L’interaction d’un laser de haute énergie avec une cible fine d’hydrogène créé un plasma à l’intérieur duquel le champ électrostatique peut accélérer des protons jusqu’à des énergies de quelques dizaines de MeV. Ce domaine de la physique est appelé l’accélération laser/plasma.C’est dans ce contexte que le Service des Basses Températures (CEA, France) a développé en 2014 un prototype permettant de produire par extrusion des rubans d’hydrogène solide de un millimètre de large et de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur.Cette thèse étudie la géométrie, la vitesse et la stabilité de ces rubans, qui sont des critères fondamentaux à l’efficacité de l’accélération laser/plasma. Les résultats des campagnes expérimentales menées avec ce prototype dans différents centres laser sont également décrits. Le deuxième et principal objectif de cette thèse consiste à caractériser et mesurer de façon précise les propriétés rhéologiques de l’hydrogène solide, afin de modéliser son écoulement à travers une buse d’extrusion d’épaisseur submillimétrique. Ce travail a consisté à concevoir un rhéomètre cryogénique innovant capable de générer un cisaillement continu d’hydrogène solide à des températures contrôlées, inférieures à 14 kelvins. La déformation de cisaillement de l’hydrogène solide est observée et décrite en détails, et sa viscosité apparente près de son point de fusion est quantifiée. Une loi régissant son écoulement est proposée, puis vérifiée par simulation numérique. / The interaction between a high-energy laser and a thin hydrogen target can generate an electrostatic field accelerating protons up to a few tens of MeV. This scientific field is called "laser/plasma acceleration". In this context, the Low Temperature Laboratory (CEA, France) has designed in 2014 a prototype extruding thin solid-hydrogen ribbon-shaped targets of onemillimeter in width and a few tens of micrometers in thickness.This Ph.D. thesis studies the geometry, the stability and the velocity of these ribbons, which are critical in the laser/matter interaction. Experimental campaigns led with this prototype in different laser facilities are described as well. The second and main objective of this Ph.D. thesisis to charaterize and measure the rheological properties of solid Hydrogen, in order to model its flow through a submillimeter-wide extrusion nozzle. This characterisation has been made possible through the design of an innovative cryogenic rheometer generating a continuous shear deformation in solid hydrogen at controled temperature, below 14 kelvins. Shear deformationof solid Hydrogen is studied and detailled, and its apparent viscosity near its melting point is measured. A deformation law is stated, then tested by numerical simulation.

L'objectif de cette thèse était de développer un magnétomètre à force de Faraday pour mesurer des valeurs absolues de l'aimantation à très basse température (30 mK) et fort champ magnétique (16 T) avec une haute sensibilité (10-5 emu). Ce magnétomètre sera principalement utilisé pour sonder les propriétés induites sous champ dans les systèmes magnétiques frustrés.Dans une première partie, je détaille le développement de ce magnétomètre. Cela comprend l'optimisation du réfrigérateur à dilution et de bobines de gradient de champ ainsi que le développement d'une détection capacitive avec un étage amplificateur à froid pour améliorer la sensibilité de la mesure. Les mesures magnétiques préliminaires sont présentées. Les changements nécessaires pour rendre le magnétomètre opérationnel sont discutés.Dans une seconde partie, je présente l'étude expérimentale de systèmes magnétiques frustrés: des grenats de Gadolinium, décrits par des spins classiques, et des composés moléculaires frustrés à base de Cuivre, pour sonder les effets quantiques. Ces mesures ont été réalisées entre 70 mK et 300 K sur les magnétomètres existant à l'Institut Néel.Dans Gd3Ga5O12, nous avons complété le diagramme de phases H-T. Nous avons montré la robustesse de ce diagramme de phases par notre étude sur le composé isomorphe GGd3Al5O12. Nous avons mis en évidence la convergence de toutes les phases observées en un unique point dans les deux systèmes.Dans les systèmes quantiques, nous avons réalisé des études préliminaires sur des clusters Cu44 à base de tétraèdres, et un système triangulaire Cu3. Bien que prometteuses, nous n'avons pas approfondi ces études à cause de problèmes d'échantillons. / The objective of this work was to develop a Faraday force magnetometer to measureabsolute values of the magnetization at very low temperatures (30 mK) andhigh applied magnetic fields (16 T) with a high sensitivity (10-5 emu). This magnetometer will be especially dedicated to the study of the field induced properties of frustrated magnets.In a first part, I present the development of this magnetometer. It involves the optimization of the dilution refrigerator and field gradient coils, and the development of a capacitive detection with a cold amplifier stage to improve the measurement sensitivity. Preliminary magnetic measurements are shown. The changes in the design required to make the magnetometer operational are discussed.In a second part, I focus on experimental studies of frustrated magnets: Gadolinium garnets, described by classical spins, and Copper based frustrated molecular compounds, to probe quantum effects. These measurements were performed from 70 mK to 300 K, with the existing magnetometers at the Institut Neel.In Gd3Ga5O12, we have complemented the H-T phase diagram. This phase diagram was proven to be robust by our study on the isomorphous compound, Gd3Al5O12. We evidence the convergence of all the observed phases to a unique point in both samples.In quantum systems, we performed preliminary studies on Cu44 clusters with tetrahedral motives, and on a triangular system Cu3. Although promising, these studies were not pursued due to sample problems.

