Brevet FR2007945A1 — publié le 19700116

1451o i 2007945 La présente invention concerne les structures d'; aimants supraconducteurs, Les aimants supraconducteurs peuvent être réalisés en bobinant hélicoïdalement un ruban constitué par un noyau supraconducteur revêtu d'une couche métal normal , pour constituer des couches d'enroulement: 5 reliras en série et isolées les unes des autres par une couche isolation constituée par deux feuilles d'isolant entourant une feuille intermédiaire en métal normal. Le rôle de la partie normale du revêtement du ruban est d'évacuer la chaleur de la partie supraconductivité et également de shunter les cornants circulant dans la partie supraconductrice du ruban (lorsqu'elle 10 est effectivement supraconductrice) autour de la partie supraconductrice lorsqu'elle redevient normale par exemple du fait d;un échauffement local dû à un déplacement de flux magnétique. La couche de métal normal placée dans la feuille d'isolation permet de réduire l'effet des déplacements de flux provoquant des échauf-15 fements et par conséquent le retour de la matière supraconductrice à l'état normal, ladite couche normale servant également à évacuer la chaleur des enroulements. Les parties de métal normal du ruban et des feuilles d'isolation permettent donc d'éviter que le ruban supraconducteur redevienne partiellement ou totalement normal, et ces parties métalliques constituent 20 donc un stabilisateur. Le champ magnétique produit par l'amant complet est plus intense au centre et son intensité décroît perpendiculairement à l'axe de l'aimant pour atteindre une valeur nulle située à l'intérieur de l'aimant et changer de sens jusqu'à une seconde valeur maximale inférieure à la première, le 25 ruban de la couche d'enroulement situé vers le centre et la feuille d'isolation séparant ces couches sort soumis au champ le plus intense. Les couches d'enroulement et les feuilles séparatrices entourant les couches internes d'enroulement sont soumises à un champ qui décroît au fur et à mesure que les couches ou les feuilles s'écartent vers l'extérieur du point zéro, puis 30 le champ croît à nouveau. La conductance électrique et thermique de la partie normale du ruban et de la feuille décroissent toutes deux lorsque le champ magnétique augmente d'intensité. La même épaisseur de revêtement de métal normal sur le ruban et la même épaisseur de métal normal dans la couche intermédiaire ont donc un effet de stabilisation moindre dans les parties de 35 l'aimant qui sont le siège d'un champ intense que dans les parties où circule un champ plus réduit. 69 14510 2 2007945 Pour réaliser une stabilité sensiblement uniforme dans toute la masse de l'aimant à l'aide d'une épaisseur constante de métal normal dans le ruban et dans les feuilles d'Isolation ai, peut faire circuler un courant moindre dans le ruban qui est dans la zone de champ intense de 5 l'aimant que dans celui qui est dans la zone à champ faible. Ceci est réalisable en isolant électriquement les différentes couches et en les alimentant par différentes sources de courant de manière que les couches d'enroulement extérieures reçoivent une intensité pli?s forte que les couches d'enroulement intérieures. Ces différentes sources doivent être contrôlées 10 en synchronisme de manière que chaque source fournisse à tout moment le même pourcentage de son courant maximum que les autres sources pendant l'établissement du courant amenant l'aimant à sa valeur nominale. L'emploi de plusieurs sources de courant et leur synchronisation sont cependant coûteux. 15 Un autre système connu consiste à réaliser un aimant supraconduc teur en bobinant un ruban très fortement revêtu de métal normal de manière à être totalement stabilisé lorsque l'aimant fonctionne à son flux nominal. De tels aimants ont cependant un facteur de forme si faible (la plus grande partie du volume de l'aimant est utilisée pour loger la couche épaisse de 20 métal normal du ruban) que le champ produit est considérablement réduit et l'aimant peu utilisable. Un tel aimant à stabilisation totale est très encombrant et nécessite un vase Dewar de grande dimension contenant une quantité importante d'hélium de sorte