Academic literature on the topic 'Instrumentation cryogénique'

Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l'investigation du fonctionnement des technologies bipolaires, et plus particulièrement des technologies BiCMOS SiGe, pour une utilisation à température cryogénique. Un état de l'art sur les transistors bipolaires et les bruits électroniques que l'on rencontre sur ce genre de technologie sont donnés avec une approche orientée vers les basses températures. Ces rappels permettent d'aborder les mesures, des paramètres basse fréquence et du bruit, réalisées sur des transistors bipolaires silicium et sur deux technologies SiGe à 300 K, 77 K et 4.2 K. Il est ensuite présenté deux réalisations d'ASIC cryogénique en technologie standard BiCMOS SiGe. La première est un amplificateur bas bruit (1 nV/sqrtHz) et large bande (1 GHz) fonctionnant à 77 K. Il est destiné à la caractérisation de bolomètres supraconducteurs YBaCuO à électrons chauds. La seconde réalisation est un circuit de lecture et de multiplexage de matrice de SQUID. Il est, en particulier, présenté le développement, la réalisation et le test d'un amplificateur ultra bas bruit (0.2 nV/sqrtHz) avec deux entrées multiplexées fonctionnant à 4.2 K.

La résolution des interféromètres gravitationnels est limitée par le mouvement Brownien - ou bruit thermique - de leurs miroirs dans la partie centrale de leur bande de détection, entre 10Hz et 1kHz. La répartition en fréquence de ce bruit thermique est dictée par les mécanismes de dissipation d'énergie mécanique à l'origine de cette vibration aléatoire, en accord avec le théorème fluctuation-dissipation. Cette dissipation provient principalement des revêtements optiques déposés sur les miroirs pour leur donner leur réflectivité. Dans le but de réduire le bruit thermique, une nouvelle génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles employant des miroirs refroidis à température cryogénique a été proposée. Le développement de nouveaux matériaux optiques en couche mince à faible dissipation mécanique, opérant à la fois à température ambiante et température cryogénique, demande donc de nouveaux outils expérimentaux. L'objet principal de cette thèse est la construction d'un nouvel instrument, le CryoQPDI, qui consiste en l'association d'un interféromètre haute résolution et d'un cryostat basé sur un refroidisseur pulse tube. Il est capable de mesurer directement le mouvement Brownien d'un microlevier entre 300 K et 7 K. En combinant des mesures effectuées sur un microlevier avant et après le dépôt d'une couche mince, il est possible de caractériser la dissipation mécanique interne de cette couche mince. Cet instrument participera ainsi à l'optimisation des revêtements optiques des futurs interféromètres gravitationnels, dans le but de minimiser les nuisances dues au bruit thermique
The resolution limit of gravitational wave interferometers is set by their mirrors' Brownian motion – or thermal noise - in the central part of their detection band, from 10Hz to 1kHz. This thermal noise frequency distribution is given by the mechanical energy dissipation mechanisms it originates from, in agreement with the fluctuation-dissipation theorem. This dissipation mainly derives from the optical coatings deposited on the mirrors to give them their reflectivity. To reduce this thermal noise, a new generation of gravitational wave detectors employing mirrors cooled to cryogenic temperature has been suggested. The development of new optical thin-film materials with low mechanical dissipation, operating at both room and cryogenic temperatures, therefore requires new experimental tools. The main object of this thesis is the construction of a new instrument, the CryoQPDI, which is an association between a high-resolution interferometer and a cryostat based on a pulse tube cooler. It can directly measure the Brownian motion of a microcantilever between 300 K and 7 K. By combining measurements made on a microcantilever before and after the deposition of a thin film, it is possible to characterize the internal mechanical dissipation of this thin film. This instrument will eventually contribute to the optimisation of optical coatings of future gravitational wave detectors, aiming at minimizing the limitations due to thermal noise

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryog&nique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures infèrieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanèment, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

Plusieurs missions sur satellite sont proposées pour résoudre un grand nombre de questions sans réponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions nécessitent des températures inférieures à 0,1 K pour fonctionner efficacement. Cette exigence signifie que la chaîne de refroidissement est un élément crucial de la conception du satellite. Les spécifications cryogéniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l'état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifique plus élevée à une température inférieure et avec à une durée de vie prolongée de 5 à 10 ans. Cela a motivé le développement d'un réfrigérateur à dilution 3He-4He en boucle fermée. Cette conception est basée sur le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigorifique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace après le processus de dilution . Pour surmonter ces limitations, le cycle a été fermé par la séparation des isotopes de l'hélium à basse température avant de les réinjecter dans le réfrigérateur . Cette thèse décrit les progrès réalisés dans le développement et dans la compréhension de ce nouveau système, et montre que les exigences de refroidissement (1 µW à 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un problème lié à la micro-gravité : la séparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos résultats expérimentaux montrent que le confinement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravité négative est possible. Ces résultats ont guidé la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravité, dernière étape du développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée adapté à la micro-gravité.

