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1. Brasiliano, Diego Augusto Paixao. Etude et réalisation d'une ADR spatiale 4 K - 50 mK : Study and realization of a 4 K – 50 mK adiabatic demagnetization refrigerator for space.

Degree: Docteur es, Physique appliquée, 2017, Université Grenoble Alpes (ComUE)

Cette thèse porte sur la recherche et l'amélioration de cryoréfrigérateurs à désaimantation adiabatique (ADR) pour la gamme 4 K - 50 mK. Ce refroidissement à 50 mK permettra de répondre aux besoins de réfrigération des détecteurs les plus sensibles envisagés pour les instruments des missions d'astrophysique. Ce réfrigérateur doit être efficace et de masse optimisée.Les axes clefs de ce travail sont la mise au point d’une méthode d’identification de réfrigérants magnétiques de haute performance et l'étude d’interrupteurs thermiques efficaces. Parmi les matériaux étudiés, le YbGG (Yb3Ga5O12) a été identifié comme un excellent réfrigérant potentiel pour la gamme 1.5 K - 0.4 K, confirmé par sa caractérisation expérimentale. Le travail sur les interrupteurs thermiques à gaz d'échange a permis de supprimer ou de réduire de façon importante des effets de courts-circuits thermiques transitoires parasites, lesquels apparaissent dans les conditions particulières d’utilisation de ce type de cryocooler. Finalement, un démonstrateur de cryoréfrigérateur constitué de 3 étages d’ADR en série, adapté pour les besoins des futures missions spatiales, a été dimensionné et fabriqué.

Highly sensitive detectors required for astrophysics missions demand temperatures of about 50 mK to operate with the targeted sensitivity. This PhD work is dedicated on the research and development of Adiabatic Demagnetization Refrigerators (ADR) for space in the 4 K - 50 mK range. In particular, this cryocooler is required to be efficient with optimized mass.The key points of this work are the development of a method allowing the identification of highly efficient paramagnetic materials and the improvement of thermal heat switches. Among the material studied, YbGG (Yb3Ga5O12) was identified to have a great potential as a magnetic refrigerant in the 1.5 K - 0.4 K range, which was confirmed by its characterization. Transient thermal short circuits may appear on the gas-gap thermal switches under the working conditions of this cryocooler. This study allowed us to suppress or to considerably attenuate this effect. Finally, a cryocooler prototype consisting of 3 ADR stages was designed and built.

Advisors/Committee Members: Luchier, Nicolas (thesis director).

Subjects/Keywords: Cryogénie spatiale; Cryoréfrigérateur; Adr; Matériaux paramagnétiques; Interrupteurs thermiques à gaz d'échange; Space cryogenics; Cryocooler; Adr; Paramagnetic materials; Gas-Gap heat switches; 530

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APA (6th Edition):

Brasiliano, D. A. P. (2017). Etude et réalisation d'une ADR spatiale 4 K - 50 mK : Study and realization of a 4 K – 50 mK adiabatic demagnetization refrigerator for space. (Doctoral Dissertation). Université Grenoble Alpes (ComUE). Retrieved from http://www.theses.fr/2017GREAY028

Chicago Manual of Style (16th Edition):

Brasiliano, Diego Augusto Paixao. “Etude et réalisation d'une ADR spatiale 4 K - 50 mK : Study and realization of a 4 K – 50 mK adiabatic demagnetization refrigerator for space.” 2017. Doctoral Dissertation, Université Grenoble Alpes (ComUE). Accessed October 22, 2020. http://www.theses.fr/2017GREAY028.

MLA Handbook (7th Edition):

Brasiliano, Diego Augusto Paixao. “Etude et réalisation d'une ADR spatiale 4 K - 50 mK : Study and realization of a 4 K – 50 mK adiabatic demagnetization refrigerator for space.” 2017. Web. 22 Oct 2020.

Vancouver:

Brasiliano DAP. Etude et réalisation d'une ADR spatiale 4 K - 50 mK : Study and realization of a 4 K – 50 mK adiabatic demagnetization refrigerator for space. [Internet] [Doctoral dissertation]. Université Grenoble Alpes (ComUE); 2017. [cited 2020 Oct 22]. Available from: http://www.theses.fr/2017GREAY028.

Council of Science Editors:

Brasiliano DAP. Etude et réalisation d'une ADR spatiale 4 K - 50 mK : Study and realization of a 4 K – 50 mK adiabatic demagnetization refrigerator for space. [Doctoral Dissertation]. Université Grenoble Alpes (ComUE); 2017. Available from: http://www.theses.fr/2017GREAY028


University of Florida

2. Eichholz, Johannes Michael. Digital Heterodyne Laser Frequency Stabilization for Space-Based Gravitational Wave Detectors and Measuring Coating Brownian Noise at Cryogenic Temperatures.

