Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 69

Une courte histoire

de la cryogénie

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Yves Laumond (Ai. 162) réussit le défi de raconter la complexe histoire
de la cryogénie en quelques lignes. Passionnant.

Le physicien Heinz London (1907-1970).

Les frères
London,

figures tutélaires
Le principe de fonctionnement a été
donné par Heinz London (1907-1970)
dans une conférence à Oxford en 1951.
Heinz London et son frère aîné, Fritz,
sont des figures de la physique des
supraconducteurs et des basses
températures. Ces deux Allemands juifs
ont traversé les années 30. Lorsque
les lois nazies anti-juives ont été
promulguées en 1933, Fritz a perdu
son titre de professeur à Berlin. Fort
heureusement, ils ont pu rejoindre
la Grande-Bretagne et échapper aux
camps de la mort. Leur nom reste
attaché à la théorie des
supraconducteurs avec la longueur
de London.

donne à ce record repose sur le système antivibratoire qu'il avait calculé et conçu. Il faut
savoir qu'à ces températures, on «chasse» des
pertes thermiques de l'ordre de l'erg par seconde
(0,1 µW). «Une porte qui claque fait monter la
température, précise Yves Laumond. Même
l'arrêt des émetteurs de Chamrousse, à minuit,
était perceptible.»  Henri Frier (Ai. 163)
Sa thèse, «Contribution à l'étude des réfrigérateurs à dilution
d'He3 dans l'He4», a été soutenue le 11 juillet 1972 à
l'université de Grenoble et obtenu la mention «très honorable
avec félicitations du jury».
(2)
Pour mémoire, l'eau gèle à 273 kelvins (0° Celsius) et bout
à 373 K (100 °C). Le zéro absolu, 0 K, équivaut donc à environ
- 273 °C.
(1)

Science des très basses températures,
la cryogénie commence au XIXe siècle avec la
liquéfaction de gaz dits permanents (O2, N2, H2,
Ar, Ne, etc.). En 1898, Dewar liquéfie
l'hydrogène (température d'ébullition 20 K,
environ - 253 °C). Au début du XXe siècle, seul
l'hélium n'a pas encore pu être liquéfié. Il faut
attendre 1908 pour que Heike Kamerling
Onnes y parvienne (température d'ébullition
4,2 K) et, dans la foulée, il découvre en 1911 la
supraconductivité - ce qui lui vaut le prix
Nobel de physique en 1913. La liquéfaction de
l'hélium est un événement considérable.
L'isotope 4He bout à 4,2 K et le 3He à 3,2 K.
C'est le départ de la course vers les ultrabasses températures.
L'hélium est un élément exceptionnel du
tableau de Mendeleïev. On découvre d'abord
que c'est le seul élément de la nature à ne pas
avoir de point triple, ce qui signifie qu'il peut
rester liquide jusqu'à 0 K (zéro absolu, limite
inatteignable selon le second principe de la
thermodynamique). Or, on commence à
atteindre des températures de l'ordre 1 K en
diminuant la pression au-dessus d'un bain de
4
He (0,3 K en utilisant le 3He). Mais l'hélium
n'avait pas fini de nous surprendre. On
découvre, dans les années 30, qu'en dessous
de 2,17 K (appelé point ), il devient
superfluide : il perd toute viscosité. Pour faire
simple, c'est un fluide qui n'oppose aucune
résistance au déplacement.
LES APPAREILS À DILUTION 3HE-4HE
Venons-en aux appareils à dilution 3He-4He. Si
on mélange ces deux isotopes, on obtient
entre 3,2 K et 2,17 K un liquide parfaitement
homogène. Au-dessous de 0,87 K, le mélange
se sépare en deux phases liquides : l'une est
très riche en 3He (phase concentrée) et l'autre
est faible en 3He (phase diluée). Par gravitation,
la phase concentrée se trouve au-dessus de la
phase diluée. Or, on l'a vu, à ces températures
inférieures au point , le 4He est superfluide :
dans la phase diluée, les atomes de 3He ne
«voient» pas le 4He, qui se comporte comme
un «quasi-vide». Ainsi, la phase diluée se
comporte comme un «quasi-gaz».
En résumé, nos deux phases se comportent
comme un liquide 3He en présence de sa
vapeur, sauf que le gaz est en dessous du
liquide. Par suite, le passage des atomes de
3
He de la phase concentrée à la phase diluée
(dilution) est équivalent à une quasiévaporation. Comme toute évaporation, ça
produit du froid. C'est le principe de
réfrigération des appareils à dilution 3He-4He.
Ce phénomène est connu de tous : à la plage,
lorsqu'on sort de l'eau et qu'il fait très chaud,

PRINCIPE DE LA DILUTION
LE CYCLE EFFECTUÉ PAR L'ISOTOPE 3HE
Hélium 3 gazeux
très concentré

