Figure

Objet

L'étude du transfert de chaleur en milieu cryogénique: hélium superfluide (He II) se poursuit au laboratoire selon deux axes. Le premier (a) concerne le transfert de chaleur à une interface solide-He II et porte plus précisément sur la détermination de la résistance thermique interfaciale appelée résistance de Kapitza RK. Cette étude est principalement motivée par la recherche de meilleures performances des cavités supraconductrices destinée au futur accélérateur TESLA (DESY Hambourg). Le second (b) a pour objet l'étude du transfert de chaleur en He II à travers les microcanaux d'une isolation électrique, milieu multicouche poreux, ainsi que la détermination des caractéristiques géométriques moyennes de ces microcanaux. Cette étude est demandée pour la conception des conducteurs supraconducteur servant à la réalisation des aimants de guidage du futur accélérateur LHC (CERN Genève).

Contenu

a) RK dépend très fortement de l'état de surface. De plus il existe au moins un ordre de grandeur entre les quelques résultats expérimentaux existants et les théories disponibles. Ces constatations ont conduit à la mise au point d'un dispositif expérimental (fig. 1) de mesure de cette résistance thermique. Il est constitué de deux échantillons identiques, pris en sandwich sur un support cylindrique creux, par deux brides. La cavité ainsi formée est alimentée en HeII par un capillaire. Un flux de chaleur injecté à l'intérieur crée un écart de température de part et d'autre des échantillons et leur mesure permet la détermination de la résistance thermique globale d'où l'on tire RK et la conductibilité du matériau.

(b) Un dispositif expérimental similaire permet d'étudier le comportement thermique des isolations électriques entourant les conducteurs. En effet les performances des dipôles sont très fortement contrôlées par les propriétés thermiques et mécaniques de ces isolants. Ceux-ci sont réalisés à l'aide de rubans de Kapton ou de kevlar assemblés à l'aide de résine epoxy. Ils se comportent comme un réseau très complexe de très petits canaux d'hélium superfluide très difficile à modéliser. Les caractéristiques de transferts thermiques de ces milieux ne sont accessibles qu'expérimentalement et permettent une modélisation approchée (en moyenne) indispensable aux concepteurs. Il faut donc réaliser ces mesures sur chaque type d'isolant.

Situation

(a) RK a été mesurée sur des échantillons de niobium de différentes puretés et avec différents traitements de surface. Nous avons montré que RK varie pour le niobium en fonction des paramètres cités précédemment d'un facteur 2.2, les valeurs les plus élevées étant obtenues pour des niobium de faibles puretés avec état de surface brut et les plus faibles étant obtenues pour les échantillons ayant subi une titanification (dépôt d'une couche de Titane) puis une attaque chimique dans un bain acide. Nous travaillons actuellement sur l'effet du taux d'écrouissage sur la résistance de Kapitza.

(b) Pour le second axe de recherche qui concerne le comportement thermique des isolants électriques, on décèle et mesure une très nette contribution des fins canaux d'hélium au transfert de chaleur particulièrement pour les faibles écarts de température (10^-5 à 10^-3 K). De plus on montre l'existence des deux régimes différents de transfert de chaleur, l'un où l'écoulement de l'hélium est purement potentiel et l'autre où la turbulence superfluide dégrade la qualité du transfert thermique. Par ailleurs on donne les porosités et dimensions moyennes des canaux, permettant ainsi de relier technologie de fabrication et modélisation effective des conduits réalisés.

Références

(1) A Boucheffa : "Mise au point d'un dispositif de mesure de résistance de Kapitza: Application à différents niobium pour cavités supraconductrices". Thèse de doctorat de l'Université Pierre et Marie Curie (Paris VI). Paris, 5 décembre 1994.

(2) A Boucheffa, M. X. François : "Kapitza resistance and thermal conductivity for niobium", Cryogenics, Vol. 34, pp. 297-300. ICEC supplément 1994.

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