Plusieurs missions sur satellite sont proposées pour résoudre un grand nombre de questions sans réponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions nécessitent des températures inférieures à 0,1 K pour fonctionner efficacement. Cette exigence signifie que la chaîne de refroidissement est un élément crucial de la conception du satellite. Les spécifications cryogéniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l'état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifique plus élevée à une température inférieure et avec à une durée de vie prolongée de 5 à 10 ans. Cela a motivé le développement d'un réfrigérateur à dilution 3He-4He en boucle fermée. Cette conception est basée sur le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigorifique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace après le processus de dilution . Pour surmonter ces limitations, le cycle a été fermé par la séparation des isotopes de l'hélium à basse température avant de les réinjecter dans le réfrigérateur . Cette thèse décrit les progrès réalisés dans le développement et dans la compréhension de ce nouveau système, et montre que les exigences de refroidissement (1 µW à 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un problème lié à la micro-gravité : la séparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos résultats expérimentaux montrent que le confinement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravité négative est possible. Ces résultats ont guidé la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravité, dernière étape du développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée adapté à la micro-gravité.

Cette thèse expérimentale explore les propriétés supraconductrices du silicium très fortement dopé, en particulier au bore, ainsi que les propriétés physiques anormale observées à plus hautes températures. La supraconductivité de Si:B est obtenue sous 1K, pour des dopages en bore supérieurs à la limite de solubilité du bore dans le silicium. Le Si:B est métallique à ces taux de dopage. Dans une première partie, nous exposons les différentes techniques expérimentales exploitées au cours de cette thèse. Nous expliquons les différentes techniques de dopage hors équilibre identifiées pour doper du silicium au-delà de la limite de solubilité, puis les techniques de caractérisation pour contrôler la qualité des couches dopées obtenues, ainsi que les méthodes de mesures aux très basses températures. Dans une deuxième partie, nous exposons les résultats obtenus sur la supraconductivité de Si:B en faisant varier dans un premier temps le taux de dopage en bore, puis en renouvelant l'étude à différentes épaisseurs de couche dopée. Nous montrons notamment que l'évolution de la Tc avec le couplage électron-phonon $lambda$ ne suit pas une loi de McMillan classique, mais plutôt une loi de puissance comme celle observée dans le cas du diamant supraconducteur. Nous montrons que ce résultat peut être expliqué dans le cadre d'un modèle d'un supraconducteur à deux couches de $lambda$ différents. En étudiant la dépendance en température et angulaire de Hc2, nous montrons que Si:B est un supraconducteur intrinsèquement de type I, mais qui devient de type II sous effet d'impuretés, et que la supraconductivité est à caractère bidimensionnel. Dans une troisième partie, nous présentons des comportements anormaux de certaines caractéristiques physiques mesurées dans certaines séries de Si:B, à partir de 50K et qui persistent jusqu'à au moins 400K. Nous présentons des mesures de magnétotransport, d'effet Hall et de mesures thermoélectriques qui présentent toutes des caractéristiques hautement non linéaires, et donc anormales pour un métal. L'origine de ces anomalies est toujours ouverte. Enfin, nous présentons quelques perspectives de travail, en particulier les premières mesures sur un échantillon avec une géométrie de type SQUID. / This experimental PhD thesis explore the superconductivity of heavily boron doped epilayers as well as some unusual properties observed at high temperatures. The superconductivity of Si:B is observed below 1K and triggered by boron content exceeding the solubility limit of boron into silicon. For such high boron contents, the silicon layers are metallic. In a first part, we develop the various experimental techniques used. We explain the principles of the out-of-equilibrium doping techniques required to doped beyond the solubility limit. We develop also on the characterisation techniques used to control the quality of the samples, as well as the low temperatures measurement techniques. In a second part, we show the results obtained on the superconductivity of Si:B, obtained forst by varying the boron content at a given layer thickness, and then as a function of the layer thickness. We show that the evolution of Tc with the electron-phonon coupling constant lambda doesn't follow the classical McMillan law, but rather a power of law as it was reported for superconducting diamond. We show that this result can be explained by a double layer model with dislocations resulting in two different lambda values for each sublayer. The study of the temperature and angular dependency of the Hc2 also show that Si:B is an intrinsic type I superconductor turned into type II with defect effects, and that the superconductivity is bidimensionnal. In a third part, we present the anomalous high temperature behaviour of some Si:B epilayers, starting from 50K and observed at least up to 400K. We present magnetotransport, Hall effect and thermoelectric measurements that all show a highly non linear behaviour, unusual for a metal. The origin of these anomalies is still an open question. We finally present some future perspectives, including the first measurements on a Si:B SQUID-like geometry.

