Brevet FR2003984A1 — publié le 19691114

Lorsque le champ magnétique atteint une certaine valeur, les supraconducteurs perdent leurs propriétes qui est justement la supraconductibilité, même si la température est encore loin de la valeur critique provoquant le passage à 11 état normal du supraconducteur (voir revue "Elektrie"faseicule 2, 1964, pages 401 à 407). On a déjà exploité cette propriété pour réaliser une sorte d'interrupteur appelé cryotron (voir revue "Cryogenics" Août 1964, pages 212 à 217). C'est ainsi que le terme 'cryotron" désigne un élément de construction comprenant un conducteur-porte en matière supraconductrice qui peut être amené de l'état supraconducteur à l'état normal par l'action d'un champ magnétiojie. De tels éléments de construction si utilisés dans la technique des courants faibles, en particulier dans les calculateurs, comme modules logiques (voir revue "Borschungen und Portschritte", tome 35, 1961, pages 138 à 142). Tant que le conducteur de porte supraconducteur, le courant électrique dont l'intensité ne dépasse pas une certaine valeur limite, peut traverser le cryotron sans rencontrer de résistance. Grâce à une bobine dans laquelle passe un courant de commande - dans le cas le plus simple, il suffit d'un conducteur rectiligne disposé suffisamment près et appelé conducteur de commande - on obtient un champ magnétique qui vient stadditionner au champ propre du conducteur de porte traversé par le courant. Lorsque la somme de ces deux champs magnétiquffl dépasse la valeur critique Hc du conducteur de porte, celui-ci passe à l'état normal, En raison du fait que dans les circuits purement supraconducteurs les tensions rencontrées sont de l'ordre du millivolt, le conducteur de porte en passant de l'état supraconducteur à l'état normalement conducteur coupe pratiquement le courant en raison de sa résistance ohmique. On a déjà expérimenté l'utilisation d'un tel cryotron pour les redresseurs montés dans des circuits supraconducteurs (voir revue "Cryogenics't précitée). Dags de nombreux cas, le second conducteur, c'est-à-dire le conducteur de commande dans lequel circule un courant de commande n1 est pas absolument nécessaire. Le passage à l'état normal peut être obtenu également par le seul champ du conducteur de porte ou encore par un courant auxiliaire envoyé dans le conducteur de porte et provenant d'un second circuit, Lorsque les cryotrons sont utilisés dans la technique des courants faibles, -le problème prépondérant est la vitesse de cogmutation (se chiffreen nanosecondes). Si, par contre, les crotrons sont utilisés dans la tecîzr--ique des courants forts, ce dernier doit satisfaire encore à d'autres impératifs. C'est ainsi que les cryotrons -doivent permettre le passade de courants très élevés à l'état supraconducteur tout en coupant une tension élevée Ç l'état normal sans que les pertes soient inadmissibles. Or, ceci siçnifie cue le conducteur de porte ducryotron soit caractérisé par le fait cue le produit de la densité de courant critique à l'état supraconducteur par la résistivité à l'état normal aux basses températures de travail soit-aussi grand cue possible. Il est bien sûr possible de réduire les Pertes pour un pouvoir de coupure donné en multipliant-les longueurs des voies de coupure. Dans un modèle connude cryotron à courant fort, on a ainsi disposé à l'intérieur d'une bobine de façon bifilaire et pliée, une bande supraconductrice de longueur adéquate (voir revue "Cryogenics" précitée). Cette solution ne donne cependant pas de résultats satis faisants, étant donné qu'elle exige un matériel important et exige beaucoup de place. Par ailleurs, l'intensité critique est si faible qu1un rendement économique ntest pas obtenu. Il appartient à la présente invention de créer un cryotron pouvant etre utilisé dans les circuits à courant fort utilisés en électrotechnique classique, en particulier pour le transport de 11 énergie, afin de commuter des tensions et des courants élevés. Dans un tel cryotron, le conducteur de porte doit avoir une longueur très importante pour que le courant résiduel soit suffisamment petit après le passage à ltétat normal du~supraconduc- teur, afin d'éviter toute destruction de ce conducteur. Pour maintenir la longueur du conducteur dans des limites acceptables, il faut que la matière supraconductrice forme une couche extrêmement mince èt à peine supérieure à la profondeur de pénétration du champ magnétique dans la matière du conducteur à l'état supraconducteur. Des couches aussi minces, dont l'épaisseur est en règle générale inférieure à 0,1 micron peuvent être rapportées sur un support isolant. Ce support peut être en verre, en porcelaine ou en matière plastique. Suivant une autre caractéristique de ltinvention, les supraconducteurs du cryotron sont réalisés et disposés de façon que le champ magnétique soit le même à n'imposte quel point du conducteur. Dans lé cas contraire, un accroissement local de la valeur du champ entraSnerait à cet endroit un passage anticipé à l'état normal pouvant détruire le conducteur0 Dans un cryotron à courant fort équipé d'un conducteur de porte supraconducteur en forme de couche dont l'épaisseur se situe à peu près dans l'ordre de grandeur de la profondeur de pénétration du champ magnétique dans la matière supraconductrice, le problème est résolu suivant la présente invention en enroulant le conducteur de porte sur un support isolant, de manière à former des spires plates continues et juxtaposées dans lesquelles le passage d'un courant entrain, sur la majeure partie de la longueur du conducteur de porte, une densité de champ magnétique uniforme à n'importe quel endroit. