Etude et réalisation d'une ADR spatiale 4 K - 50 mK

par Diego Augusto Paixao Brasiliano

Thèse de doctorat en Physique appliquée

Sous la direction de Nicolas Luchier.

Soutenue le 15-05-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Département des systèmes basses températures (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Patricia de Rango.

Le jury était composé de Jean-Luc Sauvageot, Jean-Marc Duval.

Les rapporteurs étaient Thomas Mazet, Grégoire Bonfait.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la recherche et l'amélioration de cryoréfrigérateurs à désaimantation adiabatique (ADR) pour la gamme 4 K - 50 mK. Ce refroidissement à 50 mK permettra de répondre aux besoins de réfrigération des détecteurs les plus sensibles envisagés pour les instruments des missions d'astrophysique. Ce réfrigérateur doit être efficace et de masse optimisée.Les axes clefs de ce travail sont la mise au point d’une méthode d’identification de réfrigérants magnétiques de haute performance et l'étude d’interrupteurs thermiques efficaces. Parmi les matériaux étudiés, le YbGG (Yb3Ga5O12) a été identifié comme un excellent réfrigérant potentiel pour la gamme 1.5 K - 0.4 K, confirmé par sa caractérisation expérimentale. Le travail sur les interrupteurs thermiques à gaz d'échange a permis de supprimer ou de réduire de façon importante des effets de courts-circuits thermiques transitoires parasites, lesquels apparaissent dans les conditions particulières d’utilisation de ce type de cryocooler. Finalement, un démonstrateur de cryoréfrigérateur constitué de 3 étages d’ADR en série, adapté pour les besoins des futures missions spatiales, a été dimensionné et fabriqué.

  • Titre traduit

    Study and realization of a 4 K – 50 mK adiabatic demagnetization refrigerator for space


  • Résumé

    Highly sensitive detectors required for astrophysics missions demand temperatures of about 50 mK to operate with the targeted sensitivity. This PhD work is dedicated on the research and development of Adiabatic Demagnetization Refrigerators (ADR) for space in the 4 K - 50 mK range. In particular, this cryocooler is required to be efficient with optimized mass.The key points of this work are the development of a method allowing the identification of highly efficient paramagnetic materials and the improvement of thermal heat switches. Among the material studied, YbGG (Yb3Ga5O12) was identified to have a great potential as a magnetic refrigerant in the 1.5 K - 0.4 K range, which was confirmed by its characterization. Transient thermal short circuits may appear on the gas-gap thermal switches under the working conditions of this cryocooler. This study allowed us to suppress or to considerably attenuate this effect. Finally, a cryocooler prototype consisting of 3 ADR stages was designed and built.


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