Degree: PhD, Physics, 2015, University of Florida

The Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory project LIGO operates two facilities in the US that house kilometer-scale laser interferometers, in which differential length fluctuations are monitored in an attempt to detect gravitational waves. The propagation of these minute space-time perturbations, which are generated in observable magnitude only by violent astronomic events such as supernovae or binary mergers of massive objects like neutron stars and black holes, follows directly from the linearized Einstein equations. The LIGO sensitivity limit at and around 100Hz is heavily impacted by Brownian noise in the reflective coatings of its inertial test masses, which is a consequence of the fundamental fluctuation-dissipation theorem. Direct measurements of the mechanical loss in optical coatings that causes this noise across LIGO-relevant frequencies are rare, and many predictions rely on loss values that have been interpolated from observations at much higher frequencies. The main science objective of the work presented in this dissertation was the construction of a thermal noise test bed at the University of Florida to participate in the quest to find better coatings. A novel frequency stabilization method that we developed for potential implementation in the Laser Interferometer Space Antenna space mission LISA also finds an application in the THermal noise Optical Resonator experiment THOR. For the assessment of coating Brownian noise we expanded Advisors/Committee Members: MUELLER,GUIDO (committee chair), TANNER,DAVID B (committee member), WHITING,BERNARD F (committee member), SAWYER,WALLACE GREGORY (committee member).

Subjects/Keywords: Cryogenics; Interferometers; Laser interferometer gravitational wave observatory; Laser interferometer space antenna; Lasers; Noise measurement; Noise reduction; Noise temperature; Signals; Thermal noise; cryogenic  – frequency-stabilization  – gravitational-waves  – heterodyne  – thermal-noise

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APA (6th Edition):

Eichholz, J. M. (2015). Digital Heterodyne Laser Frequency Stabilization for Space-Based Gravitational Wave Detectors and Measuring Coating Brownian Noise at Cryogenic Temperatures. (Doctoral Dissertation). University of Florida. Retrieved from https://ufdc.ufl.edu/UFE0049565

Chicago Manual of Style (16th Edition):

Eichholz, Johannes Michael. “Digital Heterodyne Laser Frequency Stabilization for Space-Based Gravitational Wave Detectors and Measuring Coating Brownian Noise at Cryogenic Temperatures.” 2015. Doctoral Dissertation, University of Florida. Accessed October 22, 2020. https://ufdc.ufl.edu/UFE0049565.

MLA Handbook (7th Edition):

Eichholz, Johannes Michael. “Digital Heterodyne Laser Frequency Stabilization for Space-Based Gravitational Wave Detectors and Measuring Coating Brownian Noise at Cryogenic Temperatures.” 2015. Web. 22 Oct 2020.

Vancouver:

Eichholz JM. Digital Heterodyne Laser Frequency Stabilization for Space-Based Gravitational Wave Detectors and Measuring Coating Brownian Noise at Cryogenic Temperatures. [Internet] [Doctoral dissertation]. University of Florida; 2015. [cited 2020 Oct 22]. Available from: https://ufdc.ufl.edu/UFE0049565.

Council of Science Editors:

Eichholz JM. Digital Heterodyne Laser Frequency Stabilization for Space-Based Gravitational Wave Detectors and Measuring Coating Brownian Noise at Cryogenic Temperatures. [Doctoral Dissertation]. University of Florida; 2015. Available from: https://ufdc.ufl.edu/UFE0049565


Université de Grenoble

3. Volpe, Angela. Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace : Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space.

Degree: Docteur es, Physique, 2014, Université de Grenoble

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.

Several satellite missions are being proposed to resolve many of the unanswered questions regarding the universe. Instruments on some of these missions will require temperatures below 0.1 K to operate effectively. This requirement means that the cooling chain is a crucial element of the satellite's design. The cryogenic specifications of these future missions are more demanding than the current state of the art: they will require a higher cooling power at a lower temperature for an extended lifetime of 5-10 years. This has motivated the development of a closed-cycle 3He-4He dilution refrigerator. This design is based on the open-cycle dilution refrigerator used on the Planck satellite, whose lifetime and cooling power were limited by the on-board supply of 3He and 4He, since the mixture was ejected into space after the dilution process. To overcome these limitations, the cycle has been closed by separating the helium isotopes at low temperatures before re-injecting them into the refrigerator. This thesis describes the progress in the development and in the comprehension of this new system and shows that the cooling requirements (1 µW at 50 mK) can be met under the required conditions. This work also…

Advisors/Committee Members: Benoit, Alain (thesis director), Vermeulen, Gérard (thesis director).

Subjects/Keywords: Cryogénie; Espace; Astrophysique; Cryogenics; Space; Astrophysics

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APA (6th Edition):

Volpe, A. (2014). Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace : Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space. (Doctoral Dissertation). Université de Grenoble. Retrieved from http://www.theses.fr/2014GRENY009

Chicago Manual of Style (16th Edition):

Volpe, Angela. “Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace : Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space.” 2014. Doctoral Dissertation, Université de Grenoble. Accessed October 22, 2020. http://www.theses.fr/2014GRENY009.

MLA Handbook (7th Edition):

Volpe, Angela. “Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace : Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space.” 2014. Web. 22 Oct 2020.

Vancouver:

Volpe A. Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace : Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space. [Internet] [Doctoral dissertation]. Université de Grenoble; 2014. [cited 2020 Oct 22]. Available from: http://www.theses.fr/2014GRENY009.

Council of Science Editors:

Volpe A. Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace : Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space. [Doctoral Dissertation]. Université de Grenoble; 2014. Available from: http://www.theses.fr/2014GRENY009

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