Patrick Pari, Philippe Forget, Matthieu De Combarieu CEA-SPEC · -Pas de calorimètre à 4.2K,...
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• Comparaison énergie/techno entre systèmes DRY et WET
• Caractéristiques comparées PT : [email protected] /[email protected]
• La dilution en deux mots. He3 : 4000€ /l (NTP). Sport couteux..
• Canne à dilution sans étage 1K, source d’inspiration…..
• La machine historique de 87 (Stirling). Quelle drôle d’idée…..
• Les premiers prototypes de laboratoires.
• Performances de notre première machine DRY (PT) (2008)
• Prototype de la Quantronique (D.Estève) autour d’un PT407
• La machine de Claire et Emiliano. Histoire de famille….
• Les machines commerciales
• Conclusion
Patrick Pari, Philippe Forget, Matthieu De Combarieu CEA-SPEC
PRINCIPE des CRYOSTATS A DILUTION SANS LIQUIDES CRYO (DRY)
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COMPARAISON 4K WET/DRY
• Cryogénie avec hélium liquide (WET) (vase DEWAR)
• Liquéfacteur type LPS (Air Liquide HELIAL)
• 75KWh, 350l/J, Eau : 9 m3/J
• Cryogénie sèche (DRY)
• Tube pulsé type PT410 CRYOMECH
• 7.5KWh, 10l/J, (18l/J), Eau : 7 m3 /J
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Rendement de Carnot VS puissance
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Coût moyen journalier par manip DRY Nécessité d’utiliser une boucle froide
Prix de l’électricité : 0.06 €/KWh
• Prix de l’eau de ville : 3 €/m3 (7 m3 /J)
• Coût journalier en eau perdue:
11 € (électrique) + 21 € (eau) = 32 €/j
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CRYOMECH PT 407 , [email protected] CRYOMECH PT 410 , [email protected]
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CRYOSTATS WET
Inconvenants 40€/j (base 10l/j à 4€/l) -Espace expérimental plus réduit (Ø : 150mm H:150mm ) -Mise en œuvre délicate (IVC) -Fonctionnement Manuel à semi automatique. Donc + de présence. -Mauvaise utilisation → conséquences importantes sur la consommation He . -Ne permet pas d’accueillir plusieurs expériences. -Puissance disponible faible sur l’étage 4K: -350 mW →12l/j d’hélium
Avantages
-moins d’eau (pompes turbo 2m3/J)
-moins d’électricité (banc de pompage 4KWh)
-moins de vibration et de bruit
-aucune pièce mécanique (pas de maintenance)
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CRYOSTATS DRY Utilisation avec boucle eau froide
Avantages 11€/j
-Espace très important (Ø : 300mm H:300mm )
-Mise en œuvre très simple (pas d’IVC)
-Fonctionnement automatique, contrôle a distance
-Mauvaise utilisation (vide) sans conséquence sur
la consommation électrique ( 7.5KWh).
-Permet d’accueillir plusieurs types d’expériences.
-Puissance disponible importante sur l’étage 4K:
-200mW pour un PT407 (0.7W@4K)
-350mW pour un PT410 (1W@4K)
-Pas de calorimètre à 4.2K, uniquement des écrans.
