Cryocoolers are closed cycle devices which produce cooling below 120 K. Usually, one or two linear motors are used to drive one pulse tube cryocooler. Cryocoolers are used for various applications like, cooling of infra red detectors, cryo surgical knife, cryogen recondenser etc. In this thesis the design development and testing of Twin Pulse Tube Cryocooler (TPTC) are discussed. TPTC consists of two pulse tubes driven by dual piston head linear compressor. This dual piston linear compressor is operated using single linear motor. Using this configuration, cooling power is doubled with reduced cost of compressor. The design, fabrication and testing of Linear Moving Magnet Synchronous Motor (LMMSM) based dual piston head linear compressor are carried out indigenously. Finite Element Method (FEM) analysis is used for estimating eddy current loss and flux distribution pattern in various mover configurations of the linear motor. The developed fabrication and assembly procedure of linear motor are discussed in detail. The mover of linear motor is supported by using a pair of cross armed C – type flexures. These flexures are designed using FEM and are fabricated indigenously. The flexure pairs are tested for 108 cycles with ± 3 mm stroke length of linear motor before assembling compressor. Linear motor is usually required to be operated at different frequencies. Thus, a variable frequency and variable voltage Pulse Width Modulated (PWM) based power supply is designed using analog circuits like Op-Amps. This cost effective power supply is capable of delivering 27 A at 100 V with frequency range of 25 Hz to 80 Hz continuously. Sage software was used to carry out 1-D simulation and obtain dimensions of various Pulse Tube Cryocooler (PTC) components. Various pulse tube configurations like Joint Twin PTC, Twin PTC with buffer volume and single PTC with buffer volume were carried out. A Computational Fluid Dynamics (CFD) Fluent 2-D analysis was carried out for single PTC with buffer volume. The fabrication and assembly procedure of PTC is discussed in detail. A novel method of heat exchanger fabrication was developed and analyzed using FEM and its performance is tested experimentally. The twin PTC is operated at 34 bar and 48 Hz. A light weight High Temperature Superconductor (HTS) based level sensor is developed to monitor the cryogen level. The developed sensor was calibrated against discrete diode array and pre-calibrated continuous capacitance type level sensor. The calibrations were carried out in indigenously designed and fabricated 4-wall cryostat using Liquid Nitrogen (LN2) and LOX as cryogen. LabVIEW software based data acquisition was designed for testing, recording and monitoring the performance of twin PTC and level sensors during experiments.

Certaines missions d'astrophysique embarquent des détecteurs infrarouges ou X qui sont refroidis à des températures subkelvin via un système cryogénique qui comporte soit un bain d'hélium (comme pour Herschel), soit un réfrigérateur Joule-Thomson (comme pour Planck) pour le pré-refroidissement de l'étage subkelvin. Un doigt froid à tube à gaz pulsé ayant les mêmes performances qu'un Joule-Thomson pourrait offrir un certain nombre d'avantages pour les futures chaines cryogéniques (pas de pré-refroidissement nécessaire, simplicité d'intégration, fiabilité accrue).L'objectif de cette thèse concerne l'étude et la réalisation d'un doigt froid à tube à gaz pulsé 4K qui pourrait remplacer une machine Joule-Thomson. Deux principaux axes d'étude ont été menés parallèlement : des études sur les matériaux régénérateur et des études de performances. Des développements technologiques portant sur le régénérateur (étude et mise en forme de différents matériaux ayant des anomalies de chaleur spécifique à basse température) ont été menés afin d'améliorer les performances d'un doigt froid à tube à gaz pulsé haute fréquence (30Hz) travaillant avec de l'hélium 4.Cette thèse a permis d'obtenir la meilleure performance mondiale en terme de température limite en utilisant de l'hélium 4 et avec un pré-refroidissement à 20K. Une température limite de 3,86K a été obtenue et une puissance froide de 25mW est disponible à 5K. Cette thèse a également permis d'étudier l'effet du gaz réel sur le comportement de la machine, en particulier grâce à des mesures de profils de température du régénérateur. Cinq configurations différentes de régénérateur (variation de la répartition de chaleur spécifique le long du régénérateur froid) ont été testées. Elles ont permis de mieux comprendre le rôle de la répartition de la chaleur spécifique dans le régénérateur. Ces différentes mesures ont été complétées avec des études de fluctuations de températures pariétales réalisées à l'aide d'une centrale d'acquisition rapide (toutes les millisecondes). / Some astrophysics missions embark infrared or X detectors which are cooled down to subkelvin temperatures using a cryogenic cooling system that features helium bath (like for the Herschel satellite) or a Joule-Thomson cryocooler (like for the Planck satellite) for the precooling of the subkelvin cooling stage. A pulse tube cold finger which would have the same performances as a Joule-Thomson cryocooler could offer some advantages for future cryogenic chains (no need of precooling, simplicity of integration, increased reliability).The goal of this PhD is the making and the study of a pulse tube cold finger working at temperature around 4K which could replace a Joule-Thomson cryocooler. Two main lines have been worked on simultaneously : studies on materials for the cold regenerator and studies on the cold finger performances. Technological developments on the cold regenerator (including study and shaping of different materials with specific heat anomalies at low temperature) have been performed to enhance the performances of a cold finger working at high frequency (30Hz) with helium 4.The work done during this PhD led to the best no-load temperature never achieved using helium 4 and with a precooling of 20K. A no-load temperature of 3.86K has been obtained and 25mW of cooling power are available at 5K. In addition the effect of real gas on the cryorefrigerator operation has been studied in particular thanks to the measurement of regenerator thermal profiles. Five configurations with different regenerator fillings (variation of the distribution of the specific heat along the cold regenerator) have been tested. These five tests led to a better understanding of the role of the distribution of the specific heat in the regenerator. These measurements have been completed with studies of regenerator wall temperature fluctuations recorded thanks to a fast data acquisition system (each millisecond).