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les spires juxtaposées de la bande ont un écartement tel que la configuration du champ global est si faiblement perturbée que la valeur limite du courant admissible dans le conducteur de porte ne baisse pas notablement. Un mode de réalisation avantageux suivant l'invention consiste à réaliser i conducteur de porte sous la forme d'une bande plate enroulée sous forme de spires rectangulaires dont la longueur dépasse de beaucoup la largeur, les longs côtés des rectangles ainsi formés étant maintenus par des parois d'appui isolantes* L'enroulement peut dans ce cas être comparé à une bobine est obtenue en enroulant une bande dont la surface/orientée paralièle- ment à l'axe de la bobine, Suivant une autre caractéristique de l'invention, les parois d'appui isolantes peuvent être constituées soit par l'espace vide entre deux parois, soit par les faces d'une même paroi, Les parois peuvent être des plaques planes ou encore, ce qui est très avantageux, des enveloppes cylindriques qui sont si possible concentriques. La matière supraconductrice des conducteurs de porte en forme de bande peut être rapportée avantageusement sur des bandes isolantes, par exemple en matière plastique, auxquelles on donne ensuite la forme hélicoidale désirée pour les bobines* Toutefois, des résultats satisfaisants sont également obtenus en rapportant la matière supraconductrice en forme de bande directement sur les parois d'appui, par exemple par projection ou vaporisation sous vide. Lorsque le conducteur de porte est disposé dans une "fente", il est judicieux de prévoir-pour les parties de bande formant les cotés étroits du rectangle, en travers de la fente, des appuis qui sont posés sur la fente et contre lesquels s'applique la bande portant le supraconducteur. Dans le cryotron à courant fort suivant l'invention le courant principal passe dansfin conducteur de po-rte constitué par une matière supraconductrice telle que le plomb ou le niobium ou un métal similaire, dont le champ magnétique critique possède une valeur bien définie et qui est déposée sur un support isolant en couches extrêmement minces dont ltépaisseurest en général inférieure à 1 microns Dans ce cas, les conducteurs de porte traversés par le courant principal sont soumis à l'action soit du champ ma magnétique propre résultant du courant principal (-conducteur de porte), soit de la somme du champ propre et dichamps étrangers, ces derniers étant engendres par des conducteurs voisins qui sont traversés soit par le courant principal, soit totalement ou en partie par un courant réglable (conducteur de commande), indépendant du courant principal. Lorsque le champ magnétique dépasse alors la valeur critique, on est assuré que le conducteur de porte passe à l'état normal, ce qui lui confire une résistance telle que le courant principal diminue fortement. Il est recommandé de disposer les conducteurs de commande aussi près que possible des conducteurs principaux (conducteurs de porte) en les orientant parallèlement à ces derniers et en les isolant. Dans le cryotron suivant l'invention, les bandes formant les conducteurs de porte peuvent également entre montées sur des plaques en matière plastiquez Conformément à l'invention, on prévoit comme conducteur de porte des bandes en matière supraconductrice qui servent au passage du courant principal traversant le cryotron. Ces bandes peuvent entre enroules do façon hélicoidale sur la paroi dtun cylindre en matière isolante - ce qui donne des spires continues de manière que ces spires soient disposées sur les parois latérales du cylindre, sensiblement parallèles à son se le raccordement étant fait en passant sur les faces frontales du cylindre. Dans ce cas, tous les tronçons de la bande sont en série, de mtme que tous les tronçons disposés sur une même paroi latérale sont parcourues par le courant dans le mtme sens. Par ailleurs, le potentiel magnétique global de tous les tronçons de la bande sont adaptés à la longueur du flux magnétique le long du pourtour cylindrique, de manière à obtenir pour un courant de commande doaé juste le champ magnétique critique sur l'ensemble des tronçons de la bande. Suivant la présente invention, il est également très avantageux quand les bandes en matière supraconductrice formant le conducteur de porte sont rapportées sùr les surfaces latérales se faisant face de deux cylindres en matière isolante, si possible concentriques, et