Este trabalho tem por objetivo avaliar a viabilidade técnica de processos de separação de gás carbônico em correntes de gases de combustão. Neste sentido, a separação por meio de membranas e por criogenia são avaliadas por meio de simulação de sistemas. As propostas envolvendo membranas avaliam arranjos de membranas em série, os quais são otimizados para condições de maior fluxo permeado e maior beneficio econômico. A corrente de alimentação é de 5 kmol/s e as respectivas frações molares de CO2 e N2 que compõem esta corrente são 0,15 e 0,85. Os resultados obtidos da otimização, para um arranjo de três membranas em série de polyimida de 9000 m² de área superficial, foram uma corrente de permeado de 443,1 mol/s de CO2 a 41,6%, correspondendo a aproximadamente 59% do CO2 da corrente de alimentação. Já com um arranjo de 6 membranas de 9000 m², onde a função objetivo é o maior lucro, foi selecionado o material kapton e a quantidade de CO2 separada é 161,12 mol/s, cuja concentração na mistura é de 79%, e a função objetivo tem um valor de 24.405,30 €/ano. Na outra parte do trabalho, propõe-se e avalia-se um ciclo para o aproveitamento da disponibilidade térmica na regasificação do gás natural líquido, para liquefação de CO2. Obtém-se como resultando em CO2 líquido com fração molar igual a 94%. Este processo consta de uma corrente proveniente da combustão completa de 1 mol/s de metano, contendo 1 mol/s de CO2 e 7,52 mol/s de N2. Esta corrente é comprimida e resfriada até atingir a pressão de 4000 kPa e 25 °C, posteriormente uma membrana enriquece a corrente de gases de combustão, que novamente é comprimida e resfriada até se obter a condensação e separação do CO2. Realiza-se o cálculo de equilíbrio líquido-vapor da mistura utilizando as equações de Peng-Robinson e a regra de mistura de Van der Waals no software VRTherm. A vazão molar do CO2 líquido obtida é de 0,3207 mol/s na concentração declarada. A intensidade energética do processo é de 1,135 kWh/kg de CO2 liquefeito. / The objective of this work is to evaluate the technical feasibility of carbon dioxide separation processes of flue gases streams. In this way, separation processes due membrane and cryogenics are evaluated by system simulation. The systems using membranes evaluates setup of those membranes in series, these setups are optimized for the largest permeate molar flow and the largest economic profit. The feed stream is a 5 kmol/s CO2 – N2 mixture, with molar fraction of 0.15 and 0.85 respectively. The result obtained from the optimization for a setup of three polyimide membranes of 9000 m² is a permeate stream of 443.1 mol/s with CO2 at 41.6%, corresponding to aproximadely 59% of the CO2 contained in the feed stream. When a setup of six 9000 m² membranes is analyzed using an objective function that results in the largest profit, kapton was selected as the material for the membranes. The quantity of CO2 captured is 161.12 mol/s, at 79% of concentration in the mixture, and the objective function has a value of 24,405.30 €/year. The second part of this work, proposes and evaluates a cycle that takes the thermal availability of the regasification of liquid natural gas in advantage for CO2 liquefaction. The product of the cycle is liquid CO2, with a molar fraction of 0.94. The process is fed with a stream that comes from the stoichiometric combustion of 1 mol/s of methane, that stream is composed by 1 mol/s of CO2 and 7.52 mol/s of N2. The stream is then compressed up to the pressure of 4000 kPa and cooled down to 25 °C. After that a membrane concentrates the CO2 in one stream, which is again compressed and cooled down until the condensation of CO2 is achieved. Calculations of liquid – vapor are performed with the Peng- Robinson’s equations and the Van der Waals mixture rule using the software VRTherm. The molar flow rate of liquid CO2 obtained is of 0.3207 mol/s in the concentration mentioned before. The energy intensity of the process is of 1.135 kWh/kg of liquid CO2.