Les échangeurs multifluides à plaques brasées (EPB) sont d’une technologie complexe qui permet de très fortes intégrations énergétiques, mais rend leur conception très délicate. Ces travaux ont pour objectif la modélisation et la simulation en 3D des EPB. Ils intègrent la maldistribution des fluides sur la largeur des passages qui peut dégrader fortement les performances thermiques de l’échangeur. La carte 3D des températures obtenue permettra le calcul des contraintes mécaniques. Le parcours d’un fluide est assimilé à un réseau hydraulique défini grâce à la théorie des graphes. Une méthode de maillage a été spécifiquement adaptée pour le couplage thermo-hydraulique. Ce dernier impose une résolution simultanée des équations de bilans matière, thermique et de quantité de mouvement par un système non linéaire de grande dimension et creux, avec mise en place de méthodes numériques adaptées. Enfin, des études de cas industriels sont présentées pour illustrer le simulateur 3D.

Ce travail s'attaque à la mise en évidence expérimentale d'effets quantiques dans le mouvement d'un résonateur mécanique macroscopique avec une masse effective de 33 microgrammes, soit 3 ordres de grandeur au-dessus de celle du système mécanique le plus massif observé à ce jour dans son état quantique fondamental. Nous avons conçu, fabriqué et fait fonctionner un résonateur optomécanique à 3,6 MHz avec une finesse optique de 100.000 et un facteur de qualité mécanique proche de 100 millions, inséré dans l'environnement à 100 mK d'un réfrigérateur à dilution. Nous présentons un montage optique complètement automatisé incluant une cavité de filtrage, une détection homodyne et plusieurs asservissements, implémentés dans un FPGA avec le programme PyRPL développé spécifiquement pour cette expérience. Nous avons refroidi par laser le mode de compression de notre résonateur mécanique jusqu'à un nombre moyen d'occupation thermique de 20 phonons. Le refroidissement est limité par l'apparition d'une instabilité optomécanique de plusieurs modes des suspensions, au-dessous de 100 kHz. Un filtre digital particulier pour supprimer cette instabilité nous a permis d'atteindre le régime où l'action en retour quantique contribue à hauteur d'environ 30 % au bruit de force total de l'oscillateur mécanique. Pour atteindre des contributions encore plus importantes à l'avenir, nous présentons la conception d'un miroir d'entrée à cristal phononique, caractérisé par un plancher de bruit de mouvement Brownien réduit. / In this work, we attempt the experimental demonstration of quantum effects in the motion of a macroscopic mechanical resonator with a mass of 33 micrograms, about 3 orders of magnitude above the mass of the heaviest system demonstrated so far in the quantum ground state. We have designed, fabricated, and operated an optomechanical resonator at 3.6 MHz, with an optical finesse of 100,000 and a mechanical quality factor near 100 million, embedded in the 100 mK environment of a dilution refrigerator. We present a fully automatized optical measurement setup, including a filter cavity, a homodyne detector, and various feedback controllers implemented in an FPGA with the custom-developed software PyRPL. We have laser-cooled the compression mode of our mechanical resonator to a mean thermal occupation number of 20 phonons. Cooling is limited by the onset of an optomechanical instability of suspension modes with frequencies below 100 kHz. A custom-tailored digital filter to suppress this instability has enabled us to reach a regime where quantum backaction amounts to about 30 % of the total force noise on the mechanical resonator. For even higher ratios in the future, we present the design of a phononic-crystal input mirror with a reduced Brownian motion displacement noise floor.

