Brevet FR2571128A1 — publié le 19860404

- 1 - La présente invention se rapporte aux dispositifs cryo- statiques tels que ceux utilisés pour les dispositifs pho- todétecteurs fonctionnant à une température très basse. Comme représenté sur la figure 1, les photodétecteurs 3 sont habituellement montés sur l'embout 2 d'un doigt 1 entouré par une paroi 4 formant avec ce doigt une encein- te étanche. La paroi 4 est munie d'une fenêtre 7 faisant face au détecteur 3 afin de laisser passer les rayonnements à détecter. Dans les dispositifs de l'art antérieur, l'enceinte est mise sous vide par pompage dans l'espace 6 interparois grâce à un queusot de pompage 8. Une telle isolation néces- site une mise en oeuvre longue et coûteuse. En effet, les parois de l'enceinte doivent répondre aux exigences méca- niques et d'étanchéité liées à la présence de vide. Un tel procédé est long et coûteux. L'invention vise à réaliser l'isolation thermique sans réaliser de vide dans cet espace interparois mais au con- traire à effectuer un bref dégazage de l'enceinte et à in- troduire au moins un gaz. Le gaz de l'invention est introduit sous une pression partielle convenablement choisie, ce gaz possédant une fai- ble conductivité thermique. Ce gaz est en particulier choisi par ceux transparents aux longueurs d'onde des rayonnements à détecter, inertes dans les conditions d'utilisation des photodétecteurs. Ce gaz est choisi parmi le Xénon, le Krypton, l'Argon, l'Azote, le dioxyde de Carbone, le protoxyde d'Azote ou un mélange de ces gaz. Les chaleurs latentes de sublimation ou de vaporisation de ces gaz augmentent de façon notable l'autonomie de ces cryostats. L'invention prévoit également de récupérer le fluide frigorifique en sortie du doigt froid pour être appliqué dans une chemise entourant la paroi externe du cryostat. L'invention permet de réaliser un dispositif cryostati- que à durée de fonctfonnement améliorée par rapport aux sys- tèmes connus. En outre, l'absence de vide facilite la réa- lisation des étanchéités et la rechercne de matériaux pré- _2 - sentant une résistance mécanique pour réaliser cette paroi. Un tel système présente également une fiabilité accrue. Enfin, le système de l'invention est beaucoup plus écono- mique. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. La figure I représente un schéma d'un cryostat de l'art antérieur. La figure 2 représente un diagramme bien connu de la thermodynamique des changements de phases des corps purs. La figure 3 représente des enregistrements de temps de mise en froid selon l'art antérieur et selon l'invention. La figure 4 représente des courbes comparatives des autonomies. En se référant à la figure 1, l'invention consiste es- sentiellement à effectuer dans l'espace 6 interparois un bref degazage de l'enceinte entourant le doigt 1 supportant le photodétecteur puis à introduire, dans cet espace 6, un gaz ou un mélange de gaz à faible conductibilité ther- mique aux pressions partielles convenables. La figure 2 représente les courbes d'équilibre entre les trois phases pour un corps pur. On constate que, la pres- sion partielle du gaz de l'invention étant choisie, dans certains cas, la température de fonctionnement Tg du pho- todétecteur impose un équilibre des phases liquide-vapeur ou solide-vapeur; la pression de la vapeur saturante dé- croit alors jusqu'à la pression d'équilibre Pt correspon- dante. Pour les autres cas, le gaz de l'invention demeure en phase vapeur sèche. Après coupure ou épuisement de l'alimentaticrn frigori- fique, la chaleur latente de sublimation du gaz condensé est récupérée et contribue à maintenir la température du doigt froid pendant la durée du changement de phase. En effet, en se reportant à la figure 3, la courbe A représen- te les variations de température d'un cryostat classique sous vide en fonction du temps tandis que la courbe B re- présente la variation de température d'un cryostat selon l'invention. Soit 9 le temps de refrigération; la cour- o -3- be est sensiblement linéaire depuis la température Ta ambi- ante jusque vers 120 K puis s'infléchit rapidement pour atteindre la température de liquéfaction du gaz frigorigè- ne pendant les éventuels changements de phases du ou des gaz contenus dans le dispositif cryostatique. Lorsqu'on ces- se de refrigérer le cryostat, dans les systèmes classiques, la