Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space.
Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace
Résumé
Several satellite missions are being proposed to resolve many of the unanswered questions regarding the universe. Instruments on some of these missions will require temperatures below 0.1 K to operate effectively. This requirement means that the cooling chain is a crucial element of the satellite's design. The cryogenic specifications of these future missions are more demanding than the current state of the art: they will require a higher cooling power at a lower temperature for an extended lifetime of 5-10 years. This has motivated the development of a closed-cycle 3He-4He dilution refrigerator. This design is based on the open-cycle dilution refrigerator used on the Planck satellite, whose lifetime and cooling power were limited by the on-board supply of 3He and 4He, since the mixture was ejected into space after the dilution process. To overcome these limitations, the cycle has been closed by separating the helium isotopes at low temperatures before re-injecting them into the refrigerator. This thesis describes the progress in the development and in the comprehension of this new system and shows that the cooling requirements (1 µW at 50 mK) can be met under the required conditions. This work also attempts to solve a problem related to a micro-gravity environment: the vapor-liquid phase separation in the still. Our experimental results show that liquid confinement in the still under the required conditions and negative-gravity is possible. These results have driven the design of a novel gravity-insensitive still, the last step in developing a closed-cycle dilution refrigerator adapted to zero-gravity.
Plusieurs missions sur satellite sont proposées pour résoudre un grand nombre de questions sans réponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions nécessitent des températures inférieures à 0,1 K pour fonctionner efficacement. Cette exigence signifie que la chaîne de refroidissement est un élément crucial de la conception du satellite. Les spécifications cryogéniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l'état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifique plus élevée à une température inférieure et avec à une durée de vie prolongée de 5 à 10 ans. Cela a motivé le développement d'un réfrigérateur à dilution 3He-4He en boucle fermée. Cette conception est basée sur le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigorifique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace après le processus de dilution . Pour surmonter ces limitations, le cycle a été fermé par la séparation des isotopes de l'hélium à basse température avant de les réinjecter dans le réfrigérateur . Cette thèse décrit les progrès réalisés dans le développement et dans la compréhension de ce nouveau système, et montre que les exigences de refroidissement (1 µW à 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un problème lié à la micro-gravité : la séparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos résultats expérimentaux montrent que le confinement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravité négative est possible. Ces résultats ont guidé la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravité, dernière étape du développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée adapté à la micro-gravité.
Domaines
Physique [physics]
Origine : Version validée par le jury (STAR)