qu'une telle installation est très coûteuse. La présente invention a pour objet un aimant supraconducteur ne 25 présentant pas ces inconvénients. Selon une caractéristique essentielle de l'invention chacune des différentes couches d'enroulement de l'aimant de l'aimant est bobinée avec un ruban supraconducteur dont le revêtement normal a une section droite invariable. La section droite du revêtement normal du ruban est cependant 30 variable d'unp couche à l'autre de manière que l'effet de shunt et la conduction thermique soient sensiblement constants d'une couche à l'autre, bien que le champ magnétique auquel sont soumises les différentes couches soit variable. Poar ceci l'épaisseur du revêtement normal des rubans des différentes couches augmente progressivement en s'éloignant du point 35 de champ magnétique nul de l'aimant. Pour assurer une stabilisation supplémentaire l'épaisseur de la partie conductrice normale des feuilles isolantes peut être accrue d'une couche à l'autre en s'éloignant .du point de champ magnétique nul pour maintenir égale la conductivité électrique des diffé 14510 3 2007945 rentes couches en dépit du fait qu'elles sont soumises à des champs magnétiques différents. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre et du dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue en élévation d'un aimant supraconducteur selon l'invention en cours d'achèvements - la figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1, - la figure 3 est une coupe d'un élément supraconducteur pouvant être utilisé dans l'aimant des figures 1 et 2. Les figures 1 et 2 illustrent un aimant supraconducteur enroulé sur une bobine 10 constituée par un tube central 14 pourvu à chaque extrémité d'une joue 12 (dont une seule est visible sur les figures). La bobine 10 peut être en n'importe quelle matière suffisamment résistante pour supporter physiquement les Couches bobinées de l'aimant supraconducteur. La bobine 10 est généralement en aluminium ou en acier inoxydable. Gomme illustré sur la figure 2 une ou plusieurs couches d'isolation 16 et 18 sont tout d'abord appliquées au tube 14 et une couche d'isolation 20 est appliquée sur la surface intérieure des joues 12. Des barreaux de court-circuit 22 disposés sur l'isolation 18 sont constitués par des bandes de cuivre ou de toute autre métal bon conducteur normal, c'est-à-dire n'ayant pas de propriété de supjracouductim. Ces barreaux de court-circuit sont placés sur l'isolation 18 avec une orientation telle qu'ils soient en contact en plusieurs points avec les spires d'une couche de ruban supraconducteur; ou conducteur décrit ci-après. Dans la forme illustrée les barreaux de court-circuit 22 sont disposés sur l'isolation 18 parallèlement à l'axe de la bobine 10. Le nombre et la section des barreaux 22 sont déterminés de manière connue pour constituer des chemins de dérivation de courant pour les parties de conducteur devenues normales, jusqu'à ce que ces dernières redeviennent supraconductrices, afin d'accroître la stabilité de l'aimant. La section droite des barreaux ne doit cependant pas être suffisamment importante pour augmenter la constante de temps, c'est-à-dire le temps d'établissement à sa valeur nominale du courant de l'aimant supraconducteur, jusqu'à une période de temps exagérément longue. Le ruban supraconducteur ou conducteur 24 est soigneusement enroulé hélicoîdalement d'une extrémité de la bobine 10 à l'autre au-dessus des barreaux 22. Le conducteur 24 est enroulé avec une tension uniforme 69 14510 4 2007945 et de manière que l'intervalle entre les bords adjacents des spires soit rigoureusement uniforme. Une connexion (non représentée) est réalisée à une extrémité du ruban supraconducteur 24 et sort de 1'aimant à travers la joue 12. Le ruban ou conducteur 24 peut être constitué par un substrat 5 en acier inoxydable 26, comme illustré à la figure 3, recouvert d'une couche de matière supraconductrice 28, telle que le stannure de niobium, elle-même recouverte d'une couche 30 de conducteur normal, tel que l'argent ou le cuivre. Lorsqu'une couche d'enroulement complète épaisse d'une hauteur 10 de ruban a été bobinée sur les barreaux 22, elle est