L'4He et l'3He sont des systèmes modèles pour comprendre les propriétés quantiques de la matière fortement corrélée. C'est pour cette raison que plusieurs études ont été consacrées à la compréhension de leur dynamique. A basses températures où les effets quantiques jouent un rôle essentiel, les excitations élémentaires dans l'4He sont décrites par un mode collectif d'excitations: phonon-roton. Par contre pour un système d'3He la description est plus complexe, le spectre d'excitation a deux composantes: un mode collectif (zéro-son) et un continuum d'excitations incohérentes de type particule-trou. Les deux sont bien décrites par la théorie de Landau des liquides de Fermi qui trouve sa validité pour des petits vecteurs d'onde. Jusqu'à présent, on supposait que la dynamique dans les liquides de Fermi à vecteurs d'onde élevés était essentiellement incohérente. Cette thèse porte sur l'exploration, par diffusion inélastique de neutrons, des excitations collectives dans l'3He liquide 2D adsorbé sur un substrat de graphite. Un tel travail expérimental requiert trois ingrédients essentiels : un réfrigérateur à dilution afin de travailler à basses températures, un spectromètre temps de vol afin de mesurer le facteur de structure dynamique du système et un substrat solide (graphite exfolié ZYX) pour la préparation de films d'3He-2D par physisorption. Nos expériences sur ces films d'3He déposés en deuxième couche sur de l'4He solide adsorbé sur le graphite nous ont permis de faire les observations suivantes : à petit vecteur d'onde, le zéro-son est plus proche de la bande particule-trou que celui observé dans le cas de l'3He massif, tandis qu'à fort vecteur d'onde le mode collectif entre dans le continuum et réapparait de l'autre côté. Cette nouvelle branche, observée pour la première fois, est aujourd'hui décrite par la théorie dynamique à N-corps développée par nos collaborateurs de l'université Johannes Kepler de Linz, Autriche. Au cours de ce travail de thèse plusieurs techniques expérimentales ont été développées, en particulier, un réfrigérateur à dilution sans fluide cryogénique robuste adapté à des expériences de diffusion neutronique. Son optimisation a permis de réduire le temps de refroidissement de ce type de réfrigérateurs.

Pulse tube cryocoolers (PTC) are a class of rugged and high-endurance refrigeration systems that operate without moving parts at their low temperature ends, and are capable of reaching temperatures down to and below 123 K. PTCs are particularly suitable for applications in space, guiding systems, cryosurgery, medicine preservation, superconducting electronics, magnetic resonance imaging, weather observation, and liquefaction of gases. Applications of these cryocoolers span across many industries including defense, aerospace, biomedical, energy, and high tech. Among the challenges facing the PTC research community is the improvement of system efficiency, which is a direct function of the regenerator component performance. A PTC implements the theory of oscillatory compression and expansion of the gas within a closed volume to achieve desired refrigeration. An important deficiency with respect to the state of art models dealing with PTCs is the limited understanding of the hydrodynamic and thermal transport parameters associated with periodic flow of a cryogenic fluid in micro-porous structures. In view of the above, the goals of this investigation include: 1) experimentally measuring and correlating the steady and periodic flow Darcy permeability and Forchheimer’s inertial hydrodynamic parameters for available rare-Earth ErPr regenerator filler; 2) employing a CFD-assisted methodology for the unambiguous quantification of the Darcy permeability and Forchheimer’s inertial hydrodynamic parameters, based on experimentally measured steady and periodic flow pressure drops in porous structures representing recently developed regenerator fillers; and 3) performing a direct numerical pore-level investigation for steady and periodic flows in a generic porous medium in order to elucidate the flow and transport processes, and quantify the solid-fluid hydrodynamic and heat transfer parameters. These hydrodynamic resistances parameters were found to be significantly different for steady and oscillatory flows.