L'observation de la désintégration double bêta sans émission de neutrino (0ν2β) fournirait des informations essentielles sur la nature du neutrino et son échelle de masse absolue. Ce processus consiste en la transformation simultanée de deux protons en deux neutrons avec l'émission de deux électrons et aucun neutrino. Cette transition n'est possible que si les neutrinos sont égaux aux antineutrinos (nature Majorana du neutrino). Les recherches pour une désintégration à ce point rare représentent un défi technique complexe, car les expériences de prochaine génération visent des sensibilités de l'ordre de 10^27-10^28 ans afin d'avoir un potentiel de découverte élevé. Cette thèse est focalisée sur les projets LUMINEU et CUPID-Mo, développant la technique des bolomètres scintillants pour la recherche de désintégration 0ν2β avec le radio-isotope 100Mo.Les bolomètres sont des détecteurs cryogéniques mesurant l'énergie des particules déposées via un changement de température dans l'absorbeur. Si des cristaux scintillants sont utilisés comme absorbeurs, les signaux lumineux peuvent être enregistrés avec un bolomètre auxiliaire, sensible à l'énergie totale déposée par les photons de scintillation. Une telle configuration permet de séparer les particules α des γ/β, en rejetant le fond le plus difficile. La technologie des bolomètres scintillants est décrite en détail comme une option pour une future expérience cryogénique à l'échelle d'une tonne, appelée CUPID, qui peut couvrir complètement la région de masses de neutrinos dans la hiérarchie inversée. / Neutrinoless double beta (0ν2β) decay is a process of great interest for neutrino physics: its observation would provide essential information on neutrino nature and its absolute mass scale. This process consists of the simultaneous transformation of two protons into two neutrons with the emission of two electrons and no neutrino, implying the violation of the total lepton number. Such transition is possible only if neutrinos are equal to antineutrinos (Majorana particles). The searches for such a rare decay are becoming a complicated technical challenge, as next generation of 0ν2β experiments aim at sensitivities of the order of half-life at 10^27-10^28 yr. This thesis is focused on LUMINEU and CUPID-Mo projects, developing the scintillating bolometers technique for 0ν2β decay search with 100Mo with Li2MoO4 crystals. Bolometers are cryogenic detectors measuring the deposited particle energy as a change of temperature in the absorber. The use of scintillating crystals allows to perform discrimination of α particles from γ/β ones due to different light output of these two particle types, rejecting the most challenging background. The scintillating bolometers technology is described in details as an option for a future ton-scale cryogenic experiment, named CUPID, which can completely cover the inverted hierarchy region of neutrino masses.

Les particules cosmiques sont émises par différentes sources galactiques et sont composées de protons et de noyaux d'hélium. Ces éléments interagissent avec les matériaux et y déposent leur énergie par interaction nucléaire. L'instrument Planck/HFI a observé le ciel depuis l'espace dans le but de cartographier le fond diffus cosmologique. Pour cela, HFI embarque un plan focal refroidit à 100 mK composé de 54 bolomètres. Le flux de particules cosmiques, interagissant avec les composants des détecteurs (thermomètre, grille, wafer), chauffe ponctuellement les capteurs (glitches) ce qui entraine une dégradation du signal scientifique. Leur étude a révélé un autre effet thermique caractérisé par un chauffage global du plan focal de l'ordre du microkelvin, les High Coincidence Events (HCE). Deux familles de HCE ont été isolées dans les données : les rapides, générés par des gerbes de particules secondaires formées dans les couches externes du satellite et interagissant avec l'ensemble de l'instrument HFI ; les lents, généré par la vaporisation d'hélium formant un lien thermique ponctuel entre le plan focal et l'étage à 1,6 K lui faisant face. L'exposition d'une matrice de bolomètres TES à une source de particules α a démontré une réponse similaire mais également des glitches simultanés entre les pixels.Ces recherches démontrent que les particules cosmiques et les gerbes de particules doivent être étudiées afin d'éviter des effets thermiques prédominant. Le développement des prochaines générations de détecteurs, devront ainsi prendre en compte ces interactions indissociables d'une mission spatiale et s'en prémunir. / Cosmic rays are emitted from different galactic sources and consist of protons and helium nuclei. These elements interact with matter and deposit part of their energy by nuclear interaction.The Planck/HFI instrument observed the sky from space to map the Cosmic Microwave Background. For this purpose, HFI has a focal plane cool down to 100 mK and composed of 54 bolometers. The interactions of the cosmic ray flux with the detectors' components (thermometer, grid and wafer) heat up regularly the sensor (glitches) which leads to a degradation of the scientific signal. Studying them revealed another thermal effect characterized by a thermal increase of the entire focal plane up to the microkelvin range, the High Coincidence Events (HCE).Two HCE famillies were separated: the fast ones, generated by cosmic ray showers developed in the external layers of the satellite and interacting with the entire HFI instrument and the slow ones, generated by the vaporisation of helium forming a ponctual thermal link between the focal plane and the 1.6 K stage facing it.Exposure of a TES bolometer matrix to an α particules source showed a similar response but also simultaneous glitches on several pixels. This work demonstrates that cosmic rays and particle showers on next low temperature experiments has to be studied to prevent predominating thermal effects from it. The developpement of futur space experiments will have to take these interactions into account to elimiate them from data.