Pompe de
circulation

Bain d'azote
liquide à 77K

Hélium à 4,2 K
Condenseur
Hélium
à 1 K
Évaporateur
0,6 K

Impédance

Gaz 3 He
Phase
diluée
Impédance
Vide

Phase diluée
Chambre de mélange

Réfrigérateur à dilution 3He-4He

Sur ce schéma, on peut suivre le cycle effectué par
le 3He. En partant de la chambre de mélange où se
fait la dilution (point le plus froid), la phase diluée
passe dans un échangeur pour remonter jusqu'à
l'évaporateur où on évapore le 3He gazeux qui
circule grâce à une pompe de circulation
fonctionnant à température ambiante (300 K). Ce
flux de 3He redescend dans la machine en se
refroidissant par paliers : 77 K (azote liquide), 4,2 K
(4He liquide), 1 K (4He pompé), 0,6 K (échange
évaporateur), refroidissement dans l'échangeur et,
pour finir, dilution dans la chambre de mélange où
on obtient la température la plus basse.
pourquoi grelotte-t-on ? Parce que l'eau
s'évapore très vite et produit une puissance
frigorifique. Ces appareils sont les
réfrigérateurs qui permettent de maintenir en
continu les températures les plus basses.
Utilisant un appareil à dilution comme
réfrigérateur de départ (voir schéma
ci-dessous), d'autres appareils permettent de
descendre plus bas, mais pas en continu.

Yves Laumond (Ai. 162)
Arts&MétiersMAG

N°422 / Novembre 2020

69



Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020

Table des matières de la publication Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020

ÉDITO
SOMMAIRE
LE MOT DU PRÉSIDENT
CONTRIBUTEURS
À LA UNE
- Indicateurs
- Revue de presse
- Parcours - Xavier Wartelle (Li. 182), l'homme pressé
- Nominations
ENTREPRISE
- Industrie du futur - Renault teste la chaîne de blocs à Douai
- Les ressorts humains du CGR
- Start-up - Plaxtil offre une seconde vie aux masques jetables - Caps Me : fort de café
EXPERTISE
- Gestion financière - Comment réussir une opération de acroissance externe
- Livres - Dans la bibliothèque de la rédaction
DOSSIER VALORISATION DES DÉCHETS
- L'industrie en route vers l'éco-compatibilité
- La filière électrique-électronique doit mieux faire
- Anthony Ramoni (Cl. 196) : «Il faut trouver le bon équilibre entre économie et réalité industrielle»
- Des Gadzarts relèvent le défi
ÉCOLE DE LA TECHNOLOGIE
- L’actualité des campus - CRCT : trois enseignants-chercheurs témoignent
- Concours - Ils ont piloté leur robot en apesanteur
- Formation - Une première chaire autour de la transformation numérique
- Au coeur des labos - Valeo fait appel aux Arts pour son projet Écolocar
- Chambéry et Bordeaux engagés dans l’affichage environnemental
CONFÉRENCES & DÉBATS
- Climat - Changement climatique : le champ des possibles
- Courrier
- Le billet de Michel Harmant (Ch. 161)
HISTOIRE & PATRIMOINE
- Mémoire de Gadzarts - Sur les traces des montagnards de la nuit
- Les funérailles du Duc
- Recherche - Le record mondial de froid continu
LA TUYSSE
- Événement - Les directs d'Arts et Métiers TV : retour sur la première
- V ie de promo - La Châlons 174 s'empare de la question du climat
- In Memoriam - Guy Caumes (Ai. 171) Carnet
CULTURE & LOISIRS
- À lire
- A voir
- Tous matheux
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 1
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 2
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - ÉDITO
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 4
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 5
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 6
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - SOMMAIRE
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 8
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - LE MOT DU PRÉSIDENT
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 10
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - CONTRIBUTEURS
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - À LA UNE
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Indicateurs
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Revue de presse
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Parcours - Xavier Wartelle (Li. 182), l'homme pressé
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Nominations
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 17
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 18
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 19
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Industrie du futur - Renault teste la chaîne de blocs à Douai
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 21
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 22
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 23
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Les ressorts humains du CGR
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 25
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 26
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Start-up - Plaxtil offre une seconde vie aux masques jetables - Caps Me : fort de café
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 28
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 29
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Gestion financière - Comment réussir une opération de acroissance externe
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 31
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Livres - Dans la bibliothèque de la rédaction
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 33
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 34
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 35
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - L'industrie en route vers l'éco-compatibilité
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 37
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - La filière électrique-électronique doit mieux faire
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 39
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Anthony Ramoni (Cl. 196) : «Il faut trouver le bon équilibre entre économie et réalité industrielle»
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 41
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Des Gadzarts relèvent le défi
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 43
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 44
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 45
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 46
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 47
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 48
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - L’actualité des campus - CRCT : trois enseignants-chercheurs témoignent
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Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 60
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 61
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 62
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Le billet de Michel Harmant (Ch. 161)
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Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Événement - Les directs d'Arts et Métiers TV : retour sur la première
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Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 73
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Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - À lire
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - A voir
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 81
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - - Tous matheux
Arts&MétiersMag - N°422 - Novembre 2020 - 83
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