An 3He-4He closed cycle dilution fridge for space applications
Développement de la réfrigération à dilution 3He-4He en cycle fermé pour les futures missions scientifiques en satellite
Résumé
To answer actual questions about universe several satellite missions are under study. A critical point for theses missions is to cool down sensitive detectors to an very cold temperature T < 0.1 K. To cool down detector to such temperature an open cycle 3He-4He dilution fridge has been build for Planck spacecraft. The idea is to dilute 3He in 4He, this process absorbs heat. The cycle is said to be open because the mixture is rejected out of space. Lifetime, cooling power and coldest temperature is limited by the amount of helium on the satellite. Required lifetime of future satellites missions, greater than five years, set that the refrigerator has no constraint due to helium storage. During this thesis, we have work on helium isotope separator consistent with spacecraft constraint. The dilution fridge is now a closed cycle. The important point of this separation is to get pure 3He and pure 4He for the system to run correctly. We describe how 3He is extracted from the mixture by evaporation and 4He with the fountain effect. A refrigerator prototype has been built. Experiments lead on the prototype aimed to validate the concept of the isotope separator, define requirements and improve performance. Cooling power measured at the cold finger is in agreement with requirement of future satellites missions. Experiments had also showed interactions between different parts of the fridge: heat exchanger, still, fountain pump and constraints on the precooling stage.
Pour répondre aux questions que l'on se pose actuellement sur l'univers plusieurs missions satellites sont en cours d'études. Un des pré requis de ces missions est de pouvoir refroidir les détecteurs ultra-sensibles à très basses températures T < 0.1 K. Pour refroidir les détecteurs à cette température un réfrigérateur à dilution 3He-4He en cycle ouvert a été mis au point pour le satellite PLANCK. Ce système consiste à diluer de l'3He dans de l'4He, ce processus absorbe de la chaleur. Le cycle est dit ouvert car le mélange est ensuite rejeté dans l'espace. La durée de vie, la puissance frigorifique et la température du point froid sont alors limitées par la quantité d'hélium embarquée sur le satellite. La durée de vie des futures missions satellites, supérieur à 5 ans, impose que le réfrigérateur s'affranchisse de ces contraintes de stockage de l'hélium. Dans cette thèse, nous avons travaillé sur un système de séparation des isotopes de l'hélium compatible avec les contraintes d'un satellite. Le réfrigérateur à dilution est alors en cycle fermé. Le point important de cette séparation est d'obtenir en sortie des composés assez pur pour que le processus de dilution fonctionne correctement. Nous décrivons comment l'3He est extrait du mélange par évaporation et l'4He par effet fontaine. Un prototype du réfrigérateur en cycle fermé a été construit. Les expériences menées sur ce prototype ont eu pour but de valider le concept de séparation d'isotopes, de définir les spécifications et d'améliorer les performances du réfrigérateur. La mesure de puissance frigorifique disponible au point froid satisfait les spécifications des futures missions satellites. Les expériences ont aussi montré les interactions entre les différentes parties du système: échangeur de chaleur, bouilleur, pompe à pression fontaine et les contraintes que cela impose à l'étage de pré refroidissement.
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