La cryogénie

Publié le 29 mars 2016


Ce n’est qu’en 1908 que Kamerlingh Onnes est parvenu à liquéfier l’hélium, une prouesse qui lui a permis 3 ans plus tard de découvrir la supraconductivité [1] . Dès lors, la cryogénie a connu un essor considérable qui se poursuit aujourd’hui. Cette discipline reste néanmoins un domaine de la physique mal connu du grand public. Et pourtant ses applications sont nombreuses dans des secteurs d’activités variés tels que le spatial, la santé, ou encore l’énergie.
QU'EST-CE QUE LA CRYOGÉNIE ?

La cryogénie s’intéresse à l’étude des très basses températures : comment les produire, les maintenir et les utiliser dans des conditions spécifiques. Cette discipline a aujourd’hui ouvert de nouvelles voies de recherche et a permis le développement de technologies innovantes :
*         l’étude de phénomènes physiques tels que la supraconductivité et la superfluidité,
*         l’acquisition de données majeures en astrophysique pour la compréhension de notre Univers,
*         le développement d’aimants supraconducteurs pour les grands instruments de physique des particules (grands accélérateurs, tokamak Iter, JT-60SA), IRM, RMN, et dans le domaine des lasers et des cibles (Laser Mégajoule),
*         l’utilisation de la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour l’étude structurale de la matière (pour la conception de nouveaux nanomatériaux par exemple), la biologie et la santé (imagerie médicale),
*         la mise au point des moteurs utilisés en propulsion spatiale (moteurs des fusées Ariane).


TRAVAILLER À DES TEMPÉRATURES EXTRÊMEMENT FROIDES
La température est liée à l'agitation des molécules qui constituent un système physique. A l’état naturel, lorsque deux corps sont mis en contact, ils peuvent échanger de l'énergie (sous forme de chaleur), allant du système où l'agitation est la plus grande vers celui où l'agitation est la plus faible. Pour quantifier cette agitation, les chercheurs utilisent une grandeur appelée la température. L’unité de mesure internationale utilisée est le kelvin [2].
En physique, il existe un zéro absolu des températures. A cette température, théoriquement inatteignable, les corps ne possèdent plus d'agitation thermique et sont dans un état d’énergie minimale. Lorsque l'on refroidit un corps au-dessous de la centaine puis de la dizaine de kelvins environ, des phénomènes quantiques surprenants apparaissent. Pour voir apparaître, étudier, puis utiliser ces propriétés spécifiques de la matière, il faut donc refroidir. C’est un des objectifs de la cryogénie pour comprendre ces nouveaux mécanismes et ainsi permettre de grandes avancées.


LE CRYOSTAT,
OUTIL INDISPENSABLE POUR ACCÉDER AUX TRÈS BASSES TEMPÉRATURES
En cryogénie, la manipulation des très basses températures nécessite l’utilisation d’un outil : le cryostat. Il s’agit d’une « boîte » contenant différents instruments dont un système de refroidissement permettant la production et le maintien de très basses températures. Dans sa déclinaison la plus simple, il utilise un ou plusieurs réservoirs de liquides très froids qui, de manière générale, sont l’azote et l’hélium.
Depuis quelques années, de nouveaux systèmes, appelés cryoréfrigérateurs, et conçus pour refroidir jusqu’aux températures cryogéniques (en dessous de 120 K), sont mis au point pour remplacer les réservoirs. En effet, l’utilisation de ces réservoirs présente plusieurs inconvénients importants : une masse et un volume conséquents, un besoin de disponibilité des fluides cryogéniques, et par essence une autonomie limitée par la quantité de fluides stockée. Les cryoréfrigérateurs ne requièrent quant à eux qu’une alimentation électrique, et présentent dans leur déclinaison pour le spatial, par exemple, un fonctionnement fiable durant plusieurs années. Aujourd’hui, les systèmes cryogéniques sont également utilisés pour la fusion nucléaire ou la santé.

DES SYSTÈMES DE REFROIDISSEMENT TOUJOURS PLUS PERFORMANTS
Pour des températures extrêmement froides, plusieurs systèmes de refroidissement doivent être associés en cascade pour couvrir l’intégralité de la gamme de températures. Aujourd’hui des chaînes cryogéniques permettant d’atteindre des températures de l’ordre de quelques millikelvins (-273,1°C) sont disponibles. Pour des systèmes dits « subkelvin », seules trois technologies émergent :
*         le refroidissement par évaporation utilisant un isotope de l’hélium (l’hélium 3) ;
*         le refroidissement magnétique (désaimantation adiabatique [3] ) ;
*         la dilution (propriété de la séparation de phases des 2 isotopes de l’hélium).