Les pulses tubes sont des cryoréfrigérateurs similaires aux machines Stirling mais sans pièce mobile à froid, ce qui diminue les vibrations et augmente leur fiabilité. Toutes ces caractéristiques sont les bienvenues pour les applications spatiales, un domaine où le poids et la taille de la machine sont critiques. C'est dans ce cadre qui s'insère la recherche sur la miniaturisation des pulses tubes ; pour le réussir, on peut diminuer le volume déplacé pendant un cycle de la machine, en augmentant simultanément la fréquence d'opération. Pour savoir quels sont les limitations à l'augmentation de fréquence, des simulations sur le comportement du régénérateur et l'inertance à très hautes fréquences ont été faits; une étude expérimentale sur les pertes thermiques dans le tube a été aussi élaborée; et, finalement, des prototypes de pulse tube ont été dimensionnés et caractérisés, l'un desquels satisfait les spécifications initialement données : 0.25 W à 120 K avec 20 W puissance mécanique, à 100 Hz. / Pulse Tubes are a kind of cryocoolers similar to Stirling refrigerators, apart from the cold mobile element, absent in the first, which lessens their exported vibrations and increases their reliability. Spatial applications seek these characteristics for the instruments embarked, along with small weight and size. These needs stimulate the research on pulse tube miniaturization; to achieve this reduction, one can decrease the swept volume per cycle, whilst increasing the frequency of operation. To understand the barriers to carry out very high frequency operation, simulations on the behavior of the regenerator and inertances were made, as well as an experimental study on the thermal losses of the expansion tube. Finally, several very high frequency pulse tube prototypes were built and benchmarked, one of which fulfills the requirements we had initially set : 0.25 W at 120 K, with 20 W of input power at 100 Hz.

La consommation mondiale en énergie qui augmente progressivement a favorisé la recherche de ressources alternatives renouvelables. L’Europe a mis le développement de la filière de biogaz comme une priorité pour valoriser la matière organique et produire une énergie durable et un carburant propre. Plusieurs technologies ont été développées afin de produire le bio-méthane et ensuite le liquéfier. Cryo Pur a développé un procédé cryogénique où le biogaz est refroidi progressivement à 3 niveaux de température :-40 °C ; -75 °C et -120 °C. Dans un premier temps, la vapeur d’eau est extraite à -40 °C et à -75 °C, le biogaz sec ne contient plus alors que du méthane à une concentration de 65 % et du CO2 à 35 %. Le biogaz est alors refroidi jusqu’à -120 °C dans un système frigorifique en cascade intégrée pour capter le dioxyde de carbone jusqu’à une concentration résiduelle de 2 %. Une fois ce bio-méthane obtenu, il est liquéfié. A une pression de 15 bara et une température de -120 °C. Une étude énergétique et exergétique est menée et prend comme référence le pilote d’épuration et de liquéfaction Cryo Pur installé à la sortie de méthaniseurs de la station d’épuration de Valenton. Le CO2 est capté par givrage sur les ailettes d’échangeurs frigorifiques ; le dégivrage est effectué par un débit diphasique prélevé à l’étage -40 °C de la cascade intégrée. La thèse compare l’énergie récupérée par un dégivrage en phase liquide du CO2 avec donc une remontée en température jusqu’à -56 °C (température du point triple du CO2) et un dégivrage par sublimation du CO2 à une température bien inférieure à -56 °C qui fait l’objet d’une optimisation énergétique. La thèse mène aussi une étude énergétique et exergétique du procédé complet d’épuration de biogaz et de liquéfaction de bio-méthane avec récupération d’énergie par sublimation du dioxyde de carbone.Un banc d’essai est conçu pour évaluer la performance énergétique du procédé de dégivrage du CO2 par sublimation. Les différents éléments nécessaires de ce banc d’essai sont présentés avec leurs consommations énergétiques. Dans ce banc d’essai, le dégivrage du dioxyde de carbone par sublimation est effectué via un caloporteur qui récupère la froideur de sublimation du CO2 réduisant la puissance consommée par la cascade intégrée. Ce nouveau procédé a besoin d’une pompe à vide. La consommation de cette pompe à vide dépend de la pression de sublimation et fait l’objet d’une étude d’optimisation énergétique. La densité du CO2 varie