Brevet FR2130001A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne des cryostats, destines en particulier au refroidissement de composants électroniques, par exemple de détecteurs à rayonnement infra-rouge. Les cryostats connus destinés à ce type d'application comportent généralement une enceinte cryogenique, thermiquement isolée, et contenant un gaz liquefie, tel que l'argon, l'azote, l'hélium ; l'élément à refroidir est alors en contact thermique avec une portion de la paroi extérieure de cette enceinte cryogénique. Dans de tels cryostats, le refroidissement du fluide cryogénique peut être assuré par un détendeur à cycle Joule Thomson, ou à cycle de Stirling. Dans d'autres types de cryostats, le refroidissement est effectué à l'aide d'un dispositif complexe à réfrigération thermo-électrique. Ces cryostats présentent de nombreux inconvénients - Ils sont généralement encombrants, de manipulation délicate, et présentent une faible autonomie (de l'ordre de quelques heures). - Un détendeur à cycle Joule-Thomson nécessite la mise en oeuvre de bouteilles de gaz comprimé sous une pression de plusieurs centaines d'atmospheres, ce qui peut présenter un grand danger. - Un dispositif de réfrigération thermo-électrique est coûteux et se carac merise par un niveau de bruit important. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et de réaliser un cryostat de structure simple et présentant en particulier un faible encombrement et une grande autonomie. La présente invention est relative à un cryostat, destiné au refroidissement d'un objet, caractérisé par le fait qu'il comporte - une première enceinte cryogénique partiellement remplie par un bloc de gaz solidifié, - des moyens de contrôle de la pression de vapeur dudit gaz dans ladite première enceinte cryogénique, - une deuxième enceinte sous vide entourant ladite première enceinte, - un organe de conduction thermique, partiellement en contact avec ledit bloc de gaz solidifié, et dont une extrémité, susceptible de supporter ledit objet, débouche dans ladite deuxième enceinte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre et qui sera faite à l'aide du dessin annexé, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lequel - la figure 1 illustre schématiquement en coupe un exemple du cryostat selon l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement en coupe une variante de cryostat selon l'invention. Des références identiques sont associées à des éléments analogues illustrés par les deux figures. Le cryostat illustré par la figure 1 comporte une première enceinte cryogénique 1 contenant un bloc 2 de fluide cryogénique solidifié en équilibre avec sa vapeur 3 ; l'enceinte 1 est maintenue dans une enceinte sous vide 4 par l1inter- médiaire de supports à faible conductivité thermique schématiquement illustrés par des filins 12. L'enceinte 1 peut être par exemple en acier inoxydable plaqué or ou argent l'enceinte 4 peut être en acier inoxydable, en aluminium, ou analogue. Le fluide cryogénique peut être choisi par exemple dans le groupe des gaz suivants : hydrogene, néon, azote, argon, méthane, gaz carbonique, ou analogue. Le cryostat comprend en outre des moyens 10 de contrôle de la pression de la vapeur 3, pouvant être déconneetables en 11 à l'extérieur de l'enceinte 4. A titre d'exemple, ces moyens de contrôle sont constitués par une valve de contrôle, un orifice calibré ou une conductance adaptée, associee à une pompe de type approprié. Un caloduc 5, c'est-à-dire un organe de conduction thermique, est partiellement noyé dans le fluide solidifié 2 et débouche dans l'enceinte sous vide 4. Une extrémité 6 de ce caloduc peut servir de support à un élément à refroidir 7, par exemple un détecteur à rayonnement infra-rouge connecté à un bloc électronique 8 d'alimentation et de traitement d'informations. L'enceinte 4 comporte alors une fenêtre 9, disposee en regard du détecteur 7, et transparente au rayonnement à détecter par ce dernier. La partie immergée du caloduc comprend avantageusement des ailettes 13 en métal très bon conducteur de la chaleur permettant d'améliorer les échanges thermiques entre ce caloduc et le solide 2 ; le métal précédent peut être fritté ou déployé. La cloison supérieure 19 de l'enceinte 1 présente un puits 18 en contact thermique avec le bloc 2, au niveau de la traversée de la cloison 19 par le caloduc 5. Le puits 18 permet d'isoler le caloduc 5 de la vapeur 3 et d'éviter des variations parasites de température dans ce caloduc. Un cryostat selon l'invention comporte également des moyens pour refroidir éventuellement le solide 2 ; il s'agit par exemple d'un serpentin 17 parcouru par un fluide liquide à la température de solidification du fluide contenu dans l'enceinte cryogénique ; lorsque le bloc 2 est constitué, le serpentin 17 peut être vide et fermé. Ce serpentin est par exemple soudé à la paroi de l'enceinte 1. Dans un autre mode de réalisation non illustre, le refroidissement est effectué pari'intermédiaire d'un bloc de fluide solidifié