Brevet FR2568727A1 — publié le 19860207

Ligne coaxiale pour dispositif cryogénique La présente invention a pour objet un conduc- teur coaxial utilisabLe dans un système cryogénique sans apporter des perturbations thermiques importan- tes. On utilise de plus en plus à l'heure actuelle Les systèmes cryogéniques dans le domaine de L'électro- nique. Pour cela, on utilise souvent des Lignes coaxia- les qui sont constituées d'un conducteur central ou âme métallique pleine entourée d'un diélectrique plein ou ajouré, lui-même entouré d'un conducteur extérieur ayant généralement la forme d'un tube. Ce dernier est réalisé en métal bon conducteur de l'électricité, mais mauvais conducteur de la chaleur. Pour les Lignes de faible diamètre extérieur, c'est-à-dire de diamètre in- férieur à 10 mm, la conduction thermique est Limitée. Cependant, si le tube extérieur peut échanger de La chaleur avec les vapeurs froides du dispositif dans Le- quel il se trouve, ce n'est pas le cas pour le diélec- trique et l'âme intérieure. C'est ainsi que la puissan- ce thermique apportée par la ligne coaxiale peut être relativement importante, du fait de l'isolation élec- trique et souvent thermique. Le diélectrique et L'âme n'échangent pas de chaleur avec les vapeurs froides et la puissance thermique apportée à La ligne coaxiale n'est pas négligeable. - La présente invention a justement pour objet de remédier à cet inconvénient en proposant une ligne coaxiale qui permette à tous ces éléments d'échanger de La chaleur avec Les vapeurs froides dans lesquelles se trouve le dispositif et qui n'apporte pas de perturba- ti.ons thermiques importantes. Selon la principale caractéristique de la ligne coaxiale objet de l'invention, celle-ci du type comportant un conducteur central ou âme entouré d'un diélectrique lui-même entouré d'un conducteur exté- rieur ayant sensiblement la forme d'un tube, se carac- térise en ce que le diélectrique présente une grande porosité ouverte et en ce que le conducteur extérieur présente au moins une ouverture permettant la pénétra- tion de vapeurs froides à l'intérieur du dispositif. Cette ouverture peut être une fente longitu- dinale, ou en forme de spirale, ou encore le conducteur extérieur peut être constitué de plusieurs éléments qui se recouvrent partiellement sans contact dans certaines zones afin de ménager des ouvertures, la continuité électrique du conducteur extérieur étant cependant maintenue. Quant au diélectrique, il peut être soit constitué d'un matériau à porosité importante, soit constitué d'un matériau non poreux mais qui ne remplit pas tout l'espace compris entre les conducteurs inté- rieur et extérieur afin de laisser passer les vapeurs froides. Dans ce cas, le diélectrique peut avoir une forme héLicoldale ou être constitué de plusieurs éLé- ments séparés les uns des autres, dont chacun est en contact avec le conducteur central, d'une part et avec le conducteur extérieur d'autre part. Enfin, suivant une autre caractéristique de l'invention, le conducteur central peut lui-même avoir la forme d'un tube creux dans lequel est ménagée au moins une ouverture afin de favoriser encore les échan- ges de chaleur. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en réfé- rence aux dessins annexes, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en cou- pe d'une ligne coaxiale classique disposée dans un vase cryogénique, - les figures 2a à 2c sont des vues schémati- ques en coupe illustrant plusieurs modes de réalisation possibles d'une ligne coaxiale selon l'invention, - La figure 3 est une vue schématique en cou- pe longitudinale d'une Ligne coaxiale selon L'invention équipée d'un diélectrique de forme héLicoïdale, - la figure 4 est une vue schématique en perspective partieLLement éclatée illustrant un autre mode de réalisation de la Ligne coaxiate objet de l'in- vention dans le cas o Le diélectrique est constitué d'éléments séparés Les uns des autres, - la figure 5 est une vue schématique d'une ligne coaxiate seton L'invention dont te conducteur ex- térieur est muni d'une fente en spirale, - La