Les boucles de circulation naturelle d'hélium diphasiques sont utilisées comme systèmes de refroidissement d'aimants supraconducteurs de grande envergure, vus leurs avantages inhérents de sûreté et d'entretien. Des exemples sont le détecteur CMS au CERN (déjà en opération) ou les aimants du spectromètre R3B-GLAD au GSI (en installation). Une des préoccupations majeures lors du refroidissement par ébullition est la crise d'ébullition : la dégradation soudaine du transfert de chaleur pariétal au-delà d'une certaine valeur de flux de chaleur, dénommée critique. L'augmentation de température de paroi qui en résulte peut entraîner la perte de l'état supraconducteur de l'aimant.Les boucles de circulation naturelle à l'hélium ont déjà été étudiées expérimentalement et numériquement en régime permanent, spécialement en régimes pré-critiques (ébullition nucléée). Les travaux sur les transferts de masse et de chaleur en hélium en ébullition en régime transitoire présents dans la littérature ciblent principalement des systèmes de petites dimensions, des canaux très étroits ou trop courts, ou l'ébullition en bain. Bien que des comportements qualitativement similaires sont attendus, l'extrapolation de ces résultats à une boucle de circulation naturelle n'est pas évident, si possible. C'est pourquoi une étude particulière du comportement thermohydraulique transitoire de boucles d'hélium en circulation naturelle, lors d'une augmentation soudaine de la charge thermique, est nécessaire. Une partie de cette étude consiste en des expériences sur une boucle d'hélium diphasique en circulation naturelle de 2 m de haut, à 4,2 K. Deux sections chauffées verticales de diamètre différent (10 et 6 mm) et d'environ 1 m de longueur ont été testées. Les transitoires sont induits par une marche soudaine de puissance. Deux types de condition initiale ont été considérés : statique (sans puissance initiale), et en équilibre dynamique (puissance initiale non-nulle). L'évolution de la température de paroi le long de la section, le débit massique et la perte de charge a été mesurée. Parmi d'autres phénomènes, un fort intérêt a été porté au début de la crise d'ébullition. Les valeurs limites de flux de chaleur final auxquelles la crise arrive ont été déterminées. D'un côté, on a observé que la crise peut avoir lieu de façon temporaire ou permanente à une puissance appréciablement plus faible qu'en régime permanente. De l'autre côté, l'augmentation de la circulation initiale, à travers le flux de chaleur initial, peut inhiber partiellement ou totalement cette crise d'ébullition prématurée. On a déterminé que cette dégradation du transfert de chaleur est l'issu de deux phénomènes en compétition, véritablement inhérents à la circulation naturelle : une étape initiale d'accumulation uniforme de vapeur, avec inversion ou diminution de la vitesse d'entrée, et l'établissement ultérieur de la circulation, avec le transit d'un front froid depuis l'entrée. Une analyse semi-empirique nous a permis de déterminer un critère, basé sur l'évolution dynamique du profile spatial du titre massique, pour prédire le déclenchement de la crise. Néanmoins, il est nécessaire de connaître à priori l'évolution du débit massique pour pouvoir appliquer ce critère. La dernière partie de ce travail est dévouée à la production et validation de modèles et outils de calcul pour la simulation du comportement thermohydraulique d'un tel système. Deux options de modélisation sont présentées. L'une est une simplification des équations du modèle homogène 1D des écoulements diphasiques (mise en place en COMSOL) ; l'autre reprend le modèle homogène tel quel (programmé en C). Les simulations d'évolution du débit massique sont en assez bon accord avec les mesures, à l'exception d'un léger déphasage temporel. Ceci pourrait être dû à la combinaison d'un retard de l'instrumentation pour la mesure du débit et de l'inexactitude