Pour la future génération d’aimants supraconducteurs à hauts champs magnétiques refroidis avec de l’hélium superfluide comme les prochains aimants développés pour l’amélioration des performances du Large Hadron Collider (LHC), les ingénieurs prennent en considération l’utilisation de supraconducteurs en niobium-étain. Dans leur environnement, ces aimants supraconducteurs vont être soumis à des pertes thermiques bien plus importantes que celles des aimants actuels des accélérateurs de particules. Alors que la résistance thermique due aux isolations électriques des câbles supraconducteurs constitue la principale résistance thermique au refroidissement, un nouveau type d’isolation, à base de céramique poreuse, est considéré. Afin de comprendre la capacité de refroidissement et la stabilité thermique de ces aimants, il devient alors nécessaire d’étudier les transferts thermiques en hélium superfluide dans les milieux poreux. Dans ce but, plusieurs dispositifs expérimentaux ont été mis au point afin de tester des milieux poreux modèles dont on connaît les principales caractéristiques (taille de pore, porosité, épaisseur). Par ailleurs, une étude théorique utilisant une méthode de changement d’échelle de type prise de moyenne volumique a permis d’obtenir une modélisation macroscopique des phénomènes étudiés et a montré la validité de la loi de Darcy en hélium superfluide sous certaines hypothèses. Ceci a été vérifié par des simulations numériques directes. Les résultats expérimentaux ont permis de mettre en exergue différents résultats ; tout d’abord, le régime d’écoulement est fonction de la taille des pores. Pour les pores les plus petits (10-7 et 10-6 m), le régime d’écoulement est le régime de Landau et ceci a permis de calculer la perméabilité en He II. Pour des tailles de pores de 10-5 m, le régime d’écoulement est le régime de Gorter-Mellink et les transferts de chaleur ont pu être modélisés à partir de la loi de Gorter-Mellink en introduisant la notion de tortuosité / For the next generation of high field magnets cooled with superfluid helium like magnets for the next particles accelerator or the upgrade of the Large Hadron Collider (LHC), engineers are taking into consideration the use of Nb3Sn superconductors. In their environment, these superconducting magnets will undergo much higher heat losses than in current particles accelerator. Since the thermal resistance due to the electrical insulations of the superconducting cables constitutes the main thermal resistance for cooling, new type of insulation, based on ceramic materials, are considered. In order to understand the cooling capacity and the thermal stability of these magnets, it is necessary to investigate the heat transfer through porous media in superfluid helium. In this purpose, several experiments were set up in order to study porous medium models for which we know the main characteristics (average pore size, porosity, thickness). Also, a theoretical study using an up-scaling method of type volume averaging allowed a macroscopic modeling of the studied phenomena and showed that Darcy’s law is valid in superfluid helium under given hypothesis. This has been verified by direct numerical simulations. Experimental results allowed to highlight several results; first, the flow regime depends on the pore size diameter. For the smallest pore (10-7 and 10-6 m), the flow regime is the Landau regime and this permitted to calculate the permeability in He II. For an average pore size of 10-5 m, the flow regime is the Gorter-Mellink regime and heat transfer were modeled using the Gorter-Mellink’s law by introducing the notion of tortuosity

Cette thèse a pour objectif l’étude comparée de la turbulence isotherme en hélium I (HeI, fluide classique) et en hélium II (HeII, dont une partie du fluide est inviscide) par une analyse lagrangienne. Les analogies et/ou différences du comportement dynamique en écoulement classique ou superfluide devraient ainsi nous renseigner sur les caractéristiques multi-échelles intrinsèques de la turbulence. Ce type de recherche, qui constituait une première mondiale en début de thèse, semble promis à un bel avenir (à titre d'exemple, des mesures similaires de suivi lagrangien en HeI/HeII, en aval d’un barreau oscillant, sont actuellement en cours à Charles Université, Prague).Nous avons opté pour l’écoulement canonique de grille oscillante car il est isotrope, sans vitesse moyenne (autorisant ainsi un temps d’observation long) et homogène par plan. Nous basons nos mesures sur la visualisation de microsphères creuses de verre, dont la densité est voisine de celle de l’hélium liquide. Cette expérience étant nouvelle, il a fallu procéder à sa conception et à son dimensionnement, à sa mise en place ainsi qu'à sa calibration. Le cryostat que l’on a conçu est entièrement en verre, permettant ainsi une observation multi-angles de l’écoulement. Le système de visualisation utilisé est basé sur l'imagerie haute cadence en éclairage "backlight" (diffusion avant). A partir de la reconstruction des trajectoires des particules, nous avons pu réaliser des analyses lagrangiennes à une particule (à un temps et à deux temps), mais aussi étudier la dispersion relative de paires de particules.La résolution spatiale et temporelle de nos mesures nous a permis de pleinement caractériser les échelles inertielles de la turbulence, tandis que les échelles sont plus marginalement résolues. Dans ces conditions, nous trouvons que les caractéristiques de la turbulence en HeI sont en accord avec les mesures de la littérature dans des écoulements similaires en fluide classique. Ce même comportement est également observé en HeII. / This thesis aims at comparing the isothermal turbulence in Helium I (HeI, classical fluid) and in Helium II (HeII, which has one inviscid component) through a Lagrangian analysis. Analogies and/or differences between the classical and superfluid behaviors are expected to shed new light on the intrinsic multi-scale properties of turbulence. This is a pioneering study, as no similar cryogenic experiment had been performed prior to this thesis, which opens a full range of possible future studies (as an example, similar measurements of Lagrangian tracking in the wake of an oscillating cylinder, are currently in progress at Charles University in Prague). We opted for an oscillating grid turbulence generation, which produces isotropic and homogeneous (per plane) turbulence, with no mean velocity (hence allowing longer observation times). As tracers we use hollow glass microspheres, which are almost neutrally buoyant in liquid Helium. This being a new facility, significant effort was dedicated to the design and the tailoring of the experiment, its implementation and the calibration of the flow. The cryostat hosting the experiment is fully transparent (made of glass), allowing visualization at multiple angles. Measurements were performed using high speed imaging in backlight illumination. Particle trajectories were reconstructed using Lagrangian tracking, from which we performed analysis of single particle statistics (single time and two times) as well as relative dispersion of pairs of particles. The spatial and temporal resolution of our measurements give us access to the dynamics of the flow at inertial scales, while dissipative scales are marginally resolved. In these conditions, we find that turbulence in HeI behaves in agreement with previous results obtained in similar flows using classical fluids. Interestingly, the same turbulence properties stands also for superfluid conditions.