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LA MÉCANIQUE DES FLUIDES

Réalisation : 18 juin 2005 - Mise en ligne : 18 juin 2005
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Descriptif

La dynamique des fluides est un sujet qui s'applique largement : en biologie, en géophysique et en astrophysique, en océanographie et en météorologie, ainsi qu'en génies chimique, nucléaire, aéronautique, hydraulique et en écologie. Dans tous ces contextes, le fluide, qui est soit en phase liquide, soit gazeuse, soit sous forme de plasma (gaz ionisé), est traité comme un milieu continu représenté par les champs de densité, de pression et de vitesse satisfaisant la fameuse équation de Navier-Stokes. Cette équation décrit des phénomènes se produisant sur une très grande gamme d'échelles de longueur, allant de l'échelle ‘sub-micron' des phénomènes biologiques à un extrême, jusqu'à l'échelle ‘super-parsec' des phénomènes cosmologiques et astrophysiques à l'autre. Nous présenterons un point de vue sur ces phénomènes et discuterons en particulier l'effet dynamo, qui correspond à l'auto-excitation du champ géomagnétique due aux mouvements se produisant dans le noyau liquide terrestre, problème classique pour lequel des progrès remarquables ont été réalisés depuis ces cinq dernières décennies. Deux aspects de ce problème peuvent être illustrés par des phénomènes analogues, mais plus simples, provenant de la dynamique des corps rigides. Tout d'abord, l'auto-excitation d'un champ magnétique dans un fluide conducteur est associée à la chiralité de l'écoulement turbulent, propriété que possède le ‘rattleback', toupie asymétrique qui présente un curieux comportement quand on la fait tourner sur une table. Nous montrerons ensuite que l'instabilité dynamo est dissipatrice par nature, car il faut de la dissipation par effet Joule pour permettre l'intensification du champ magnétique, ceci sur l'échelle du temps de dissipation qui est de l'ordre de 10,000 ans dans le contexte terrestre. L'instabilité dissipatrice peut être illustrée par le phénomène familier de ‘l'oeuf montant'. La conférence sera agrémentée par quelques démonstrations simples de ce genre d'instabilités.

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Les lasers industriels


Simples, fiables, robustes et peu coûteux, les lasers sont des travailleurs de précision. On les retrouve dans de nombreuses applications industrielles : soudage, découpe, traitement de surface, santé...

Publié le 30 juin 2015


DES MICROLASERS

Lasers « puce », les micros
Les lasers « puces » (traduction du terme anglais microchip laser) sont des microlasers solides les plus simples et les plus compacts possible, avec une dimension typique de 0,5 mm3. Ils sont fabriqués en utilisant des procédés collectifs permettant de réaliser simultanément et sans aucun réglage plusieurs milliers de pièces. Ainsi, leur coût de fabrication peut être très faible. De plus, ils sont extrêmement fiables, robustes et simples à utiliser, sans aucune nécessité de réglage ou de maintenance. Le laser « puce » est pompé par une simple diode laser et se comporte comme un transformateur de lumière laser. Il permet d’obtenir un faisceau laser naturellement circulaire et peu divergent, monofréquence et de forte puissance de crête impulsionnelle, le rendant très utile pour de nombreuses applications comme :
*         la télémétrie laser (mesure de distance et de vitesse sans contact) ;

*         le micromarquage et la microdécoupe sur tous types de matériaux ;

*         les oscillateurs avant les amplificateurs des lasers de très forte puissance ;

*         la fabrication de lasers visibles (verts) compacts ;
*         la détection de gaz polluants.


DES LASERS POUR LE SOUDAGE ET LA DÉCOUPE
Ces lasers de forte puissance moyenne ont de multiples applications pour le travail des matériaux : trempe, soudure, perçage, ponçage, découpe, etc.
Le principe de soudage laser repose sur la fusion d’un point du matériau sur lequel le faisceau va se concentrer grâce au système optique. Après focalisation, son éclairement peut atteindre plus de 1 MW/cm2. Les densités d’énergie étant très importantes, il suffit de quelques microsecondes pour obtenir la fusion et la vaporisation du matériau à souder. Les lasers permettent la découpe de plaques d’acier inox jusqu’à 20 cm d’épaisseur.