des hypothèses de base du modèle homogène lors de transitoires très violents. / Boiling helium natural circulation loops are used as the cooling system of large superconducting magnets because of their inherent safety and maintenance advantages. Examples are the cooling systems of the CMS detector solenoid magnet at CERN (already in operation) or the R3B-GLAD spectrometer magnet at GSI (in installation phase). A major concern in boiling cooling systems is that of boiling crisis: a sudden deterioration of the wall heat transfer takes place when the surface heat flux exceeds a certain value, called the critical heat flux (CHF). The resulting high temperatures on the wall could ultimately entail the loss of superconducting state of the magnet.Helium natural circulation loops have already been studied experimentally and numerically in steady state, especially in the pre-critical heat and mass transfer regimes (nucleate boiling). Works on transient boiling heat and mass transfer in helium present in the literature are mostly focused on small systems, very narrow channels, too short pipes or pool boiling. Although it is expected to find qualitative similarities with already observed behavior, the extrapolation to a natural circulation loop is not easy, if even possible. Hence the need for a particular study on the transient thermohydraulic behavior of helium natural circulation loops, after sudden increases in the heat load of the circuit.A part of this study consists of experiments conducted in a 2-meter high two-phase helium natural circulation loop at 4.2 K temperature. Two vertical heated sections with different diameters (10 and 6 mm) and around 1 m length were tested. Heat load transients were driven by a step-pulsed heat load. Transients with two types of initial conditions have been studied: static loop (no initial power applied) and in-dynamic-equilibrium loop (non-zero initial power applied). The evolutions of wall temperature along the heated section, total mass flow rate and pressure drop were measured. Among other phenomena, the nature of the onset of boiling crisis has received a special attention. The values of final heat flux limits for its occurrence have been determined. On the one hand, we observed that boiling crisis can take place in temporary or stable fashion at power significantly lower than in steady state. On the other hand, the increase of initial circulation, by raising initial heat flux, can inhibit partially or completely this power-premature boiling crisis. We could determine that this heat transfer deterioration is the result of two competing phenomena, veritably inherent to the natural circulation feature of the system: an initial stage of uniform vapor accumulation with inlet back-flow or velocity reduction, and the ulterior onset of circulation with the transit of a cold front from the entrance. A semi-empirical analysis of data allowed determining a criterion, based on the dynamic evolution of the quality profile in the section, to predict the incipience of boiling crisis. It became evident that it is necessary to know how the mass flow rate of the system is going to evolve, in order to apply the mentioned criterion.Hence, the other part of this work is aimed to the production and validation of models and calculation tools in order to simulate the thermohydraulic behavior of a two-phase helium natural circulation loop. Two modeling options are proposed. One of them consists of a simplification of the 1D two-phase homogeneous model equations (implemented in COMSOL) and the other of their full version (coded in C language). The simulated mass flow rate represents reasonably well the measured evolution except for a relatively small time phase-shift. This could be due to a combination of the delay of flow-metering instrumentation with the inaccuracy of the basic homogeneous model assumptions during violent transients.

