Vannes cryogéniques et aimants supraconducteurs
Refroidissements des aimants supraconducteurs
Pour dégager une champ magnétique intense (plusieurs Tesla), les aimants supraconducteurs doivent être refroidis à 2 kelvins, ou moins. A ces ultras basses températures, la résistance des bobines devient infime et le champ magnétique des aimants augmente considérablement.On utilise des fluides caloporteurs spécifiques pour ce refroidissement,à des températures très basses, cryogéniques et des vannes cryogéniques spécifiques
Quelques éléments de thermodynamique
la plupart des corps ont un diagramme de phase montrant 3 états : Solide / Liquide / Gaz
Diagramme de phase classique
L’hélium à d’autres propriétés ,du à un état supplémentaire existant dans certaines conditions , et appelé état superfluide
Le point triple a disparu, et une surface apparait contenant l’état superfluide, en bleu sur le diagramme
Dans cet état, l’hélium est un très bon fluide de refroidissement, avec une stabilité thermique très importante.
Pour les aimants supraconducteurs utilisés dans les centre de recherche (CERN, CEA IRFU,SEHT) pour les synchrotrons ou en imagerie médicale (IRM) , le refroidissement se fait par le biais d’un équipement cryogénique appelé satellite, qui utilise des bains d’hélium liquide (bain dits de Claudet) sous différentes phases, dont la phase superfluide.
Vannes cryogéniques
Ce satellite utilise des vannes cryogéniques spécifiques pilotées.
Elles permettent de sous-refroidir l’hélium de 4.5°K à 1.5°K en suivant la ligne de transition de phase en rouge sur le diagramme ci-dessous. Certaines vannes cryogéniques sont pilotées on/off (TOR) , d’autres sont en version vannes de régulation.
Sous-refroidissement de l’hélium pour atteindre l’état superfluide
Un circuit supplémentaire d’azote liquide utilisant aussi des vannes cryogéniques limite la dissipation thermique de l’ensemble.
Des dispositions particulières doivent être prises car les champs magnétiques environnants sont particulièrement forts. Blindage des cables, Cage de Faraday, éloignement des composants du champs sont quelques précautions à prendre.
Des tests d’étanchéïté spécifiques sont aussi nécessaires pour éviter les pertes par vaporisation au niveau des vannes cryogéniques.