont montré que ce système serait viable dans une gamme de pression de 5 à 15 bars à une température de 77 kelvins avec des écarts de température de l’ordre de la dizaine de kelvins.
La principale difficulté de cette technologie de détecteur demande de savoir désaccoupler à froid les cristaux du système de réfrigération. Nous avons, en conséquence, étudié un système d’accouplage thermique possédant un interrupteur qui permet d’isoler thermiquement les cristaux pendant cette opération.
Ces 2 études cryogéniques sont importantes, car elles ouvrent la voie de l’utilisation thermique des supraconducteurs à haute température critique sur une très large gamme de température avec une assez grande souplesse d’utilisation.
• Détection des rayonnements › Réalisations en réponse aux enjeux sociétaux
• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