Les travaux de thèse décrits dans ce manuscrit s’intéressent à la modélisation et lecontrôle de procédés cryogéniques associés à un LINAC supraconducteur. Les élémentsconstituants le système cryogénique du LINAC (cryomodules, vannes, tuyaux,...) sontmodélisés sous forme d’objets inter-connectables. Ces mêmes objets sont utilisés pourmodéliser le système cryogénique de l’accélérateur SPIRAL2. La justesse de ces modèlesest évaluée à travers des comparaisons entre simulations non-linéaires et mesures expérimentales.Une fois la capacité de prédiction des modèles validée, ces derniers sont utiliséspour synthétiser des lois de commande. Tout particulièrement, une commande linéairequadratique ainsi qu’un filtre de Kalman étendu ont été réalisés pour les cryomodulesde SPIRAL2. Enfin, la réalisation d’une commande hiérarchisée appliquée au cas d’unréfrigérateur cryogénique est étudiée. Une méthode est proposée pour le contrôle de plusieurssous-systèmes inter-connectés et régulés par des contrôleurs PID, LQ et MPC. / The thesis works describe in this manuscript deal with the modelling and the control ofLINAC cryogenic process. The components of the LINAC cryogenic system (cryomodule,valves, pipes,...) are modeled as interconnectable objects. Those same objects are usedto model the SPIRAL2 cryogenic system. The model trueness is evaluated through comparisonbetween experimental and simulated data. Once the model prediction capabilityhas been validated, the models are used to synthetized control laws. More specifically, alinear quadratic command and an extended Kalman filter has been realized for the SPIRAL2cryomodule. Finally, a hierarchical control for a cryogenic refrigerator has beenstudied. A method is proposed for the control of multiple interconnected subsystemsregulated through PID, LQ and MPC controllers.

Un caloduc pulsé diphasique est un lien thermique composé d'un tube capillaire lisse sous forme de serpentin reliant un évaporateur à un condenseur, séparés par une partie adiabatique. Les conditions de température et de pression du fluide à l'intérieur du caloduc sont proches des conditions de changement de phase. De ce fait, et grâce aux dimensions capillaires du tube, le fluide se distribue en différentes parties liquide et vapeur distribuées de manière alternée. Les instabilités thermo-hydrauliques permanentes sont à l'origine d'un écoulement oscillant qui permet le transfert de chaleur de l'évaporateur jusqu'au condenseur.L'objectif du présent projet de recherche consiste à étudier le comportement thermo-hydraulique de trois caloducs cryogéniques pulsés diphasiques testés avec différents fluides cryogéniques (azote, néon et argon) pour le refroidissement d'aimants à haute température critique. De plus, un code numérique a été développé pour les futures simulations 2D des caloducs pulsés diphasiques.Au cours de ce projet de recherche, de nombreux tests expérimentaux ont été réalisés avec trois fluides cryogéniques différents: azote, néon et argon. Les résultats expérimentaux des tests avec une augmentation de puissance progressive dans l'évaporateur ont révélé des capacités de transfert thermiques très différentes en fonction du fluide, chaque fluide présentant un comportement thermo-hydraulique différent. L'état thermodynamique du fluide lors du fonctionnement stable du PHP et la phase d'assèchement (dry-out) ont été étudiés. Les différences dans le comportement des différents fluides ont été expliquées après l'analyse de leurs propriétés physiques. De plus, les taux de remplissage de fluide dans le PHP donnant les meilleures performances thermiques ont été définis. Ajouté à cela, de nombreux tests réalisés en configuration ouverte (avec le PHP connecté au volume tampon) et en configuration fermé (avec le PHP isolé du volume tampon) ont permis de conclure sur la capacité de régulation du volume tampon en cas de surpression dans le PHP. Aussi, les résultats expérimentaux des longs tests de stabilité ont permis de vérifier la stabilité du système PHP pendant des longues périodes de fonctionnement. Par ailleurs, des tests spécifiques ont été réalisés pour déterminer des conditions optimales de démarrage, l'influence de la température du condenseur dans les performances thermiques du système et l'influence du nombre de tubes en parallèle dans la capacité de transfert thermique du système. Finalement, une série de tests avec une forte puissance thermique imposée au niveau de l'évaporateur imitant une situation de quench dans un aimant supraconducteur ont données des précieuses informations sur les limites thermiques du système. Concernant les simulations numériques, un modèle a été développé avec le solveur Fluent pour des simulations dans une géométrie 2D axisymétrique en utilisant la méthode VOF. La dynamique du fluide dans un tube capillaire a été modélisée et les simulations thermiques ont permis de conclure que les instabilités thermodynamiques restent insuffisantes pour maintenir les oscillations du fluide. Ce modèle est présenté comme une nouvelle plateforme pour de futures modélisations 2D des caloducs pulsés diphasiques. / A pulsating (or oscillating) heat pipe (PHP or OHP) is a heat transfer device composed of a single capillary tube bent in many U-turns, connecting an evaporator to a condenser, separated