Lasers CO2
Pour les lasers CO2, l’excitation moléculaire doit se faire avec de forts courants. L’émission résultante est très puissante. Cependant, ils nécessitent l’utilisation de sous-ensembles actifs volumineux (tubes à gaz, excitateurs…) et donc lourds. Cela est d’autant plus vrai que la puissance de sortie demandée est élevée (pour une application telle que l’usinage). Outre les travaux de soudage, ils sont utilisés pour décaper et découper des objets dans des environnements difficiles d’accès, sur des chantiers de démantèlement par exemple.
Caractéristiques d'un laser CO2
Mode de fonctionnement : continu
Puissance maximale en continu : de 500 W à 6kW selon machine et énergie
Amplificateur laser : mélange de dioxyde de carbone, d'azote et d'hélium
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser CO2 de forte puissance : plusieurs tonnes
Transport du faisceau par miroir


Voir aussi

*         Principales utilisations des lasers en fonction de leur puissance
Lasers YAG dopés au néodyme
Le faisceau d’un laser YAG peut être transporté par fibre optique (fibre de silice d’1 mm de diamètre ou moins) sur des longueurs de plusieurs mètres, ou dizaines de mètres, et pour des puissances moyennes allant jusqu’à 2 kW. Il peut aussi être transporté grâce à des miroirs ou des lentilles.

Caractéristiques d'un laser YAG
Mode de fonctionnement : continu ou impulsionnel
Durée de l'impulsion : 1 à 20 millisecondes
Fréquence de répétition : 1 à 1 000 Hz, selon la machine et l'énergie
Energie maximale par impulsion : 150 joules
Puissance moyenne maximale : 70 watts à 1,5 kilowatt selon machine
Puissance de crête maximale : 30 kilowatts
Amplificateur laser : grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme
Faisceau infrarouge 10,6 µm
Poids d'un laser de puissance : plusieurs centaines de kilos


Guidage avec une fibre laser sur un fantôme en silicone et modélisation 3D de prostate, dans le cadre de recherches sur le diagnostic et traitement de cancer par laser. © P.Latron/Inserm-U703
Lasers à fibre
Apparus plus tardivement et actuellement en très forte croissance, les lasers à fibre apportent de nouveaux avantages en termes de fiabilité, compacité, facilité d’utilisation et consommation électrique. Ils offrent un rendement énergétique 10 fois supérieur aux lasers classiques, CO2 ou YAG, et la puissance qu’ils délivrent, leurs qualités spectrales et spatiales en font d’excellents candidats pour les applications dans les secteurs industriels, médicaux, des communications et scientifiques.

Caractéristiques d'un laser à fibre
Mode de fonctionnement : continu (ou impulsionnel)
Puissance moyenne maximale : 10kW
Amplificateur laser : fibre optique dopée
Faisceau infrarouge 1,07 mm
Poids d'un laser à fibre de puissance : plusieurs centaines de kilos

DES LASERS POUR LE TRAITEMENT DE SURFACE
Les lasers industriels impulsionnels peuvent aussi être utilisés pour modifier les propriétés de surface d’un matériau, par exemple pour en améliorer la résistance à la corrosion ou au frottement, sans pour autant en altérer les propriétés mécaniques massives. Ils se rencontrent en particulier dans l’industrie automobile, et leur domaine d’utilisation tend à s’étendre.
Ces lasers, grâce à leur durée d’impulsion comprise entre 10 et 200 nanosecondes, ont l’avantage de réaliser du micro-usinage de très grande précision pour une large gamme de matériaux, avec peu d’échauffement. Comparé à des méthodes classiques telles que la photolithographie, ils permettent de réduire le nombre d’étapes de fabrication, et leur facilité à modifier la géométrie des dispositifs à graver en font des atouts incontournables pour les laboratoires de microélectronique. Une autre application consiste à réaliser le décapage de surfaces par balayage d’un faisceau laser intense qui conduit à une ablation superficielle.