Cette thèse expérimentale explore les propriétés supraconductrices du silicium très fortement dopé, en particulier au bore, ainsi que les propriétés physiques anormale observées à plus hautes températures. La supraconductivité de Si:B est obtenue sous 1K, pour des dopages en bore supérieurs à la limite de solubilité du bore dans le silicium. Le Si:B est métallique à ces taux de dopage. Dans une première partie, nous exposons les différentes techniques expérimentales exploitées au cours de cette thèse. Nous expliquons les différentes techniques de dopage hors équilibre identifiées pour doper du silicium au-delà de la limite de solubilité, puis les techniques de caractérisation pour contrôler la qualité des couches dopées obtenues, ainsi que les méthodes de mesures aux très basses températures. Dans une deuxième partie, nous exposons les résultats obtenus sur la supraconductivité de Si:B en faisant varier dans un premier temps le taux de dopage en bore, puis en renouvelant l'étude à différentes épaisseurs de couche dopée. Nous montrons notamment que l'évolution de la Tc avec le couplage électron-phonon $lambda$ ne suit pas une loi de McMillan classique, mais plutôt une loi de puissance comme celle observée dans le cas du diamant supraconducteur. Nous montrons que ce résultat peut être expliqué dans le cadre d'un modèle d'un supraconducteur à deux couches de $lambda$ différents. En étudiant la dépendance en température et angulaire de Hc2, nous montrons que Si:B est un supraconducteur intrinsèquement de type I, mais qui devient de type II sous effet d'impuretés, et que la supraconductivité est à caractère bidimensionnel. Dans une troisième partie, nous présentons des comportements anormaux de certaines caractéristiques physiques mesurées dans certaines séries de Si:B, à partir de 50K et qui persistent jusqu'à au moins 400K. Nous présentons des mesures de magnétotransport, d'effet Hall et de mesures thermoélectriques qui présentent toutes des caractéristiques hautement non linéaires, et donc anormales pour un métal. L'origine de ces anomalies est toujours ouverte. Enfin, nous présentons quelques perspectives de travail, en particulier les premières mesures sur un échantillon avec une géométrie de type SQUID.

L'objectif de cette thèse était de développer un magnétomètre à force de Faraday pour mesurer des valeurs absolues de l'aimantation à très basse température (30 mK) et fort champ magnétique (16 T) avec une haute sensibilité (10-5 emu). Ce magnétomètre sera principalement utilisé pour sonder les propriétés induites sous champ dans les systèmes magnétiques frustrés.Dans une première partie, je détaille le développement de ce magnétomètre. Cela comprend l'optimisation du réfrigérateur à dilution et de bobines de gradient de champ ainsi que le développement d'une détection capacitive avec un étage amplificateur à froid pour améliorer la sensibilité de la mesure. Les mesures magnétiques préliminaires sont présentées. Les changements nécessaires pour rendre le magnétomètre opérationnel sont discutés.Dans une seconde partie, je présente l'étude expérimentale de systèmes magnétiques frustrés: des grenats de Gadolinium, décrits par des spins classiques, et des composés moléculaires frustrés à base de Cuivre, pour sonder les effets quantiques. Ces mesures ont été réalisées entre 70 mK et 300 K sur les magnétomètres existant à l'Institut Néel.Dans Gd3Ga5O12, nous avons complété le diagramme de phases H-T. Nous avons montré la robustesse de ce diagramme de phases par notre étude sur le composé isomorphe GGd3Al5O12. Nous avons mis en évidence la convergence de toutes les phases observées en un unique point dans les deux systèmes.Dans les systèmes quantiques, nous avons réalisé des études préliminaires sur des clusters Cu44 à base de tétraèdres, et un système triangulaire Cu3. Bien que prometteuses, nous n'avons pas approfondi ces études à cause de problèmes d'échantillons
The objective of this work was to develop a Faraday force magnetometer to measureabsolute values of the magnetization at very low temperatures (30 mK) andhigh applied magnetic fields (16 T) with a high sensitivity (10-5 emu). This magnetometer will be especially dedicated to the study of the field induced properties of frustrated magnets.In a first part, I present the development of this magnetometer. It involves the optimization of the dilution refrigerator and field gradient coils, and the development of a capacitive detection with a cold amplifier stage to improve the measurement sensitivity. Preliminary magnetic measurements are shown. The changes in the design required to make the magnetometer operational are discussed.In a second part, I focus on experimental studies of frustrated magnets: Gadolinium garnets, described by classical spins, and Copper based frustrated molecular compounds, to probe quantum effects. These measurements were performed from 70 mK to 300 K, with the existing magnetometers at the Institut Neel.In Gd3Ga5O12, we have complemented the H-T phase diagram. This phase diagram was proven to be robust by our study on the isomorphous compound, Gd3Al5O12. We evidence the convergence of all the observed phases to a unique point in both samples.In quantum systems, we performed preliminary studies on Cu44 clusters with tetrahedral motives, and on a triangular system Cu3. Although promising, these studies were not pursued due to sample problems

La mesure du rayonnement cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background) en est à un point crucial. Les expériences qui le mesurent sont de plus en plus sensibles et précises. Ce manuscrit présente deux instruments dont l'objectif est de mesurer les anisotropies de température de ce rayonnement. Dans une première partie nous présentons le travail effectué sur l'optimisation du refroidissement des détecteurs grâce a une dilution en cycle ouvert de l'3He dans l'4He dans le cadre de l'expérience satellite Planck. Trois types de supports pour l'échangeur à contre-courant permettant d'atteindre 100 mK avec une puissance disponible de 100 nW sont étudiés. Lors des essais, nous avons approfondi la compréhension de phénomènes physiques présents dans une dilution à cycle ouvert. La deuxième partie présente un filtrage original pour atteindre une grande stabilité de température à 100 mK. En réalisant différentes expériences nous démontrons l'efficacité d'un filtre continu à forte capacité calorifique. Ce filtre, en HoY, a été qualifié d'un point de vue spatial afin d'être utilisé pour le satellite Planck. La troisième partie de ce manuscrit est entièrement consacrée à l'expérience Archeops. Dans ce cadre nous avons développé un cryostat spécifique pour la mesure en ballon stratosphérique. Cette expérience nous a permis d'approfondir plusieurs domaines de la mesure du CMB telles que la bolométrie, l'électronique et l'analyse d'un signal complexe. Les données prometteuses du dernier vol devraient contraindre les paramètres cosmologiques.