Tube à gaz pulsé pour la quantronique basse température

Pulse tube cooler for low temperature quantronic aplications

• Auteur / Autrice : Thomas Latella
• Direction : Jean-Marc Duval, Thomas Prouvé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 13/03/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des systèmes basses températures (Grenoble ; 1957-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Ayela
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : James Butterworth, Valéry Zwiller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Bailly, Gaël Maranzana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryostats

Technique de la production

Basses températures -- Recherche

Mots clés libres

Sciences pour l’ingénieur

Cryogénie

Energétique

Génie des procédés

Mécanique

Engineering sciences

Cryogenics

Energetics

Process engineering

Mechanics

Résumé

La conception et la disponibilité d’un refroidisseur miniature pour atteindre des températures inférieures à 2 Kelvin (-271°C) sera une avancée importante pour faciliter l’utilisation de la cryogénie, notamment hors des laboratoires spécialisés. Aujourd’hui, les refroidisseurs les plus répandus sont limités à la température de 3 Kelvin environ et nécessitent des puissances électriques importantes, généralement de plusieurs kilowatts. De plus, ils génèrent une nuisance sonore importante et impliquent un fort encombrement. Notre objectif est à la fois d’atteindre des températures plus basses tout en réalisant un refroidisseur miniature. Pour ce faire le projet exploite le couplage d'un refroidisseur Joule-Thomson à 2 Kelvin avec un tube à gaz pulsé hautes fréquences en tant que pré-refroidisseur. Le développement du tube à gaz pulsé hautes fréquences constitue le cœur de cette thèse.Ce dernier opèrera dans une configuration exploitant deux doigts froids en cascade que l’on appelle tube à gaz pulsé intercepté. Il est ainsi possible d’obtenir des basses températures, ici jusqu’à 15 Kelvin (-258°C). Ce type de configuration a été mis au point dans le domaine du spatial. Pour une généralisation aux cryostats de laboratoire, un travail de redimensionnement pour fonctionner avec des oscillateurs de pression commerciaux a été nécessaire.L’approche choisie pour optimiser le tube à gaz pulsé intercepté est essentiellement expérimentale, en s’appuyant sur une analyse phénoménologique des processus thermodynamiques ainsi que sur des modélisations numériques ainsi L’accent a notamment été mis sur l’évaluation des pertes de chaleur à l’étage intermédiaire (intercepte). Une version préindustrielle du tube à gaz pulsé a été mise au point et testée. Ses performances vont jusqu’à 430 mW de puissance de refroidissement à partir d’une puissance mécanique de 100 W.A titre d’exemple d’applications, dans les laboratoires de recherche, ce système permettra la détection de photon unique basé sur des détecteurs à nano-fils supraconducteurs ou la recherche sur les technologies quantiques.

The design and availability of a miniature cooler to achieve temperatures below 2 Kelvin (-271°C) would be a significant advancement in facilitating the use of cryogenics, especially outside specialized laboratories. Currently, the most common coolers are limited to around 3 Kelvin and require substantial electrical power, typically several kilowatts. Additionally, they generate significant noise and involve a large size. Our goal is to reach lower temperatures while creating a miniature cooler. To achieve this, the project leverages the coupling of a 2 Kelvin Joule-Thomson cooler with a high-frequency pulse tube as a pre-cooler. The development of the high-frequency pulse tube is the core focus of this thesis.This system will operate in a configuration using two cascaded cold fingers, known as an intercepted pulse tube. This allows for achieving low temperatures, up to 15 Kelvin (-258°C) in this case. This configuration has been developed in the aerospace field. For generalization to laboratory cryostats, resizing work to operate with commercial pressure oscillators was necessary.The chosen approach to optimize the intercepted pulse tube is primarily experimental, relying on a phenomenological analysis of thermodynamic processes and numerical modeling. Emphasis has been placed on evaluating heat losses at the intermediate stage (intercept). A pre-industrial version of the pulse tube has been developed and tested. Its performance reaches up to 430 mW of cooling power from a mechanical power of 100 W.As an example of applications, in research laboratories, this system will enable the detection of single photons based on superconducting nanowire detectors or research on quantum technologies.