énormément en fonction de la température et la pression de sublimation. Un modèle de calcul de l’évolution de l’épaisseur du givre au cours de la sublimation est présenté. Comme conclusion de cette partie, une comparaison est faite entre la consommation électrique spécifique du système installé à Valenton et celle du banc d’essai.D’autre part, la durée du cycle de givrage demande elle aussi une étude d’optimisation énergétique associée au dimensionnement de l’échangeur de captage du CO2. L’échangeur tube-ailettes avec la forme de l’ailette et les paramètres affectant le givrage du CO2 sont présentés. Une étude est effectuée pour répartir uniformément la masse de CO2 déposée sur la surface d’échange pour réduire le taux de blocage de l’échangeur et prolonger la durée de la phase de givrage. Une étude sur l’effet de la vitesse du biogaz et du glissement en température du réfrigérant sur la durée du cycle est menée ainsi qu’une étude sur les matériaux des ailettes et des tubes choisis afin de minimiser la surface d’échange en gardant la sortie du bio-méthane avec 2 % de CO2. / Global energy consumption, which is gradually increasing, has led to the search for alternative renewable resources. Europe has put the development of the biogas sector as a priority to enhance organic matter and produce sustainable energy and clean fuel. Several technologies have been developed to produce bio-methane and then to liquefy it. Cryo Pur developed a cryogenic process where the biogas is cooled gradually to 3 temperature levels: -40 ° C; -75 ° C and -120 °C. In a first step, the steam is extracted at -40 °C and at -75 ° C, the dry biogas contains 65 % methane and 35 % CO2. The biogas is then cooled to -120 °C in a low-temperature refrigeration system to capture carbon dioxide and obtain bio-methane with 2.5 % of CO2. Once this bio-methane is obtained, it is liquefied at a pressure of 15 bara and a temperature of -120 °C. An energy and exergy study is studied and takes as reference the pilot of purification and liquefaction Cryo Pur installed at the exit of digester of the purification station of Valenton. CO2 is captured by frosting on the fins of heat exchangers. The defrosting is carried out by a two-phase flow rate taken from the -40 °C stage of the low-temperature refrigeration system. The thesis compares the energy recovered by a liquid CO2 defrosted with a rise in temperature up to -56 °C (triple point temperature of CO2) and defrosting by sublimation of CO2 at a temperature much lower than - 56 ° C which is the subject of an energy optimization. The thesis also conducts an energy and exergy study of the complete process of biogas and bio-methane liquefaction with the recovery of energy by sublimation of carbon dioxide.A test bench is designed to evaluate the energy performance of the CO2 defrosting process by sublimation. The various necessary elements of this test bench are presented with their energy consumption. In this test bench, the defrosting of the carbon dioxide by sublimation is carried out via a low-temperature heat-transfer fluid which recovers the energy sublimation of the CO2 reducing the power consumed by the low-temperature refrigeration system. This new process requires a vacuum pump. The consumption of this vacuum pump depends on the sublimation pressure and is the subject of an energy optimization study. The density of CO2 varies enormously depending on the temperature and the sublimation pressure. A model of the evolution of the thickness of the frost during the sublimation is presented. As a conclusion of this section, a comparison is made between the specific power consumption of the system installed at Valenton and that of the test bench.On the other hand, the duration of the frosting cycle also requires an energy optimization study associated with the design of the exchanger that capture the CO2. The tube-fins exchanger with the shape of the fin and the parameters affecting the CO2 frosting are presented. A study is carried out to uniformly distribution of the CO2 mass on the exchange surface to reduce the blocking rate of the exchanger and to extend the duration of the frosting phase. A study on the effect of biogas velocity and temperature slippage of the refrigerant over the cycle is carried out as well as a study on the materials of the fins and tubes selected in order to minimize the exchange surface and have the bio-methane with 2 % CO2.