by an adiabatic part. In the PHP, temperature and pressure conditions of the working fluid are close to phase-change conditions. Due to this and to the capillary dimensions of the tube, the fluid is distributed in alternating liquid slugs and vapor plugs. Permanent thermal instabilities in the PHP create the oscillating flow which allows the transfer of heat from one end (the evaporator) to the other (the condenser).The objective of the present work consists in characterizing the thermo-hydraulic behavior of the meter-scale horizontal cryogenic pulsating heat pipes as a cooling solution for space superconducting magnets. To this, several experiments have been conducted in a cryogenic facility containing three different horizontal pulsating heat pipes. In addition, a numerical 2D model has been proposed for future horizontal pulsating heat pipes simulations.During the research project, numerous tests have been performed using three different working fluids: nitrogen, neon and argon. From experimental results of progressive heat load tests it has been possible to compare the maximum heat load transfer capacity of the PHP with each fluid and the corresponding thermal performance. It has also been noticed that each fluid presents a specific behavior concerning the fluid oscillations. In addition, the thermodynamic state of the fluid in operating conditions and the dry-out process have been characterized. Differences between fluid's behaviors have been partly explained by analyzing the evolution of the fluid physical properties related to the movement and the heat transfer capacity. Furthermore, it has been possible to conclude about the relation between the liquid filling ratio in the PHP and its thermal performance, determining the filling ratios giving the highest thermal performances. Moreover, similar tests have been performed in open configuration (with the PHP connected to the buffer volume) and closed configuration (with the PHP isolated from the buffer volume). From this, it has been possible to conclude about the regulation made by the buffer volume in case of overpressure in the PHP. Also, experimental results from long stability tests have confirmed that these pulsating heat pipe are able to work in stable conditions during long periods as a reliable cooling system. In addition to that, specific tests have been done to determine the optimum start-tup conditions, the influence of the temperature of the condenser in the thermal performance and the influence of the number of turns in the global heat transfer capacity. A final series of tests have been achieved with a sudden extra heat load at the surface of the evaporator while the PHP is operating in stable conditions, simulating a quench event of a superconducting magnet. Experimental results gave us precious information about the transient thermal behavior and operating limits of this kind of device during transient heat loads like quench situations. Concerning the numerical part, a numerical model has been proposed for transient simulations with a pressure-based Fluent solver using the Volume of Fluid (VOF) method in a 2D axisymmetric geometry. Certain characteristics of fluid dynamics in capillary tubes have been confirmed. It has also been noticed that thermodynamic instabilities are not enough to generate the fluid oscillations in capillary tubes. Even if the 2D axisymmetric simulation is still at its early stages, several aspects of the models have been validated after analyzing the evolution of different parameters, suggesting that this kind of model can be considered as a new platform for future 2D pulsating heat pipes simulations.

Nous présentons la réalisation d'un montage expérimental visant à mesurer optiquement les fluctuations quantiques de position d'un résonateur mécanique macroscopique. Le résonateur est placé dans un environnement cryogénique et son mouvement est observé grâce à une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons conçu et réalisé un résonateur optimisé pour l'observation de ses fluctuations quantiques de position. Il s'agit d'un micro-pilier en quartz vibrant selon un mode de compression et maintenu en son milieu par une fine membrane. Nous avons obtenu un mode fondamental de vibration oscillant à 4 MHz avec un facteur de qualité mécanique de près de deux millions. Nous avons conçu une cavité Fabry-Perot de grande finesse avec ce résonateur. Un miroir de haute réflectivité est déposé uniquement au sommet du pilier afin d'éviter de dégrader son facteur de qualité mécanique. Nous avons développé une technique d'ablation par laser pour réaliser des coupleurs d'entrée de la cavité ayant à la fois un très faible rayon de courbure et une grande réflectivité. Ceci nous a permis de construire une cavité de finesse 50 000 dont la taille du col optique, inférieure à 10 μm, est bien adaptée aux dimensions du résonateur. Nous avons fait développer un cryostat à dilution optimisé pour une mesure de position ultrasensible, dans lequel nous avons placé le dispositif optomécanique. L'ensemble du montage optique, constitué d'une source laser ultra-stable et d'un dispositif de détection des mouvements du résonateur, nous a permis d'observer les fluctuations thermiques de position du résonateur jusqu'à une température de l'ordre de 1 K.