température croit quasi linéairement dans le temps. L'au- tonomie de fonctionnement AO' de tels systèmes classiques A correspond à la durée d'utilisation du photodétecteur tan- dis que, dans le cryostat de l'invention, la temperature conna't un second palier correspondant à la chaleur laten- te de sublimation du gaz de l'invention. Ceci a pour effet d'accroître artificiellement la capacité calorifique du cryo- stat B et, par conséquent, d'accroître l'autonomie OB de fonctionnement du détecteur comme illustré sur la figure 4. L'autonomie du système B peut sensiblement être augmentée selon le gaz utilisé. Ce gaz peut être le Xénon, le Krypton, l'Argon, l'Azote, le dioxyde de Carbone, le protoxyde d'Azote ou un mélange de ces gaz. Un tel système permet de ne plus nécessiter un pompa- ge dans l'ultravide, pompage qui était onéreux et long. La structure mécanique de l'enceinte peut devenir de ce fait plus simple et moins lourde. Les étanchéités et les connexions électriques des photodétecteurs peuvent être conçues plus facilement. Le dispositif de l'invention permet également un stockage plus fiable. En outre, le queusot du dispositif peut être réduit en encombrement, la conductance de cette pièce à l'égard du pompage ne devient plus un critère de définition mécanique. ' Il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser la chaleur de vaporisation du gaz en fonction du mélange de gaz choisi. Le système de l'invention s'applique également à l'iso- lation thermique des cryostats. Le cryostat considéré, de type classique ou selon l'invention,comporte un doigt froid qui est un tube calibré à paroi mince. Ce doigt froid sup- porte un mini refroidisseur à détente Joule-Thomson dont la puissance frigorifique est convenablement choisie. L'espace libre 6 entre la paroi 4 externe du cryostat -4- figure 1) et le doigt froid 1 peuvent donc être sous vide ou sous une pression de gaz ajustable selon le cahier des charges du dispositif cryostatique. L'invention consiste à améliorer encore l'autonomie des cryostats en récupérant au moins une partie du fluide fri- gorifique alimentant le refroidisseur à la sortie de l'échan- geur à contre courant (sortie basse pression) et à canaliser le gaz froid résultant dans une chemise accolée à la paroi chaude. Cette thiermalisation de la-paroi chaude du cryostat, d'une part, réduit l'écart de température entre les envelop- pes intérieure et extérieure du cryostat, diminuant de ce fait les pertes thermiques et augmentant corrélativement l'autonomie de fonctionnement, d'autre part, assure un dé- sembuage éventuel de la fenêtre 7 du cryostat. Le dispositif cryostatique de l'invention présente de très nombreux autres avantages tels que la suppression de getters destinés à maintenir le vide; il autorise enfin l'usage à l'intérieur du cryostat de divers produits orga- niques plus performants (colles époxydes, noirs organiques, ) mais peut être plus dégazants et, par le fait, inuti- lisables dans le vide. REVENDICATIONS 1 - Dispositif cryostatique pour photodétecteurs com- prenant notamment un doigt (1) porté à basse température supportant au moins un photodétecteur (3) et une paroi (4) entourant ledit doigt, ladite paroi (4) comportant une fe- r nAtre transparente aux rayonnements à détecter en face du photodetecteur, caractérisé par le fait que l'enceinte dé- limitée par le doigt froid et ladite paroi est remplie d'au moins un gaz sous une pression partielle convenablement choi- sie, ledit gaz possédant une faible conductivité thermique. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ledit gaz est choisi parmi ceux transparents aux longueurs d'onde des rayonnements à détecter et iner- tes dans les conditions d'utilisation des photodétecteurs. 3 - Dlspositif selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé par le fait que ledit gazest choisi parmi le Xénon, le Krypton, l'Argon, l'Azote, le dioxyde de Carbone, le protoxyde d'Azote ou un mélange de ces gaz. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que les chaleurs latentes de subli- mation ou de vaporisation desdits gaz augmentent de façon notable l'autonomie desdits cryostats. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que le fluide frigorifique est ré- cupéré en sortie du doigt froid pour être appliqué dans une chemise entourant la paroi externe dudit cryostat.