-Inconvénients
-Vibrations (pb pour les expériences à basse fréquence)
-le bruit
-Maintenance mécanique (compresseur +tête froide)
--Machine thermique donc pas de de température de
référence ( T=4.2K hélium liquide)
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Compresseur 7.5KWh + 7m3/j d’eau
Cryostat à dilution
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0.7
0.1
Dilute phase
Concentrated phase
Dilute phase
Concentrated phase
0.87
T=0.7K T=0.5K
He4 : 20%
He3 : 80%
He4 : 60%
He3 : 40%
He4 : 10%
He3 : 90%
He4 : 80%
He3 : 20%
He4 : 0%
He3 :100%
He4 93.6%
He3 : 6.4%
TC
TMC
T<0.1K
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100%Liquid
100%Vapor
Dilute phase
Limit concentration
6.4%
Concentreted phase
100% Liquid
1%
Still
π+PF=CTE
Dilute column
Pur He3 fridge
QEXT=n3 ( 96 Tmc2-12 TC
2 ) Js-1
QEXT=84 n3 Tmc2 J s-1 perfect exchangeurs
π: Osmotic pressure of He3 Pf : Fontaine pressure of He4
Dilution
He3 : plus de 4000€/l (NTP)
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CLASSICAL DILUTION REFRIGERATOR CYCLE AND DIAGRAM
He4
pumping
He3
pumping
1K pot
still
Mixing
chamber
CLASSICAL DILUTION REFRIGERATEUR CYCLE
z1
z2
He4 bath
at 4K
0.2 l/h < liquid helium flow < 1 l/h
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DILUTION STICK
Condensation from 4.2K
Précooling mixture in the counter-flow exchanger
Compressor
Pump
He4 bath : 4,2K
Still
Ts ≈ 0,8K
Mixing chamber
Joule Thomson stage
Z1
Z2
Cold vapors from the still P=0.1mb
Moins de 5l d’He3
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MINI FRIDJE 10mK DIAMETRE 30mm
BOITE A MELANGE PLASTIQUE
T=10mK
ECHANGEUR J-T
BOUILLEUR 0.8K
ECHANGEUR CONTINU
ECHANGEURS DISCRETS POUDRE AG
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FREE DILUTION REFRIGERATOR OF 1987
Vaccum jacket
70K cooper shield STIRLING machine 1W@20K
Gas exchanger
Pumping tube aroud
two stages of cold head
IVC thread
10K
He4
Joule Thomson
1K pot
He3
Joule Thomson
Still
Continuous
Exchanger
Mixing chamber
70mK
Advances in Cryogenic Engineering 1990
P.Pari « dilution refrigerator with no liquid helium supply »
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Bibliographie :
many papers by Kurt Uhlig
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T. Prouvé, H.Godfrin, C.Gianèse. S.Triquenaux, A.Ravex
EX2
EX1
DEVELOPPEMENT OF DILUTION REFRIGERATOR
PRECOOLING BY A PULSED TUBE
Thesis of Thomas Prouvé
( Joseph Fourier University, GRENOBLE) 2007
Copper braide
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6K 26K
EX2 500mW@6K EX1 700mW@20K
0H 18
8 0H 18
8
0H 18
8
BETWEEN 6K AND 26K ITS POSSIBLE TO CHARGE THE REGENERATOR
WITHOUT REDUCING THE COOLING POWER ON THE SECOND STAGE OF PT
0H 18
8
0H 18
8
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1
23
4
7
8
9
T<4K
DOUBLE STILL
T=0.8KNORMAL STILL
T=0.8K
12Tc2
MIXING CHAMBER
T<15mK
96 Td2
54Td2
RADIATOR
L>L0
65 10
11
THERMAL IMPEDANCE
JOULE-THOMSON STAGE
PRECOOLING MIXTURE
9
NORMAL JT DILUTION STAGE DOUBLE STILL JT DILUTION STAGE
LIQUID HELIUM
PUMPING LINE SECOND STAGE
OF PULSE-TUBE
4.2K
3.5K
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4K aluminium shield
1K cooper shield
70K aluminium shield
Very-low temp
Cooper plate
PT 407
Customer input
Second stage
exchange gas
First stage exchange gas
Dilution pumping line
DRY DILUTION REFRIGERATOR
WITHOUT COLD SOLIDS CONTACTS AND NOT IVC
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2 COPPER SHIELDS COOLED
BY THE REGENERATOR
SECOND STAGE
EXCHANGERS
FIRST STAGE
EXCHANGER
JOULE THOMSON STAGE
NORMAL STILL
DOUBLE STILL
1K PLATE
CONTINUOUS
EXCHANGER
0.1K PLATE
