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Objet

Le processus de transfert de chaleur entre un solide et l'hélium superfluide continue de susciter un intérêt fondamental pour les physiciens et appliqué auprès des utilisateurs de matériaux refroidis par l'hélium superfluide c'est-à-dire les concepteurs d'accélérateurs de particules. Dans ce dernier cas en effet, la surtension des cavités supraconductrices en Niobium qui est directement liée au champ électrique accélérateur dépend sensiblement du lien thermique entre le matériau siège de pertes et le milieu réfrigérant. Pour les physiciens, le désaccord d'un facteur de l'ordre de 20 à 50 entre théorie et expérience reste un mystère. La convergence des motivations existe.

Description

La mesure d'une barrière thermique dans un processus de transfert entre un solide et un fluide est rendue délicate pour plusieurs raisons bien connues des thermiciens. Le matériau solide doit être homogène et isotrope. Le flux de chaleur mis en jeu doit être parfaitement connu et contrôlé. La mesure du champ de température ne doit pas perturber le processus. La conductivité thermique du matériau doit être connue partout. Lorsque l'état de surface du matériau, à l'interface solide - hélium superfluide, est un paramètre, on doit être à même d'en estimer la caractéristique et l'influence. Chacun de ces facteurs est en soi un problème complexe. L'étude récente, profitant de la mise au point d'une cellule expérimentale originale et performante (figure 1), s'est attachée à comprendre le rôle de la pureté en volume du matériau ainsi que celui de son état de surface.

Résultats et perspectives

Les expériences ont été menées tout d'abord sur deux échantillons de même état de surface et de pureté massique différente caractérisée par un RRR de 178 et 650. Les résultats indiquent (courbes 1 et 3, fig. 2) une influence modeste (15%) de la pureté en volume. Les études systématiques de l'influence du traitement de surface montrent que l'électro-polissage, qui diminue la rugosité dans un facteur de 3 à 17, n'augmente la barrière thermique que de 30% [voir courbes (1 et 2) ou (3 et 4), fig. 2]. Ces résultats confirment la possible intervention d'autres modes ou mécanismes à l'échelle microscopique dans le transfert interfacial de chaleur. Une autre expérience a été réalisée par un dépôt d'atomes de Titane sur la surface. Ces atomes se diffusent dans le matériau et favorisent la captation d'impuretés telles que des atomes de H, C, O. Le matériau résultant comporte donc une couche d'impuretés et d'atomes de Titane en surface. Les mesures faites sur le matériau traité (courbe 1, fig.3), puis décapé sur 5 m (courbe 2, fig. 3) montrent une influence réelle des atomes de Titane. En effet, contrairement aux idées reçues, la présence de ces atomes de grande taille dans le bulk près de la surface n'augmente pas le couplage thermique à l'interface.

L'étude actuelle met en jeu des surfaces de silicium monocristallin très planes à l'échelle de l'angström afin d'élucider les effets de la rugosité de la surface sur le transfert de chaleur à l'interface.

Références

[1] J. Amrit, M. X. François, `` Heat Flow at the Niobium-Superfluid Helium Interface : Kapitza Resistance and Superconducting Cavities '', Journal of Low Temperature Physics, Vol 119, Nos. 1/2 , 2000.

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