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Réfrigération sub-kelvin

Publié le 3 décembre 2019
Les techniques physiques et les technologies pour obtenir des températures sous le kelvin sont différentes de celles utilisées pour les gammes de températures plus élevées. Trois technologies sont prédominantes, que ce soit pour le spatial ou les applications sols : la dilution, la réfrigération par évaporation et la désaimantation adiabatique. Le DSBT est un acteur majeur pour ces 2 dernières technologies pour lesquelles nous sommes impliquées dans des développements pour des missions spatiales et des applications sols.

La mission Herschel
Herschel est un télescope spatial d’observation dans le domaine de l’infrarouge. Il a été lancé en 2009 et 2 de ses 3 instruments comprenaient des détecteurs refroidis à 300 mK leur permettant d’obtenir une sensibilité inégalée. Le refroidissement à ces températures a été obtenu par un refroidisseur à évaporation. Le DSBT a assuré sa conception, son développement et adaptation à la mission et la fourniture des modèles de vol.

Observatoire spatial Herschel.
Site Web Herschel.
Refroidisseur à adsorption/évaporation
300 ​​mK. © CEA/DSBT

Le refroidisseur hybride
Basé sur cet héritage reconnu (TRL9) de réfrigération à adsorption/évaporation, le DSBT a proposé un couplage de cette technologie avec un étage de réfrigération magnétique (ADR – adiabatic demagnetization refrigerator) permettant d’avoir un refroidisseur à 50 mK, température inatteignable avec la technique précédente. Cette combinaison, que nous appelons refroidisseur hybride, permet de réaliser un système de masse faible avec une intégration très compacte. Deux modèles ont ainsi été réalisés, testés et qualifiés vis-à-vis des contraintes spatiales nous permettant d’afficher un niveau de maturité de TRL 6. Ils peuvent répondre aux besoins des missions SPICA et ATHENA et sont considérés comme solution nominale aujourd’hui.

Refroidisseur hybride 50 mK « IXO »
Refroidisseur hybride 50 mK « SAFARI »

Les refroidisseurs ADR multiétagés
La désaimantation adiabatique est extrêmement efficace avec des rendements thermodynamiques se rapprochant du rendement idéal de Carnot. La masse du système est cependant élevée, notamment pour les températures d’interfaces élevées. Une solution pour permettre de réduire cette masse est la réalisation de refroidisseur continu, à partir d’une série d’étages ADR en cascade. En se basant sur ce principe, nous avons proposé un concept pour le satellite LiteBIRD utilisant 3 étages ADR et permettant un refroidissement continu à 300 mK et un étage 100 mK très stable pendant plus de 24 heures. Une autre solution à 4 étages permet d’obtenir une température continue sur ces 2 étages. La solution proposée nous permet d’être considérée comme la solution de référence pour ce projet.

Refroidisseur tri-étagé ADR
« LiteBIRD »
Courbes de températures des 3 étages

Refroidisseurs à adsorption pour les observatoires terrestres
L’observation de la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB) et en particulier la quête des ondes gravitationnelles, mobilise plusieurs équipes à travers le monde. Depuis de nombreuses années DSBT collabore sur cette thématique avec le California Institute of Technology (Caltech) et le Jet Propusion Laboratory (JPL NASA). Dans ce cadre, le DSBT a développé des cryoréfrigérateurs sub-kelvin tri-étagés permettant de refroidir des détecteurs à des températures proches de 200 mK. Ces systèmes entièrement statiques ne génèrent aucune perturbation magnétique ou mécanique sur les détecteurs. En complément, des systèmes de diode thermique et de liens thermiques variables permettent d’optimiser les temps de mise en froid des plans focaux. Ces machines ont été intégrées sur le télescope BICEP Array situé à la base Amundsen-Scott au pôle sud.

Refroidisseur à adsorption « BICEP »