Este trabalho tem por objetivo avaliar a viabilidade técnica de processos de separação de gás carbônico em correntes de gases de combustão. Neste sentido, a separação por meio de membranas e por criogenia são avaliadas por meio de simulação de sistemas. As propostas envolvendo membranas avaliam arranjos de membranas em série, os quais são otimizados para condições de maior fluxo permeado e maior beneficio econômico. A corrente de alimentação é de 5 kmol/s e as respectivas frações molares de CO2 e N2 que compõem esta corrente são 0,15 e 0,85. Os resultados obtidos da otimização, para um arranjo de três membranas em série de polyimida de 9000 m² de área superficial, foram uma corrente de permeado de 443,1 mol/s de CO2 a 41,6%, correspondendo a aproximadamente 59% do CO2 da corrente de alimentação. Já com um arranjo de 6 membranas de 9000 m², onde a função objetivo é o maior lucro, foi selecionado o material kapton e a quantidade de CO2 separada é 161,12 mol/s, cuja concentração na mistura é de 79%, e a função objetivo tem um valor de 24.405,30 €/ano. Na outra parte do trabalho, propõe-se e avalia-se um ciclo para o aproveitamento da disponibilidade térmica na regasificação do gás natural líquido, para liquefação de CO2. Obtém-se como resultando em CO2 líquido com fração molar igual a 94%. Este processo consta de uma corrente proveniente da combustão completa de 1 mol/s de metano, contendo 1 mol/s de CO2 e 7,52 mol/s de N2. Esta corrente é comprimida e resfriada até atingir a pressão de 4000 kPa e 25 °C, posteriormente uma membrana enriquece a corrente de gases de combustão, que novamente é comprimida e resfriada até se obter a condensação e separação do CO2. Realiza-se o cálculo de equilíbrio líquido-vapor da mistura utilizando as equações de Peng-Robinson e a regra de mistura de Van der Waals no software VRTherm. A vazão molar do CO2 líquido obtida é de 0,3207 mol/s na concentração declarada. A intensidade energética do processo é de 1,135 kWh/kg de CO2 liquefeito. / The objective of this work is to evaluate the technical feasibility of carbon dioxide separation processes of flue gases streams. In this way, separation processes due membrane and cryogenics are evaluated by system simulation. The systems using membranes evaluates setup of those membranes in series, these setups are optimized for the largest permeate molar flow and the largest economic profit. The feed stream is a 5 kmol/s CO2 – N2 mixture, with molar fraction of 0.15 and 0.85 respectively. The result obtained from the optimization for a setup of three polyimide membranes of 9000 m² is a permeate stream of 443.1 mol/s with CO2 at 41.6%, corresponding to aproximadely 59% of the CO2 contained in the feed stream. When a setup of six 9000 m² membranes is analyzed using an objective function that results in the largest profit, kapton was selected as the material for the membranes. The quantity of CO2 captured is 161.12 mol/s, at 79% of concentration in the mixture, and the objective function has a value of 24,405.30 €/year. The second part of this work, proposes and evaluates a cycle that takes the thermal availability of the regasification of liquid natural gas in advantage for CO2 liquefaction. The product of the cycle is liquid CO2, with a molar fraction of 0.94. The process is fed with a stream that comes from the stoichiometric combustion of 1 mol/s of methane, that stream is composed by 1 mol/s of CO2 and 7.52 mol/s of N2. The stream is then compressed up to the pressure of 4000 kPa and cooled down to 25 °C. After that a membrane concentrates the CO2 in one stream, which is again compressed and cooled down until the condensation of CO2 is achieved. Calculations of liquid – vapor are performed with the Peng- Robinson’s equations and the Van der Waals mixture rule using the software VRTherm. The molar flow rate of liquid CO2 obtained is of 0.3207 mol/s in the concentration mentioned before. The energy intensity of the process is of 1.135 kWh/kg of liquid CO2.