TWO SILVER POWDER
EXCHANGER
THERMAL IMPEDANCE
TUBE BETWEEN D.B
AND MIXING CHAMBER
MIXING CHAMBER
EXCHANGERS BETWEEN FIRST STAGE AND
SECOND STAGE OF PT . 4K COPPER PLATE
Rt ~ 1K/W
Rt ~ 2K/W
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DIAGRAMM OF RAPID COOLING 3<T(K)<300
Start Click to echap to quit
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DIAGRAMM OF NORMAL COOLING 16mK<T<3K Start Click to echap to quit
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60K COPPER SHIELD
4K COPPER SHIELD
ID : 200mm
Lengh : 300mm
1K COPPER SHIELD
GENERAL VIEW OF FREE DILUTION REFRIGERATOR
PROTOTYPE MODEL WITH PT407
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0.01
0.1
1
10
100
156 312 468 624 780 936 1092 1248 1404
Run complet du 20 au 21 novembre 2008
T 1°etage TP
T2°etage TP
T 1°etage radia
T 2°etage radia
T bouilleur 470ohms
T double bouilleur 470ohms
T bouilleur cernox
T 100mk Ruo2
T boite à melange cernox
T boite à melange Ruo2
temps en min
PT1 RPT1 PT2 RPT2 Still Doub
le
Still
100m
K
MC PP PINJ n
47K 61.6
K
3.34
K
3.64
K
0.937
K
0.72
K
60.5
mK
16m
K
9.8
10-2
410m
b
210μmoles
/s
RUNING PARAMETER OF FREE DILUTION REFRIGERATOR
First stage
Second stage
Still
Double still
100mK
Mixing chamber
10 14
T(hours)
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Electronic devices @ 1K (pre amplifiers, …)
Mixing Chamber plate
Additional 20 mK plate
Electronic devices @ 20 mK
DR ESTEVE DEVICE (SPEC/SACLAY) : QUANTUM ELECTRONIC EXPERIMENTS @ 20 mK
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Projet Marrache @ CSNSM
Bride 300 K
Bride 70 K
Bride 4 K
Etage 1 K (Still): 5 mW@850 mK
Etage 10 mK (Mix. Chamber): 5 uW@20 mK, Tmin=13 mK
Pre
-ref
. Azo
te L
iqu
ide
7 heures!
Pre-ref ON Pre-ref OFF
T [K
]
Time
Condensation+descente a 20 mK: 2 heures!
Still: 750 mK
M.C.: 20 mK
PT@2nd stage: 3.75 K
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PERFORMANCES – COOLING A 9 T MAGNET
Projet Marrache @ CSNSM
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Projet Marrache @ CSNSM
Puissance sur la Mixing Chamber
Puissance disponible sur la bride 4 K
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DR GLATTLI DEVICE (CEA/SACLAY) : F 276 MM MIXING CHAMBER PLATE
< 21 h from 300 K to < 20 mK
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THERMAL SWITCH BETWEEN 4 K STAGE AND 1 K STAGE
< 17 h from 300 K to < 20 mK
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fast cool down (17h from 300 K to < 20 mK)
up to 7 mW @ 20 mK up to 400 mW @ 100 mK
large experimental space (up to f300 mm x h=300 mm)
15l d’He3
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50K plate
3K plate
Still plate
50mK plate
Mixing chamber plate
JT heat exchanger
Continuous heat exchanger
Sintered heat exchanger
3 clear 50mm shot tubes
CRYOGEN-
FREE
Models
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COMMERCIAL DRY DILUTION REFRIGERATOR LYDEN CRYOGENIC (Giorgio Frossati)
PT 415 : [email protected]
300K flange (dural)
First stage 50K
Second stage IVC 3K
Joule-Thomson
1K flange
0.1K flange
Mixing chamber flange
Direct contact by screw between
Second stage and copper flange
CRYOGEN-
FREE
Models
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CONCLUSION
• Dilution DRY 4 à 6 fois moins cher à l’utilisation que le WET.
• Maximum de place….
• Cryogénie DRY : fonctionne + de 300Jours/ an!
• Mais on remplace des récipients par des machines….
• Pas trop de recul sur la fiabilité des PT.
• Écarts de performances entre différentes machines.
• Boucle froide indispensable
• Technique au point. Minimum 4 Sociétés sur ce marché.