L’étude de l’Univers froid nous permet de remonter aux origines, que ce soit celles de notre système solaire avec l’observation des embryons d’étoiles ou celles de l’Univers avec la mesure de la polarisation du rayonnement fossile. Ces instruments d’observations dans les domaines sub-millimétrique et millimétrique nécessitent l’utilisation de détecteurs supraconducteurs refroidis jusqu’à 100mK. Ceci rend ces expériences particulièrement complexes à mettre en oeuvre, en particulier au niveau système. Une simplification des systèmes cryogéniques serait un atout majeur pour les futurs instruments.

Les réfrigérateurs à adsorption d’hélium (0.8K en ⁴He, 0.3K en ³He) utilisés pour le refroidissement des détecteurs cryogéniques présentent l’avantage de la simplicité de fonctionnement, le contrôle et le pilotage des réfrigérateurs étant réalisés à l’aide de thermomètres et d’éléments chauffants. Cette simplicité est contre balancée par la température minimale atteignable d’une part (au mieux 0.27K avec un réfrigérateur ³He) et  la nécessité de cycles de régénération d’autre pendant lesquels la température des détecteurs remonte à 4K. Pour pallier à la nécessité de régénération, il est possible d’associer deux ensembles de réfrigérateur dont les cycles de fonctionnement et de régénération sont alternés ce qui permet d’obtenir une réfrigération quasi-continue des détecteurs. Une autre possibilité est de combiner l’utilisation d’un cycle de réfrigérateur à dilution avec de pompes à adsorption remplaçant les habituelles pompes de circulation ⁴He et ³He.

Nous proposons de concevoir un réfrigérateur 100mK pour une charge de 10µW basé sur un cycle de réfrigérateur à dilution associé à des pompes à adsorption pour remplacer les pompes chaudes de circulation d’hélium, les sources froides de base (40K/40W et 4K/1W) sont fournies par un cryogénérateur de type Pulse Tube. 

Dans un premier temps, l’étude portera sur la définition de la configuration cryogénique permettant de réaliser un cycle de réfrigération à dilution avec un ensemble de pompes à adsorption, elle s’appuiera sur les travaux déjà réalisés à l’Université de Manchester. Pour cette première étape, le réfrigérateur sera conçu pour un fonctionnement intermittent lié aux phases de régénération des pompes à adsorption. L’étude conceptuelle sera suivie d’une phase de modélisation, de dimensionnement, de conception et de mise en œuvre d’une maquette. Après la caractérisation et l’optimisation du cycle de la maquette du réfrigérateur, l’étude portera sur l’évolution de la conception initiale du réfrigérateur afin de passer d’un mode intermittent à une mode de réfrigération continue. Dans cette nouvelle étape, les contraintes liées à l’intégration d’un réfrigérateur dans un instrument seront prises en compte. Ces études se feront avec les moyens de modélisation et de caractérisation à basse température disponibles à l'APC (Cryostat avec réfrigérateurs à adsorption ³He/⁴He, cryostat à dilution, cryostat à désaimantation adiabatique, …). Ces travaux seront réalisés en collaboration avec le futur laboratoire de la vallée d’Orsay, l’Université de Manchester et les équipes de l’INFN.