maintenu momentanément en contact thermique avec le caloduc 5. L'isolement thermique entre l'enceinte cryogenique 1 et l'enceinte 4 est amélioré grâce à un écran métallique 14 entourant l'enceinte 1. Un superisolant 15 est de préférence intercalé entre l'enceinte 4 et l'écran 14 ; ce superisolant est constitué par exemple de feuilles d'un isolant connu sous la marque Mylar. Des organes 16 amortisseurs de vibrations sont interposes entre l'écran 14 et l'enceinte cryogénique 1. Dans la variante de réalisation illustrée par la figure 2, un caloduc 21 est solidaire de la paroi 20 de l'enceinte 1 et peut éventuellement être constitué par une portion de cette paroi. L'élément à refroidir 7 est en contact thermique avec le caloduc 21. Ces deux modes de réalisation n'ont été donnes qu a titre d'exemple, selon une autre variante non illustrée, le caloduc 5 est constitué par un organe gazeux ou liquide de conduction thermique. Le fonctionnement d'un cryostat selon l'invention est basé sur le fait que la régulation de la température du bloc solide 2 peut être obtenue par la régulation de la pression de la vapeur 3 en équilibre avec ce solide. Un apport de calorie dû à l'élément 7, ou à des échanges thermiques parasites, fait augmenter la pression de la vapeur 3 ; la valve de contrôle 10 permet alors d'éliminer cet excédent de vapeur pour abaisser la température à l'interieur de l'enceinte 1. Un tel cryostat présente de multiples avantages - il est particulièrement simple et ne comporte aucune partie mobile, - il présente pour un faible volume une grande autonomie (de l'ordre de plusieurs mois). En effet, d'une part des solides, tels que l'hydrogène, le néon, l'azote, l'argon, le méthane, ..., présentent une chaleur latente de sublimation supérieure à leur chaleur de vaporisation et qui permet d'accroître la capacité de réfrigération de 10 à 20 % par rapport à celle du liquide vaporisé correpondant. D'autre part, la mise en oeuvre d'un corps plus dense accroît encore de 10 à 15 Z cette capacité de réfrigération. - il permet d'obtenir une gamme très vaste de températures correspondant notamment aux températures optimales d'utilisation de composants electroniques tels que les détecteurs à rayonnement infra-rouge, par exemple SOLIDES TEMPERATURES DE FONCTIONNEMENT ) ( K) ) ( : ) c .: ) ( H2 : 8,3 - 13,8 ) ( : ) ( Ne : 13,5 - 24,5 ) ( : ) ( N2 : 43,4 - 63,1 ) ( : ) ( A : 47,8 - 83,9 ) ( : ) (CH4 ( : 59,8 - 90,7 ) - il permet d'obtenir facilement une bonne régulation de température. - il est utilisable en l'absence de pesanteur. A titre d'exemple, un cryostat selon l'invention permet le refroidissement à 140 K des détecteurs au germanium dopé au mercure ou au cuivre, et à 770 K des détecteurs au cadmium et au tellure, ayant un temps de réponse très courts et une gamme spectrale s'étendant de 3 à 13 microns. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Cryostat destiné au refroidissement d'un objet comportant - une première enceinte cryogénique partiellement remplie par un bloc de gaz soli difié, - une seconde enceinte sous vide entourant ladite première enceinte, - un organe de conduction thermique, partiellement en contact avec ledit bloc de gaz solidifié, et dont une extrémité, susceptible de supporter ledit objet, débouche dans ladite deuxième enceinte, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens de contrôle de la pression de vapeur dudit gaz dans ladite première enceinte cryogénique. 2/ Cryostat selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de contrôle sont déconnectables à l'extérieur de ladite seconde enceinte. 3/ Cryostat selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens de contrôle de la pression de vapeur dudit gaz sont constitués par une valve de régulation associée à une pompe. 4/ Cryostat selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait que ledit organe de conduction thermique est constitué par un élément partiellement noyé dans ledit bloc de gaz solidifié, et sans contact avec ladite vapeur. 5/ Cryostat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de refroidissement dudit gaz constitués par un bloc de fluide solide maintenu en contact avec ledit organe de conduction thermique. 6/ Cryostat selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit organe de conduction thermique est constitué par un solide en métal fritté. 7/ Cryostat selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit organe de conduction thermique est constitué par un solide en métal déployé. 8/ Cryostat selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit organe de conduction thermique comporte un fluide. 9/ Cryostat selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que ledit organe de conduction thermique est constitué par une portion de surface de ladite première enceinte en contact avec ledit bloc de gaz solidifié. 10/ Cryostat selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait que ladite seconde enceinte comporte au moins une fenêtre située en regard de ladite extrémité.