Développement d'un réfrigérateur à dilution en cycle fermé pour de futures missions cosmologiques
Auteur / Autrice : | Valentin Sauvage |
Direction : | Bruno Maffei, Julien Grain |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Astronomie et Astrophysique |
Date : | Soutenance le 29/03/2023 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....) |
référent : Faculté des sciences d'Orsay | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Karine Bocchialini |
Examinateurs / Examinatrices : Alain Benoit, Nicolas Luchier, Michel Piat, Laurent Pitre | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Benoit, Nicolas Luchier |
Résumé
Le développement d'un réfrigérateur à dilution à cycle fermé pour l'étude du fond diffus cosmologique permettrait de faire progresser de manière significative la cosmologie expérimentale. Ce type de réfrigérateur permet de refroidir en continu les détecteurs à des températures extrêmement basses (100 mK) en utilisant de l'³He et de l'⁴He. Contrairement à son prédécesseur, le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé lors de la mission spatiale Planck-HFI, la conception à cycle fermé permet de répéter indéfiniment le processus de refroidissement. Cela ne limite plus la durée de la mission à la quantité d'hélium embarquée. Le mélange ³He -⁴He, produisant la puissance de refroidissement, est séparé en deux composants ³He et ⁴He, et réinjecté dans le système. Cela permet de répondre aux besoins des missions futures : plus de puissance de refroidissement (OCDR < 0.2 μW, CCDR > 2 μW), une durée d'observation plus longue (OCDR < 2.5 ans, CCDR > 3 ans) avec la même stabilité en température (20 nK.Hz⁻⁰•⁵).Le CCDR doit être amélioré pour fonctionner dans un environnement de microgravité. Le mélange est injecté dans le bouilleur, où l'éponge (un matériau poreux) sépare la phase liquide de la phase gazeuse. Le circulateur va pomper la phase gazeuse (principalement de l'3He). L'⁴He superfluide est extrait de la phase liquide par la pompe à pression fontaine. Les deux isotopes sont ensuite réinjectés dans le système, perpétuant ainsi la production de puissance froide. Diverses expériences ont démontré son bon fonctionnement dans un environnement de laboratoire, faisant du CCDR une technologie TRL ₄. Pour une application spatiale, le CCDR doit atteindre le TRL ₅. Le développement d'un modèle d'ingénierie (EM) permettra de démontrer le bon fonctionnement du CCDR dans un environnement significatif. Cette thèse rend compte de l'avancement de ce développement. Un modèle structurel et thermique (STM) a été conçu pour accueillir les multiples composants du CCDR dans un volume et une masse restreints. Ce STM, un hexapode, supportera les vibrations d'un lancement de fusée tout en limitant les échanges thermiques entre les différents étages de température. Une sélection rigoureuse des matériaux a été effectuée pour optimiser la rigidité de la structure en fonction du flux thermique atteignant l'étage le plus froid.