recouverte d'une feuille intermédiaire composite 32. La feuille 32 comprend un film isolant 34, une feuille conductrice 36 restant à l'état normal aux températures cryogéniques, par exemple en cuivre, recouverte d'un deuxième film isolant 34. La feuille intermédiaire 32 recouvre la couche de ruban sur plus de 360° 15 pour que ses extrémités se recouvrent. La feuille conductrice 36 constitue cependant une spire interrompue, par opposition à une spire en court-cir-cuit, du fait que les parties de la feuille se chevauchant sont isolées l'une de l'autre par les films 34. Ce chevauchement n'est pas représenté sur la figure 2. La feuille intermédiaire 32 a un effet classique de sta-20 bilisation de l'aimant supraconducteur, c'est-à-dire de réduction de la tendance à redevenir normal pendant l'établissement du champ à sa valeur nominale, par réduction des déplacements de flux à l'intérieur de l'aimant et évacuation de la chaleur engendrée dans le ruban supraconducteur. D'autres barreaux de court-circuit 22 sont placés sur la feuille 25 composite 32 et une nouvelle couche de ruban supraconducteur 38 est bobinée en hélice sur les barreaux 22. Le ruban supraconducteur 38 a un revêtement métallique normal dont la section droite est plus faible que celle du revêtement normal1 30 du ruban supraconducteur 24, pour une raison qui apparaîtra clairement dans la suite. Ceci est représenté achématiquement sur la figure 30 2 par la décroissance de l'épaisseur de la couche normale 30 au fur et à mesure que les couches d'enroulement s'ont soumises à des champs magnétiques moins intenses. La section du noyau supraconducteur peut être constante d'une couche d'enroulement à l'autre ou décroître au fur et à mesure que les rubans sont soumis à des champs magnétiques moins intenses. 35 Une nouvelle feuille composite d'isolation 40 est ensuite placée sur l'enroulement 38, l'épaisseur de la feuille métallique normale 42 étant inférieure à celle de la feuille normale 36 de la couche d'isolation précédente 32. D'autres barreaux de court-circuit 22 sont ensuite disposés et une 14510 5 2007945 troisième couche de ruban supraconducteur 44 est bobiné hélicoîdaleirent sur les barreaux 22, le ruban 44 ayant une section de métal normal réduite par rapport à celle du ruban 38» Une troisième feuille intermédiaire 46 est "lacée au-dessus du ruban 44 et sa feuille métallique normal? 48 est plus 3ince que la feuille métallique normale 42 de la couche 40. Ces différentes opérations sont répétées jusqu'à bobinage complet de l'aimant. Les autres couches d'enroulement qui sont bobinées dans la région de croissance du champ nasnéti.ut sont constituées par un ruban dont la section Je métal normal va en croissant, et l'épaisseur de métal normal des feuilles séparatrices augmente également avec le champ magnétique. Les connexions au ruban supraconducteur pour l'alimentation et les mesures sont effectuées aux endroits voulus de manière classique. Chacun des enroulements comprend plusieurs couches connectées en série pour constituer en fait un enroulement continu unique. Bien que le chevauchement des extrémités des feuilles séparatrices ne soit pas représenté sur la figure 2, il apparaît pour la feuille extérieure 46 en 50 sur la figure 1. De plus, on remarque que l'échelle n'est pas respectée dans la représentation des différents constituants de l'aimant supraconducteur. Comme on l'a vu ci-dessus la conductivité électrique et la conductibilité thermique du métal normal est réduite par l'intensité du champ magnétique auquel est soumis l'aimant. La couche interne constituée par le conducteur 24 est donc, comme on l'a vu précédemment, soumise au champ magnétique maximal et chaque couche successive (en se dirigeant vers l'extérieur) est soumise à un champ magnétique décroissant jusqu'au point de champ nul. Le champ magnétique recommence à croître en sens inverse dans les couches suivantes, Cependant, dans un aimant supraconducteur dans lequel toutes les couches d'enroulement sont connectées en série, une même intensité circule dans lesfconducteur? de tous les enroulements. Pour assurer une stabilisation égale des divers enroulements de l'aimant il faut donc que les couches d'enroulement soumises auxchamps les plus intenses soient bobinées avec un ruban dont le revêtement normal est très épais que celui des enroulements soumis à un champ magnétique plus faible. De même, les feuilles séparatrices qui sont soumises à des champs magnétiques plus intenses doivent avoir une feuille conductrice normale plus épaisse que celles qui sont soumises à des champs magnétiques plus faibles. 