Ce procédé peut être utilisé pour le nettoyage de monuments, ou à plus petite échelle pour le décapage de pièces mécaniques de précision. Un dispositif original, nommé Aspilaser, est utilisé pour décaper automatiquement des murs, sans émettre ni poussière, ni odeur. Les surfaces sont abrasées sur une épaisseur de 0,1 mm seulement, limitant ainsi le volume des déchets. Jusqu’à présent considéré comme le domaine de prédilection des lasers Nd-YAG en impulsions, le marché du microusinage de précision s’ouvre dorénavant aux lasers à fibres impulsionnels.

Caractéristiques des lasers industriels impulsionnels
Mode de fonctionnement    impulsionnel
Durée de l'impulsion    quelques dizaines de nanosecondes
Fréquence de répétition    100 000 hertz (impulsions par seconde)
Energie laser par impulsion    1 millijoule
Puissance moyenne    50 W
Puissance de crête     10 kilowatts
Amplificateur laser    fibre optique dopée

DES APPLICATIONS INNOVANTES

L’analyse LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy)

Cette analyse spectroscopique sur plasma induit par un laser permet de caractériser la composition chimique de la surface des matériaux (solides, liquides, gaz ou aérosols). Cette technique consiste à envoyer un faisceau laser sur le matériau pour créer un plasma, analyser sa signature spectrale et déterminer en temps réel la nature et la concentration des éléments présents. Les microsondes développées au CEA sont capables de réaliser une cartographie au micron près. Le champ d’applications est très large : du vieillissement des matériaux à l’exploration martienne. Le CEA a en effet adapté cette technologie pour la mission Mars science laboratory de la Nasa, en participant à la conception et au dimensionnement de l’instrument ChemCam, qui analyse depuis août 2012 le sol martien, dans un rayon de 7 mètres autour du robot Curiosity.

La technique Lidar (Light detection and ranging)
Cette technique s’appuie sur le principe des radars (dont l’acronyme « radio detection and ranging » signifie détection et positionnement par ondes radio). Elle permet de contrôler à distance la pollution de l’atmosphère par des particules. L’émission d’un faisceau laser vers la zone à étudier, puis l’analyse de sa rétrodiffusion déterminent la densité, la localisation, la nature et la géométrie des particules. La longueur d’onde utilisée (355 nm) est adaptée pour repérer les particules inférieures au micromètre, qui composent 99 % des aérosols de pollution. Cette technique a servi à l’étude de l’impact de la circulation automobile et à la surveillance de l’atmosphère dans des endroits confinés comme des gares ou le métro.

Impulsions femtosecondes pour la détection
Détecter à distance des explosifs ou autres produits dangereux, analyser rapidement des substances illicites ; c’est chose possible grâce aux lasers femtosecondes. Tout matériau, tout être humain, possède une signature térahertz qui lui est propre. D’où l’idée d’utiliser cette gamme pour identifier des substances explosives, ou distinguer de la cocaïne d’autres poudres… Pour générer de telles sources, dont la fréquence est comprise entre 1 et 100 THz, il faut combiner deux impulsions lasers de fréquences différentes. Pour l’instant étudiées en laboratoire, ces sources laser devront devenir plus compactes et plus intenses pour une utilisation grand-public. Une seconde technique s’apparente à la Libs (présentée ci-dessus). Grâce à des impulsions de moins de 100 femtosecondes et d’une puissance supérieure au térawatt, les mesures sont possibles à des distances de plusieurs centaines de mètres.

Des lasers pour la santé
En chirurgie, les lasers utilisés sont assez puissants. Ils peuvent brûler une partie endommagée à l’intérieur du corps de façon non-traumatique, être utilisés comme un bistouri, soigner des caries dentaires et des décollements de rétine. Les caractéristiques exceptionnelles d’ablation du laser UV émettant à 193 nm sont utilisées en chirurgie de la cornée, afin de traiter les myopies : par exemple, pour corriger d’une dioptrie, 1 μm (10-6 m) de la surface de la cornée est retirée. En médecine, les lasers sont utilisés en imagerie, radiothérapie et protonthérapie. La protonthérapie consiste à détruire une tumeur cancéreuse avec un faisceau de protons, de façon précise ; seule une zone très localisée est traitée, sans endommager les tissus alentour. Le projet Saphir, auquel participe le CEA, étudie la possibilité de générer par accélération laser des faisceaux de protons d’énergie suffisante pour le traitement de certaines pathologies.