Cette étude porte sur le transfert thermique entre un bain d'HeII pressurisé et un écoulement forcé d'HeII diphasique. Nous avons confirmé des résultats précédents ayant mis en évidence une amélioration de l'échange thermique à forte vitesse de vapeur par rapport à celui attendu. Nous sommes en mesure d'expliquer cette amélioration par la présence d'un film liquide de quelques microns sur les parois, mesuré par une sonde capacitive pariétale. En parallèle, nous avons détecté et caractérisé un brouillard de gouttes qui apparaît également à forte vitesse de vapeur. A partir de cette caractérisation, nous avons tenté d'estimer la puissance frigorifique fournie par les gouttes heurtant la paroi, pour la comparer aux non-linéarités observées du transfert thermique. Cette approche suggère que c'est bien le brouillard qui conduit à la formation du film en paroi, même si, faute d'un modèle complet de dépôt des gouttes, nous ne pouvons confirmer définitivement ce scénario.

De nombreux arguments astrophysiques sont en faveur de l'existence de matière sombre non-baryonique dans l'Univers. Le neutralino, postulé par les extensions supersymétriques du modèle standard de la physique des particules, constitue l'un des candidats privilégiés à cette masse manquante. La détection de neutralinos peut être directe, par interaction dans le détecteur, ou indirecte, via la recherche des produits d'annihilation. Dans le cadre de la détection indirecte, le travail a été effectué au sein de la collaboration AMS dont la première phase a eu lieu en juin 1998 à bord de la navette Discovery. Le spectromètre AMS est équipé d'un détecteur Cherenkov à seuil (ATC) dont les performances ont été étudiées dans le but d'optimiser la sélection d'antiprotons. Le spectre de ces derniers peut en effet signer la présence de neutralinos. Une analyse des données antiprotons d'AMS est également présentée. Finalement, une étude phénoménologique permet d'évaluer le potentiel de découverte par cette méthode. D'autre part, cette thèse porte sur le développement d'un projet de nouveau détecteur (MACHe3) pour la détection directe de neutralinos. Il s'agit d'un bolomètre à He3 superfluide, fonctionnant à ultra-basses températures. L'analyse des données expérimentales de la cellule prototype est présentée. Afin d'optimiser la configuration du détecteur pour la détection directe, une simulation Monte Carlo a été développée, permettant d'évaluer ses performances futures. La confrontation de la simulation et des prédictions des modèles supersymétriques démontre le potentiel de découverte de MACHe3 et souligne sa complémentarité avec les détecteurs existants.

Ce travail concerne l'étude thermohydraulique d'un écoulement d'hélium superfluide diphasique en conduite horizontale, comparable à celui mis en œuvre dans le refroidissement des aimants supraconducteurs du LHC au Cern. On montre que pour des vitesses de vapeur de quelques 3 à 4 m.s\mun, la phase liquide initialement stratifiée subit une atomisation qui se traduit par la présence d'un brouillard de gouttelettes transporté par la phase vapeur. Ceci a pu être montré en hélium superfluide comme en hélium normal sans différence majeure sur l'atomisation. Grâce à différents instruments et dispositifs de visualisation, plusieurs corrélations ont pu être mesurées entre la fraction de gouttelettes entraînées et la capacité frigorifique de l'écoulement diphasique, et ceci en fonction de paramètres expérimentaux comme le niveau liquide, la vitesse de la vapeur, ou encore sa densité.