figure 6 est une vue semblable à la fi- gure 5, iLLustrant un mode de réalisation dans lequeL le conducteur extérieur présente une fente longitudina- Le, - La figure 7 est une vue en perspective et en coupe partieLLe iLlustrant un autre mode de réalisa- tion d'une ligne coaxiale seLon L'invention o Le con- ducteur extérieur est constitué d'éléments se recou- vrant partiellttement, et - La figure 8 est une vue semblable à la fi- gure 1 ilustrant une application particulière du coaxial selon l'invention à la détection et au contrôle du niveau d'une masse d'héLium Liquide. La vue en coupe de la figure 1 montre un dis- positif cryogénique se composant d'un réservoir 2 con- tenant par exemple de l'hélium liquide, dans lequel est introduit un coaxial 4 se composant de manière classi- que d'un conducteur central 6 entouré d'un isolant ou diélectrique 8 Lui-même entouré d'un conducteur exté- rieur 10 en forme de tube. Un tel coaxial peut être utilisé par exemple pour relier un appareil (non repré- senté) situé dans la masse d'hélium liquide contenue dans le récipient 2 à des moyens de mesure extérieurs (non représentés). Dans La ptupart des lignes coaxiales actuelles, le conducteur extérieur 10 est réalisé en un métal bon conducteur de l'électricité mais mauvais con- ducteur de la chaleur, comme par exemple en acier inoxydable argenté. Ceci empêche les échanges thermiques avec les vapeurs froides se trouvant dans le récipient 2 au voi- sinage de la Ligne 4, et le diélectrique 8 ainsi que le conducteur central 6 peuvent s'échauffer: leur impé- dance peut varier, ce qui risque de fausser les mesu- res. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention pro- pose une ligne coaxiale perfectionnée dont Le conduc- teur extérieur 10 présente au moins une fente et Le diélectrique constitué de matériaux présentant une for- te porosité ouverte ou de matériaux compacts mais cons- titués de façon à ménager des espaces libres; l'ensem- ble permettant aux vapeurs froides de pénétrer à L'in- térieur du coaxial et d'établir un équiLibre thermique entre le conducteur central 6, le diélectrique 8, le conducteur extérieur 10 et l'atmosphère extérieure. Les vues en coupe des figures 2a-2c illus- trent trois modes de réalisation possibles d'un coaxial selon l'invention. Dans les trois cas Le diélectrique est du type défini précédemment. Sur la figure 2a, le conducteur extérieur 10 présente une fente 12 pour le passage des vapeurs froi- des. Dans le cas de la figure 2b, les deux lèvres 12 du conducteur extérieur 10 se chevauchent afin de limiter les pertes électriques. Dans le-cas de la figure 2c, en plus de la fente 12 dans le conducteur extérieur 10, le conducteur central 6 présente lui aussi une fente 14. Toutes ces dispositions favorisent les échanges thermiques avec les vapeurs froides entourant le coaxial. 2568727 La vue en coupe de la figure 3 illustre un premier mode de réalisation dans lequel le diélectrique est un fil 9 bobiné en héLice sur le conducteur central 6. Le conducteur extérieur 10 possède une fente. On ménage ainsi un espace hélicoldal 16 entre les conduc- teurs extérieur et intérieur, ce qui permet aux vapeurs froides de pénétrer à l'intérieur du dispositif et d'entrer en contact avec le diélectrique et le conduc- teur intérieur. La figure 4 illustre un autre mode de réali- sation de la ligne coaxiale selon l'invention, dans lequel le conducteur extérieur 10 est pourvu de trois fentes longitudinales parallèles 12a, 12b, 12c. Dans ce mode de réalisation, le diélectrique 8 est constitué de pièces 18 de section trapézoidale dont les extrémités sont en contact d'une part avec le conducteur central 6 et d'autre part avec la face interne du conducteur ex- térieur 10. Dans l'exemple représenté, les éléments 18 sont assemblés par groupes de trois dans une section droite du coaxial, les groupes étant régulièrement ré- partis le Long du conducteur central 6 et séparés les uns des autres. On ménage ainsi un espace important entre les conducteurs interne et externe, ce qui permet une forte pénétration de vapeurs froides