Dilution de Poche pour Observer l'univers

Les principales expériences de cosmologie portent sur l’étude du rayonnement fossile et de la matière noire. Leur détection nécessite d’utiliser des récepteurs de faible énergie (bolomètres) que l’on refroidit aux plus basses températures. Notre équipe développe un réfrigérateur à dilution, fiable et facile à mettre œuvre, qui permettra d’amener la température de fonctionnement des bolomètres de 250 à 100 mK.

Pour des températures inférieures à 850 mK, et en fonction de ses proportions, un mélange d’3He et d’4He se sépare en deux phases distinctes. Une phase dite « concentrée » d’3He presque pur sur une phase dite « diluée » constituée en majorité d’4He avec une proportion d’3He non nulle même à très basse température.

Le principe de réfrigération est d’effectuer la dilution de la phase concentrée vers la phase diluée. En se diluant, les atomes d’3He voient leur enthalpie augmenter, ceci entraîne une baisse de la température à la manière de l’évaporation classique d’un liquide.
Pour provoquer la dilution, il faux rompre l’équilibre thermodynamique entre les phases. L’opération est réalisée en diminuant la concentration en 3He de la phase diluée par distillation. Les vapeurs d’3He sont ensuite recondensées et réinjectées dans la phase concentrée.
Sur un réfrigérateur classique, la circulation de l’3He est réalisée au moyen de groupes de pompage à température ambiante lourds à mettre en œuvre et provoquant à terme la pollution du mélange d’héliums.


Notre réfrigérateur permet de palier à ces problèmes, en utilisant une pompe cryogénique (1) refroidie à 400 mK par un réfrigérateur SBT d’3He à adsorption (2). L’3He est ainsi distillé (3) à 600 mK , puis prérefroidit dans un échangeur (4) avant d’être redilué dans la boîte à mélange (5) qui refroidit l’objet. Le système est dimensionné pour fournir une puissance frigorifique de 1.5μW à 50 mK avec une autonomie de 8 heures.

 

Maj : 05/11/2010 (463)

 

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