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Positon

Propriétés générales
Classification    Antilepton
Composition    élémentaire
Famille    Fermion
Propriétés physiques
Masse    510,998 918 (44) keV/c²
(9,109 382 6(16)×10-31 kg)
Charge électrique    +1,60217653(14)×10-19 C
Charge de couleur    0
Spin    ½
Durée de vie    stable (comme l'électron)
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En physique des particules, le positon1,2,3 ou positron4 (anglicisme), encore appelé antiélectron par convention, est l'antiparticule associée à l'électron. Trouvée au xxe siècle, elle est la première antiparticule découverte. Le positon possède une charge électrique de +1 charge élémentaire (contre −1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron. Il est noté 0
+1e ou e+ ou β+5.

Description
La théorisation de cette particule fut provoquée par l'écriture par Paul Dirac, en 1928, d'une équation relativiste décrivant l'électron. Cette équation, appelée maintenant équation de Dirac, admet des résultats dont une part correspond à l'électron, alors qu'une autre, inverse, ne semblait pas, à l'époque, avoir de sens immédiat. En 1929, Dirac proposa la possibilité que cette part soit la description des protons, qui seraient donc les particules inverses des électrons6. Cette tentative d'explication fut abandonnée rapidement, et en 1931, Dirac proposa de considérer l'existence d'une nouvelle particule, un « anti-électron » de même masse que l’électron mais de charge opposée7.
En 1932, Carl David Anderson annonça les résultats de ses recherches sur les rayons cosmiques : ses photographies prises dans une chambre à brouillard montraient quantité d'électrons, ainsi que quelques traces qui semblaient correspondre à des particules proches des électrons, mais à la charge opposée. Des expérimentations en laboratoires permirent ensuite de découvrir ces positons.
En 1933, Jean Thibaud précise les caractéristiques physiques du positon. Il en mesure la charge et il parvient à observer pour la première fois l'annihilation du positon, avec production de photons de haute énergie, en usant de la technique de la trochoïde8.
Dans le vide, le positon est une particule stable. Mais en traversant la matière, quand un positon de basse énergie entre en collision avec un électron de basse énergie, les deux s'annihilent, c'est-à-dire que leur masse est convertie en énergie sous forme de deux photons gamma.
Un positon peut être le produit de désintégration d'un noyau radioactif. Il s'agit alors d'une désintégration β+.
Un positon peut être créé lors de l'interaction d'un photon d'énergie supérieure à 1,022 MeV avec un noyau atomique (2mec2 = 2 × 0,511 MeV, où me est la masse d'un électron et c la vitesse de la lumière). Ce processus s'appelle production de paires (voir Rayon gamma), car deux particules (positon et électron) sont créées par l'énergie du photon. Les premiers positons furent observés par ce processus lorsque des rayons gamma cosmiques s'enfoncent dans l'atmosphère. On a ensuite détecté (en 2009) des positons émis autour d'un avion en présence de foudre dans un orage9.

Production
Des positons peuvent être produits lors de désintégrations β+10 (par exemple lors des désintégrations de 13N ou 22Na) ou par création de paires électron-positon10 conséquemment à une interaction entre un photon de haute énergie et un noyau atomique. Il est ensuite possible de ralentir ces positons à l'aide d'un modérateur : un monocristal de cuivre ou de tungstène ou du néon solide. Le modérateur à néon solide est particulièrement efficace pour les positons issus de 22Na. Lorsque les positons ont été modérés, ils peuvent être stockés dans un piège de Penning11.

Applications
Imagerie médicale[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Tomographie par émission de positons.
La tomographie par émission de positons est une technique d'imagerie médicale qui consiste à faire absorber ou injecter au patient un médicament radiopharmaceutique ou un radiotraceur dont l'isotope radioactif est un émetteur de rayonnement β+, c'est-à-dire un émetteur de positons. Ces positons s'annihilent aussitôt, dès qu'ils rencontrent les électrons des tissus environnants, en deux photons gamma. La détection de ces photons permet de localiser le lieu de leur émission et la concentration du traceur en chaque point des organes.

Physique des particules[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Collisionneur.
Un collisionneur électrons-positons est un accélérateur de particules qui accélère simultanément deux faisceaux de particules en sens inverses, l'un d'électrons, l'autre de positons, afin de les faire entrer en collision frontale. Lors de ces collisions de haute énergie, les électrons et les positons s'annihilent (car les uns sont les antiparticules des autres), ce qui libère une énergie capable de créer de "nouvelles" particules.

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