Développement d'un réfrigérateur à dilution en cycle fermé pour de futures missions cosmologiques

Development of a Closed-Cycle Dilution Refrigerator for future cosmological missions

• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Karine Bocchialini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Benoit, Nicolas Luchier, Michel Piat, Laurent Pitre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Benoit, Nicolas Luchier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites de recherche astronomique

Bolomètres

Fond diffus cosmologique

Supraconductivité

Kapitsa, Résistance de

Basses températures

Mots clés libres

Refroidisseur Sub-K

CCDR

Fond diffus cosmologique

Instrumentation

Application spatiale

Sub-K coolers

CCDR

Cosmic microwave background

Instrumentation

Space application

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.

Developing a Closed-Cycle Dilution Refrigerator for cosmic microwave background (CMB) study would significantly advance experimental cosmology. This type of refrigerator allows the detectors to be cooled continuously at extremely low temperatures (100 mK) using ³He and ⁴He. Unlike its predecessor, the Open-Cycle Dilution Refrigerator used for on the space mission Planck-HFI, the closed-cycle design allows for the cooling process to be repeated indefinitely. This does not limit the mission's duration to the quantity of embarked helium anymore. The ³He -⁴He mixture, producing the cooling power, is separated into the two components ³He and ⁴He, and re injected into the system. This ensures meeting the needs of future missions: more cooling power (OCDR < 0.2 μW, CCDR > 2 μW), longer observation time (OCDR < 2.5 years, CCDR > 3 years) with the same temperature stability (20 nK.Hz⁻⁰•⁵).The CCDR needs development to operate in a microgravity environment. The ³He -⁴He mixture is injected inside the still, where the porous sponge will separate the liquid phase from the gaseous phase. The circulator will pump the gaseous phase (mainly ³He). The superfluid ⁴He is extracted from the liquid phase by the fountain pump. Both isotopes are then re-injected into the system, perpetuating the cooling-power generation. Various experiments demonstrated its proper operation in a laboratory environment, making the CCDR a TRL ₄ technology. For a space application, the CCDR has to reach TRL ₅. Developing an Engineering Model will demonstrate the CCDR's proper operation in a relevant environment. This thesis reports on the progress in this development. A Structural and Thermal Model (STM) has been designed to host the multiple CCDR components in a restricted volume and mass. This STM, a hexapod, will handle the vibrations from a rocket launch while limiting the thermal exchanges between the various temperature stages. A rigorous material selection has been performed to optimize the structure stiffness regarding the thermal flux reaching the coldest stage.