Bottom Top Orange

Les anciens cryostats bottom loading n’étaient que de simples vases Dewar (bouteille thermos) avec un isolement par le vide. La canne porte-échantillon, en dessous, était directement refroidie par le bain d’azote ou d’hélium liquide à 77 ou 4 K. Une résistance permettait de contrôler la température de l’échantillon au-dessus de 77 ou 4 K, mais en restant proche de ces températures car les calories ainsi apportées accéléraient l’ébullition du liquide cryogénique et diminuaient donc l’autonomie du cryostat (< 1 journée).
Changer l’échantillon nécessitait donc de vidanger le fluide cryogénique et de réchauffer la totalité du cryostat puis de refroidir à nouveau le cryostat après avoir installé l’échantillon. L’opération prenait donc beaucoup de temps ce qui était peu compatible avec le rythme rapide des expériences à l'ILL.

Les anciens cryostats top loading à température variable avaient un puits qui traversait le bain d’hélium. Changer l’échantillon était donc plus facile et rapide car il n’était plus nécessaire de vidanger le cryostat. On pouvait également faire varier la température de l’échantillon plus largement, mais toujours au détriment de la consommation d’hélium.
L'inconvénient de cette conception était que, à chaque changement d’échantillon, un peu d'air pénétrait dans le puits et se mélangeait à la circulation d’hélium. L’humidité de cet air migrait alors vers le point le plus froid, le capillaire de la vanne froide, qui se colmatait avec de la glace.

A la différence des deux cryostats précédents, le bain d’hélium du cryostat orange n’est plus directement soumis aux rayonnement thermique du puits échantillon mais est isolé de lui par un écran (un espace annulaire sous vide) refroidi par le bain d’azote liquide. Ce design particulier que Dominique Brochier appelle anti-cryostat ou anti-Dewar, il l'aurait pris sans le savoir à l'Air Liquide.
Lorsque l’utilisateur augmente la température de l’échantillon, le rayonnement du puits est stoppé par cet écran; la consommation d’hélium reste donc basse et l'autonomie du cryostat s'en trouve grandement augmentée, au grand soulagement des scientifiques.
Le gaz hélium froid en provenance de la vanne froide ne part pas via le puits échantillon mais via un espace annulaire qui entoure ce puits. Ceci évite les bouchages en fond de puits et réduit encore la consommation car la circulation du gaz refroidit la paroi du puits échantillon.
L’échantillon est placé au fond du puits dans un gaz d’échange “statique” refroidi par un échangeur dans lequel on détend l’hélium. Cette solution permet de descendre à 1.3 K et de refroidir l’échantillon de manière homogène dans un grand volume de gaz.
Outre une consommation réduite d'hélium liquide, les avantages du cryostat orange sont que le changement de l’échantillon à partir de 10 K est rapide, en outre l’échantillon étant largement découplé du bain d’hélium, on peut le chauffer jusqu’à 550 K (cryofour) sans dégrader notablement l’autonomie du cryostat.
De nombreuses tentatives ont été faites de contrôle automatique de la vanne froide qui régule le débit d’hélium vers l'échantillon. Ce n’est que plus de 30 ans après l'invention du cryostat orange qu’une solution satisfaisante a été trouvée.