Avec le développement des réfrigérateurs cryogéniques mécaniques et des capteurs de plus en plus sensibles, l’emploi d’un volant thermique (Energy Storage Unit ou ESU) doit permettre de stopper temporairement le cryoréfrigérateur et de fonctionner en l’absence de vibration. L'utilisation d'un ESU limite également la nécessité de surdimensionner le système cryogénique pour absorber les éventuelles surcharges thermiques transitoires; ce qui est particulièrement utile pour les applications spatiales. Dans tous les cas, la dérive en température doit rester limitée pour garantir la bonne performance du détecteur. Dans cette thèse, des ESUs basés sur la chaleur latente associée au changement de phase liquide-vapeur ont été étudiés. Afin de limiter la dérive en température, tout en maintenant un volume réduit pour la cellule à basse température, une solution possible consiste à séparer l'ESU en deux volumes: une cellule à basse température reliée au doigt froid du cryoréfrigérateur à travers un interrupteur thermique et un volume d'expansion à la température ambiante permettant de réduire l’augmentation de température liée à l'évaporation du liquide. Pour diminuer encore la dérive en température, une nouvelle amélioration a été testée avec de l'azote: elle consiste en la mise en place d'une vanne commandée entre les deux volumes permettant de contrôler la pression de la cellule froide (remplie d’azote liquide-vapeur). De plus, un matériau poreux a été introduit à l'intérieur de la cellule pour rendre l'ESU indépendant de la gravité et donc approprié aux applications spatiales. Dans ce cas, les expériences révèlent des résultats inattendus concernant le stockage d'énergie et la différence de température entre le liquide et les parois. Pour caractériser l'influence des milieux poreux sur les transferts thermiques d’un volant thermique liquide-vapeur chauffé, une cellule dédiée avec des parois latérales non conductrices a été construite et testée avec de l'hélium diphasique liquide-vapeur. Après caractérisation complète de cette cellule en dehors des conditions de saturation (conduction, convection), des expériences ont été effectuées avec ou sans milieu poreux, en chauffant la cellule en haut ou en bas de la cellule et pour différents flux de chaleur et températures de saturation. En parallèle, un modèle décrivant la réponse thermique d'une cellule contenant liquide et vapeur avec un milieu poreux chauffée en haut (contre la gravité) a été mis en œuvre. L'ensemble des données a ensuite été utilisé comme référence pour ce modèle qui repose sur un équilibre de trois forces: la force de capillarité, la force de gravité et la perte de pression induite par l'écoulement du liquide. / With the development of mechanical coolers and very sensible cryogenic sensors, it could be interesting to use Energy Storage Units (ESU) and turn off the cryocooler to operate in a free micro vibration environment. An ESU would also avoid cryogenic systems oversized to attenuate temperature fluctuations due to thermal load variations which is useful particularly for space applications. In both cases, the temperature drift must remain limited to keep good detector performances. In this thesis, ESUs based on the high latent heat associated to liquid-vapor phase change to store energy have been studied. To limit temperature drifts while keeping small size cell at low temperature, a potential solution consists in splitting the ESU in two volumes: a low temperature cell coupled to a cryocooler cold finger through a thermal heat switch and an expansion volume at room temperature to reduce the temperature increase occurring during liquid evaporation. To obtain a vanishing temperature drift, a new improvement has been tested using two-phase nitrogen: a controlled valve was inserted between the two volumes in order to control the cold cell pressure. In addition, a porous material was used inside the cell to turn the ESU gravity independent and suitable for space applications. In this case, experiments reveal not fully understood results concerning both energy storage and liquid-wall temperature difference. To capture the thermal influence of the porous media, a dedicated cell with poorly conductive lateral wall was built and operated with two-phase helium. After its characterization outside the saturation conditions (conduction, convection), experiments were performed, with and without porous media, heating at the top or the bottom of the cell with various heat fluxes and for different saturation temperatures. In parallel, a model describing the thermal response for a cell containing liquid and vapor with a porous media heated at the top (“against gravity”) was developed. The experimental data were then used as a benchmark for this model based on a balance of three forces: capillarity force, gravity force and pressure drop induced by the liquid flow. / O desenvolvimento de criorrefrigeradores e de sensores cada vez mais sensíveis, tornainteressante usar unidades de armazenamento de energia (Energy Storage Unit-ESU) e desligaro criorrefrigerador para funcionar num ambiente sem vibrações. Em particular para asaplicações espaciais, seria também