Thèse Année : 2025

Impact of microvibrations on low temperature instruments dedicated to the study of the universe

Impact des microvibrations sur les instruments très basses températures dédiés à l'étude de l'univers

Résumé

For disruptive science missions – such as to study the hot and energetic universe or the cosmic microwave background – where detectors operate at very low temperatures (down to 50 mK), the thermal susceptibility to microvibrations (such as from reaction wheels, thrusters or cryocoolers) may become critical.This thesis aimed to gain an understanding of this thermal susceptibility, for cryogenic devices and systems crucial for such missions. We built a highly sensitive test bench dedicated to studying dissipation due to microvibration disturbance. Using bespoke actuation and sensing methods, we were able to induce sub-millig levels of mechanical excitation and observe sub-microwatt levels of dissipation. We quantified dissipation in a gas-gap heat switch (a cryogenic device ubiquitous in sub-Kelvin space applications) and studied the locations and nature of the phenomena causing it.Our work has largely been experimentally focused. It has also been backed by a simple thermomechanical dissipation model to interpret our measurements. For mechanical excitation around 1 mgrms, we observed microvibration dissipation as high as 1 μW, at 1.2 K and 4.2 K. Large Q factors (>1000) of our heat switch (and variations thereof) were measured, allowing us to observe microvibration dissipation of flexible damped elements attached to our test object (e.g. instrumentation wiring) due to their forced oscillation.Our work applies to cryogenic systems for low-temperature science missions, such as the future Athena X-ray space observatory, but also beyond space for quantum computers that also need very low and stable temperatures.

Pour des missions scientifiques novatrices – telles que l’étude de l’univers chaud et énergétique ou du fond diffus cosmologique – dont les détecteurs fonctionnent à très basses températures (jusqu’à 50 mK), la sensibilité thermique aux microvibrations (par exemple de roues à réaction ou de cryoréfrigérateurs) est critique.Cette thèse avait pour but de mieux maîtriser la sensibilité thermique des systèmes cryogéniques essentiels à ces missions. Nous avons conçu un banc d’essai sensible, dédié à l’étude de la dissipation due aux microvibrations. En utilisant des méthodes d’excitation et de détection spécifiquement développées pour nos travaux, nous avons pu induire des niveaux d’excitation mécanique inférieur au millième de g et observer des niveaux de dissipation inférieurs au microwatt. Nous avons quantifié la dissipation dans un interrupteur thermique à gaz d’échange (un dispositif cryogénique omniprésent dans les applications spatiales sub-Kelvin) et étudié la localisation et la nature des phénomènes qui la provoquent.Notre travail a été principalement expérimental. Nous nous sommes aussi appuyé sur un modèle simple de dissipation thermomécanique pour interpréter nos mesures. Pour une excitation mécanique autour de 1 mgrms, une dissipation due aux microvibrations atteignant 1 μW a été observée, à 1,2 K et à 4,2 K. Des Q facteurs élevés (>1000) de notre interrupteur thermique (ainsi que des variations de celui-ci) ont été mesurés, ce qui nous a permis d’observer la dissipation d’éléments flexibles amortis accrochés à notre objet de test (par exemple, des fils de l’instrumentation) dû à leurs oscillations forcées.Notre travail s’applique aux systèmes cryogéniques pour les missions scientifiques à basse température, tels que Athena, un futur observatoire spatial à rayons X, mais également au-delà du domaine spatial, par exemple pour les technologies pour les ordinateurs quantiques, qui nécessite des températures très basses et stables également.

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tel-05174074 , version 1 (21-07-2025)

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  • HAL Id : tel-05174074 , version 1

Citer

Thomas Adam. Impact of microvibrations on low temperature instruments dedicated to the study of the universe. Other. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2025. English. ⟨NNT : 2025GRALI010⟩. ⟨tel-05174074⟩
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