69 14510 6 2007945 Un aimant réalisé selon la présente invention dont la stabilisation est la même dans toute la masse produit un cliamp plus intense que les aimants dont la stabilisation n'est pas constante Ceci est dû au fait que les points les moins stabilisés de l!aimant d* ; vrminent la stabilité de 5 l'ensemble et que tout métal normal assurant une stabilité locale supérieure à celle du point le moins stable est perdu. Le volume de métal perdu prend de la place et réduit le facteur de forme de l'aimant. Par conséquent, dans un aimant à stabilisation constante selon l'invention, le champ magnétique produit est plus intense que 10 celui d'un aimant à stabilisation variable. Le degré optimal de stabilisation est déterminé par un compromis entre le prix de revient et le champ désiré ainsi que par des limitations concernant l'alimentation et le fonctionnement de l'aimant. Les rubans supraconducteurs peuvent avoir une section droite 15 quelconque autre que celle décrite, par exemple circulaire, et ne comportent pas nécessairement un substrat 26. La seule condition nécessaire est que la capacité de transport de courant et de chaleur du revêtement de métal normal du ruban supraconducteur et de la feuille métallique normale de la feuille séparatrice soit suffisamment grande aux valeurs de champ magné-20 tique auquel ils sont soumis. Les différentes couches d'enroulement peuvent en outre avoir des nombres de spires différentes. Il peut être souhaitable de bobiner plusieurs couches adjacentes avec des conducteurs de même section de métal normal au lieu d'utiliser des conducteurs ayant des sections différentes pour chaque couche. De même, il 25 peut être souhaitable que plusieurs couches séparatrices adjacentes aient des feuilles métalliques normales de même épaisseur. En variante la bobine 10 peut ne pas comporter de joue 12 et une seule couche d'isolation 16 ou 18 peut être nécessaire sur le tube 14. Lorsque l'on utilise une bobine en matière isolante, l'isolation 16 ou 18 n'est pas nécessaire. 30 L'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou applications sans sortir de son cadre. 14510 7 2007945 REVENDICATIONS 1 - Aimant supraconducteur constitué par plusieurs couches de ruban supraconducteur bobiné hélicoîdalement, ledit ruban étant constitué par une matière supraconductrice enrobée de métal normal assurant la stabilité de l'aimant, lesdites couches étant disposées coaxialement et, lorsque . l'aimant fonctionne, étant soumises à des champs magnétiques d!intensité différente, ledit aimant étant caractérisé en ce que le ruban d'une couche qui est soumise à un champ magnétique moindre a une section droite de conducteur normal inférieure à celle du ruban d'une couche qui est soumisè à un champ magnétique plus intense, la section droite du métal normal de chacune des couches étant telle que les différentes couches assurent un degré de stabilité sensiblement constant dans la masse de l'aimant. 2 - Aimant supraconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une spire interrompue comprenant une feuille intermédiaire de matière conductrice normale est placée entre les couches d'enroulement adjacentes, la feuille intermédiaire contribuant à la stabilité de l'aimant, les différentes spires intermédiaires étant soumises à différentes intensités de champ magnétique lorsque l'aimant est en fonctionnement, la feuille intermédiaire qui est soumise au champ magnétique le plus intense ayant une épaisseur de métal normale inférieure à celle des feuilles intermédiaires qui sont soumises à des champs magnétiques plus intenses, l'épaisseur de ladite feuille de métal normal étant telle que les différentes feuilles séparatrices contribuent dans une mesure sensiblement égale à la stabilité de l'aimant.