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L'hélium
3 est un isotope rare de l'hélium 4. Le mélange
3He/4He a
la particularité de se séparer en deux phases
lorsqu'on
abaisse sa température. Le diagramme de phase est
représenté ci-contre. En dessous du point triple, le mélange 3He/4He liquide se sépare en deux phases : une phase riche en 3He : le concentré, et une phase riche en 4He, le dilué, qui aura environ 6% d'3He à 100 mK et sera en saturation d'3He. Lorsque l'3He passe de la phase concentrée à la phase diluée (s'il n'y a pas saturation d'3He dans la phase diluée), il se produit une absorption de chaleur : l'3He se dilue dans l'4He, agissant comme une "évaporation quantique". |
| Le
mélange binaire 3He/4He circule en circuit fermé
(circuit
d’aspiration et d’injection par les pompes). La
circulation
se fait suivant les points suivants : 1. Les atomes d’hélium se trouvant dans le bouilleur se vaporisent du fait du chauffage. Dans le liquide, la concentration en 3He est faible mais celle dans le gaz évaporé est de l’ordre de 90%, en raison de la différence des pressions de vapeur saturante entre 3He et 4He. Le gaz est pompé par les pompes extérieures au cryostat, puis réinjecté dans le cryostat. Il se condense par passage dans la boîte à 1 K, qui est un bain d'hélium pompé. 2. Il y a diffusion de la boîte à mélange vers le bouilleur. On a une différence de concentration en 3He entre le bouilleur et la boîte à mélange, du fait de l’évaporation décrite précédemment. On a alors migration des atomes d'3He de la boîte à mélange vers le bouilleur. |
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Le dispositif ainsi obtenu, avec un seul réfrigérateur à adsorption en place de condenseur, permet un fonctionnement en "one shot", jusqu'à évaporation complète du liquide contenu dans l'évaporateur du réfrigérateur à adsorption.
Dans notre dispositif, l'3He gazeux évaporé dans le bouilleur n'est pas pompé par un circuit de pompage externe avant d'être recondensé dans une boîte à 1 K comme dans le dispositif de dilution classique. Ici, le mélange 3He/4He accomplit un cycle fermé à l'intérieur du cryostat : le chauffage du dilué dans le bouilleur provoque une évaporation de gaz qui est composé à 90% d'3He, à cause de la différence de pressions de vapeur saturante entre l'3He et l'4He. Ce gaz, à une pression imposée par les températures à la boîte à mélange (BAM) et au bouilleur, va se condenser au point froid imposé par l'évaporateur du réfrigérateur à adsorption, qui est aux environs de 350 mK. Le concentré ainsi condensé se pré-refroidit au contact de la colonne de dilué avant d'entrer dans la BAM. Le chauffage du dilué dans le bouilleur produit une différence de concentration d'3He, qui amène la dilution d'atomes d'3He de la phase concentrée vers la phase diluée.
| Le
réfrigérateur à adsorption
(mono-étagé) est constitué d'une
pompe, d'un tube
relié en son centre à la source froide (plaque
froide),
et d'un évaporateur. Ce réfrigérateur
est rempli
de gaz, hélium 3 ou 4. La pompe contient des charbons actifs qui, selon leur température, adsorbent ou désorbent le gaz à leur surface. Le lien thermique au milieu du frigo sert à condenser le gaz que désorbent les charbons. Lorsque la pompe est chaude (45 à 50 K), les charbons désorbent l'hélium ; quand tout le gaz est désorbé et condensé, il est stocké dans l'évaporateur. Ensuite, on refroidit les charbons de la pompe ; le gaz est alors petit à petit adsorbé sur ceux-ci : on pompe sur le bain d'hélium. La pression diminue au-dessus du bain d'hélium, ce qui a pour effet d'abaisser sa température. |
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