qutelles sont reliées par des pontets en matière supraconductrice, de façon que Ltespace rempli par le champ magnétique ne contienne pas de matière isolante solide et permette le passage de l'agent de refroidissement. Ce modé de réàîisation est particulièrement avantageux du point de vue technique, étant donné que le champ magnétique engendré par le passage du courant entre les deux cylindres fait que les tronçons de spires s'appliquent fortement sur les parois des cylindres et ne peuvent pas s'élargir. Une telle disposition est donc très robuste. On obtient le m & me avantage lorsqu'on dispose les spire-s dans la fente entre des plaques-planes (ou encore entre des parois ayant des formes autres que celles décrites). Pour mieux comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire à titre indicatif et non limitatif plusieurs modes de réalisation représentés schématiquement sur le dessin annexé, sur lequel t les figures 1 et la représentent chacune un détail d'un cryotron dans lequel le conducteur de porte est logé dans la fente entre deux parois; la figure 2 représente une partie d'un cryotron comprenant une bande supraconductrice enroulée en spires juxtaposées sur une paroi cylindrique et formant le -conducteur de porte; la figure 3 représente une partie d'un cryotron tel que représenté sur la figure 2, la paroi étant plane. Un mode de réalisation de l'objet de l'invention est représenté sur la figure 1. Les tronçons de bande 1 (conducteur de porte) en matière supraconductrice, avec une épaisseur si possible inférieure à 1 micron, sont disposés respectivement sur les parois latérales intérieure et extérieure de deux cylindres concentriques 2 et 3 en matière isolante, les tronçons extérieurs étant traversés par le courant principal passant dans le cryotron (courant passant dans le conducteur de porte) dans un sens, alors que les tronçons intérieurs sont traversés dans le sens opposé. Lorsque le conducteur de porte est disposé de cette façon, le champ magnétique n'existe que dans l'espace entre les tronçons de bande et il est tangentiel à leur surface en tous points. Dans l'espace rempli par le champ magnétique se trouve uniquement un agent réfrigérant liquide, par exemple (de l'hélium) qui ne présen te que de faibles pertes diélectriques, le champ électrique étant de toute façon peu élevé. Le conducteur de porte suivant la figure 1 peut être rapporté avantageusement sur une bande. On peut ainsi utiliser par exemple une bande-support en matière synthétique dont une face au moins est recouverte d'une couche de matière supra conductrice0 il est également avantageux d'étayer les parties dw conducteur de porte enjambant la fente. il est particulièrement avantageux d1utiliser, par exemple, une plaque plane rapportée sur la fente ou encore une pièce d'extrémité 4 munie d'une gorge, contre laquelle le tronçon de bande 1 puisse stappliquer sans plio Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la gorge de la pièce 4 peut présenter sensiblement la forme d'un demi-tore coupé parallèlement à son axe. La fabrication s'avère également facile lorsqu'on utilise, suivant une caractéristique de l'invention, un seul cylindre 11 en matière isolante pour servir de support à la bande supraconduc triode 10 et non plus de cylindres 2 et 3 comme sur la figure 1. Ce cylindre 11 remplit alors l'espace dans lequel règne le champ magnétique. Pour la plupart des matières isolantes solides, on obtient dans ce cas des pertes diélectriques légèrement supérieures et une évaporation quelque peu inférieure de l'hélium que dans le ou où l'espace est rempli d'hélium liquide. Toutefois, la fabrica tion de la bande 10 formant le conducteur de porte suivant la figure 2 est plus simple que la fabrication de celle représentée sur la figure 1. On peut imaginer que le cylindre 11 de la figure 2 - tout comme les deux cylindres 2 et 3 de la figure 1 - soit coupé paral lèlement à l'aspe et amené dans un plan. La figure 3 représente schématiquement un tel mode de réalisation suivant l'invention. La bande 20 formant le conducteur de porte, qui est rapportée avan tageusement sur un support en matière plastique (ou un autre support isolant en forme de bande), est enroulée sur une plaque 21 plane afin dtobtenir des spires placées cEte à celte. il est toute fois également possible de rapporter directement le conducteur de porte par évaporation sous vide, projection, etc. ou encore par voie électrolytique. Le cryotron suivant la figure 1 peut entre muni de parois planes tout comme le cryotron de la figure 3 qui est obtenu en modifiant celui représenté sur la figure 2. Dans tous les cas suivant la figure 3, il est très avantageux de faire en sorte qu'au moins la dernière boucle du conducteur de porte se présente aux deux extrémités de la ou des plaques sous la forme d'un tube 22 qui est recouvert d'une couche supraconductrice et présente un diamètre tel qu'un passage anticipé à l'état normal est évité avec certitude. Pour cela, on utilise pour les boucles supraconductrices en forme de tube une