útil, utilizar um ESU para evitar sistemas criogénicossobredimensionados para atenuar as flutuações de temperaturas devidas às variações de cargatérmica. Em ambos os casos, a deriva de temperatura deve manter-se limitada para manter obom desempenho dos detectores.Nesta tese, ESUs utilizando o calor latente associado à mudança líquido-vapor comoreservatório de energia foram estudados. A fim de limitar a deriva de temperatura, enquanto semantém de tamanho reduzido a célula a baixa temperatura, uma solução possível consiste emdividir o ESU em dois volumes: uma célula a baixa temperatura acoplada ao dedo frio docriorrefrigerador mediante um interruptor térmico conectado a um volume de expansão àtemperatura ambiente para reduzir o aumento de temperatura que ocorre durante a evaporaçãodo líquido. Para diminuir ainda mais a deriva de temperatura, foi testado uma nova ideia queconsiste na introdução de uma válvula entre os dois volumes a fim de controlar a pressão nacélula. Para tornar o ESU independente da gravidade e assim adaptado às aplicações espaciais,os efeitos da capilaridade foram utilizados usando um material poroso na célula. Neste caso, asexperiências revelam resultados inesperados referentes ao armazenamento de energia e àdiferença de temperatura entre o líquido e as paredes.Para descrever as modificações térmicas devidas ao meio poroso, uma célula comparedes laterais pouco condutoras foi construída e testada com hélio. Após uma caracterizaçãocompleta fora das condições de saturação (condução, convecção), esta célula foi utilizada paraexperiências com e sem meio poroso, aquecida na parte superior ou na parte inferior comdiferentes fluxos de calor e para várias temperaturas de saturação. Em paralelo, um modelo quedescreve a resposta térmica de uma célula contendo líquido e gás num meio poroso aquecido naparte superior (“contra a gravidade”) foi desenvolvido. Os resultados obtidos foram utilizadoscomo referência ao modelo que se baseia no equilíbrio de três forças: a força de capilaridade, aforça da gravidade e perda de carga induzida pelo escoamento do líquido.

Le graphène héberge un gaz d'électrons bi-dimensionnel, sujet à un potentiel électrostatique désordonné dû aux impuretés de charge dans le substrat. Ce potentiel désordonné induit des inhomogénéités de la densité de porteurs de charge dans le graphène. Par ailleurs, l'écrantage dans le graphène mono-feuillet de ce potentiel dépend lui-même de la densité de porteurs de charge. L'effet du désordre de charge peut donc être modulé avec un potentiel de grille global, ce qui se manifeste en particulier dans la transconductance de dispositifs à base de graphène. Nous combinons des mesures par Microscopie/Spectroscopie à effet tunnel avec des mesures de transport in situ sur des dispositifs à base de mono-feuillets de graphène sur SiO2, à basse température. Les cartes de la densité locale d'états du graphène, à diverses tensions de grille, mettent en évidence l'augmentation progressive des dimensions latérales ainsi que de l'amplitude des inhomogénéités au voisinage du point de Dirac. Alors que la dépendance en grille de la taille des inhomogénéités est en bon accord avec les prédictions, leur amplitude est plus forte qu'attendue au point de Dirac. Nous expliquons ce désaccord en prenant en compte l'effet de grille local produit par la pointe elle-même, qui a pour effet d'amplifier expérimentalement toute variation de la densité de porteurs de charge lorsque celle-ci elle faible. Cette expérience est ainsi la première mesure qui relie quantitativement les propriétés de désordre de charge à l'échelle microscopique aux propriétés de transport macroscopiques d'un dispositif à base de graphène. / Graphene presents a two-dimensional system whose charge carriers are subjected to a disordered potential created by random charge impurities trapped in the substrate. This impurity potential induces an inhomogeneous carrier concentration. On the other hand, the ability of single-layered graphene to screen this potential strongly depends on the charge carrier density. Thus the effect of the resulting charge disorder can be tuned with the backgate which manifests also in the transport properties of the device. By combining Scanning tunneling microscopy and spectroscopy with in-situ transport at dilution temperature, we probe a system of single-layered graphene on SiO2. Local density of states maps on graphene, acquired at various carrier concentrations show gradual increase of spatial extent and amplitude of inhomogeneities as the Dirac point is approached. While the variations of the spatial extent of the fluctuations with back-gate show very good agreement with predictions, the observed amplitude of inhomogeneities show a larger than expected increase at low densities. We explain this as a result of the local gating effect exerted by the tip on graphene which amplifies any change in the intrinsic doping at low carrier concentrations. This is the first experiment bridging the gap between microscopic disorder and macroscopic transport properties of a graphene device.

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Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.