à l'intérieur du dispositif. Bien entendu, l'homme de l'art peut faire varier en fonction de chaque cas particulier la forme, le nombre et la disposition des éLéments 18. La figure 5 illustre un mode de réalisation dans lequel le conducteur extérieur 10 est muni d'une seule fente 12 ayant une forme d'hélice. Dans le cas de la figure 6, le conducteur extérieur est équipé d'une fente 12 parallèle à son axe, tandis que, dans le cas de la figure 7, le conducteur extérieur 10 est consti- tué d'un certain nombre d'éléments tels que 20 qui se chevauchent partiellement sans être en contact les uns avec Les autres pour certaines portions de façon à ménager des fentes 2Z qui permettent la pénétration des vapeurs froides à l'intérieur du dispositif. Il est bien entendu que Les éléments 20 doivent être en con- tact les uns avec les autres à d'autres endroits afin d'assurer la continuité électrique de l'ensemble. La figure 8 illustre une application particu- lière du coaxial selon l'invention à la détection du niveau d'une masse d'hélium liquide. On voit sur cette figure un récipient 2 sem- blable au récipient 2 de la figure I et qui contient une masse 24 d'hélium liquide dans laquelle plonge une ligne coaxiale conforme à l'invention, portant la réfé- rence 4 et dont l'extrémité se trouve au-dessous du niveau No. Si l'interface entre le liquide et sa vapeur se trouve au niveau de la ligne, l'impédance de celle- ci peut varier du fait de la différence entre les cons- tantes diélectriques de la vapeur et du liquide. On peut alors détecter le niveau de la masse d'hélium li- quide. On peut établir un contrôle complet du niveau de cette masse en déclenchant, grâce à un appareillage approprié, une alimentation qui maintient le niveau sensiblement constant. Ainsi, la ligne coaxiale objet de l'invention présente des avantages intéressants, dont le principal est de ne pas apporter de perturbations thermiques im- portantes à l'intérieur d'un dispositif cryogénique, puisque tous les éléments constituant cette ligne se trouvent à La même température qui est celle des va- peurs froides environnantes. De plus, de tels disposi- tifs sont simples à réaliser et trouvent de nombreuses applications soit pour l'étude de phénomènes électri- ques ou électroniques se déroulant à très basse tempé- rature, soit pour contrôler le niveau d'une masse d'hélium ou d'un-autre gaz liquéfié. REVENDICATIONS 1. Ligne coaxiale utilisable dans un disposi- tif cryogénique, du type comportant un conducteur cen- tral ou âme (6) entouré d'un diélectrique (8) lui-même entouré d'un conducteur extérieur (10) ayant sensible- ment la forme d'un tube, caractérisée en ce que le dié- lectrique (8) présente une grande porosité ouverte et en ce que Le conducteur extérieur (10) présente au moins une ouverture (12) permettant la pénétration de vapeurs froides à l'intérieur du dispositif. 2. Ligne coaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite ouverture (12) est une fente longitudinale. 3. Ligne coaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite ouverture (12) est une fente en forme de spirale. 4. Ligne coaxiale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur extérieur (10) est constitué de plusieurs éléments (20) se recouvrant par- tieLlement sans contact dans certaines zones afin de ménager des ouvertures (22), la continuité électrique dudit conducteur extérieur (10) étant cependant mainte- nue. 5. Ligne coaxiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le diélec- trique (8) a une forme hélicoidale. 6. Ligne coaxiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le diélec- trique (8) se compose de plusieurs éléments (18), sépa- rés les uns des autres et dont chacun est en contact avec le conducteur central. (6) et avec le conducteur extérieur (10). 7. Ligne coaxiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le conduc- teur central (6) a lui-même la forme d'un tube creux présentant au moins une ouverture (14). 8. Application de la ligne coaxiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, à la détection de niveaux.