matière ayant un champ critique plus élevé que le reste de la bande. Aux extrémités de la disposition utilisant une plaque, le champ magnétique est en effet inversé et la dernière boucle du conducteur de porte est exposée à des valeurs plus élevées du champ aux endroits où celui-ci est fortement incurvé0 Dans tous les modes de réalisation et pour les écartements des bandes supraconductrices possibles, la déformation du champ magnétique entre ces bandes est négligeable. Dans les cas où il y a symétrie circulaire, comme par exemple dans les figures 1 et 2, le champ magnétique critique H est donné par le nombre c de spires z/2 et la longueur totale de la trajectoire magnétique est D . En procédant de cette façon, on suppose que la répartition des tronçons du conducteur de porte est pratiquement uniformeeDans le cas où le conducteur de porte est rapporté sur une surface rectiligne (voir figure 3), le champ magnétique critique n'est atteint que pour un courant beaucoup plus élevé (environ 20 à 5 4) que celui dans les agencements suivant les figures 1 et 2, étant donné que les lignes de force se ferment par l'extérieur. Lorsqu'on choisit une disposition cylindrique, on fait en sorte que l'écart respectif de deux tronçons de bande juxtaposés soit plus grand à l'endroit de l'arrivée du courant (extrémité du cryotron figure 2, rée12) qu'aux autres endroits, en tenant compte de la marge de sécurité nécessaire pour éviter les formations d'arcs électriques. Pour éviter que l'extrémité du cryotron ne passe prématurément à l'état normal, il est recommandé de prévoir à cet endroit un tube 12, revêtu d'une couche extérieure supraconductrice, dans lequel pénètre le tronçon de bande 10. Cette forme de l'extrémité du cryotron est également adoptée avantageusement pour tous les autres modes de réalisation. Lorsqu'il est nécessaire de prévoir un circuit de commande pour les cryotrons, les conducteurs de commande 5 de la figure 1 sont disposés à l'extérieur du cylindre extérieur 2 et, ce qui n'est pas représenté, à l'intérieur du cylindre intérieur 3, sur les surfaces latérales correspondantes, de maniere que des conducteurs de commande voisins sont parcourus avantageusement par le courant dans desseins différents, pour bénéficier d'une faible self-induction et de ce fait d'une montée rapide du courant de commande. Les conducteurs de commande peuvent être réalisés dans une matière supraconductrice se présentant avantageusement en sous une forme tubulaire ou encore/une matière à conductibilité électrique normale dont la résistivité est très faible aux basses températures, par exemple en aluminium de haute pureté. En cas de nécessité, il est possible d'adopter le même principe pour équiper en conducteurs de commande les agencementr représentés sur les figures 2 et 30 REV: DICATIONTS 1. Cryotron à courant fort comprenant un conducteur de porte supraconducteur se présentant sous la forme d'une couche dont l'épaisseur cst de l'ordre de grandeur de la profondeur de pénétration du champ magnétique dans la matière supraconductrice, caractérisé par le fait que le conducteur de porte est enroulé en spires étroites et juxtaposées sur un support isolant, de façon que le passage du courant provoque sur la majeure partie de la longueur du conducteur de porte, quel que soit ltendroit, le même champ magnétique. 2. Cryotron suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'écart des différentes spires est tel que les perturbations qui affectent la configuration du champ magnétique global ne diminuent pas encore la densité de charge électrique du conducteur de porte. 3. Cryotron répondant en particulier aux revendications 1 et 2 et caractérisé par le fait que le conducteur de porte est une spire de section rectangulaire formée par des tronçons de bande plans, la longueur étant beaucoup plus grande que la largeur, et par le fait que les grands côtés de la spire rectangulaire sont maintenus par des parois d'appui isolantes 11. 4. Cryotron suivant les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les tronçons du conducteur de porte sont rapportés sur une bande isolante. 5. Cryotron suivant les revendications 3 et 4 caractérisé par le fait que les parois isolantes se présentent sous la forme d'une fente entre deux parois. 6. Cryotron suivant les revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que les tronçons de bande correspondant aux petits cotés de la spire rectangulaire sont réalisés dans une matière ayant un champ magnétique critique plus élevé que celle des tronçons formant les grcOtés. 7. Cryotron suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les parois isolantes sont les faces latérales d'une paroi cylindrique. 8. Cryotron suivant les revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que les parois d'appui sont des plaques isoplanes. 9. Cryotron suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que le conducteur de porte se termine aux deux extrémités de la plaque isoplane par un tube muni d'une couche exté rieure supraconductrice et formant au moins un pourtour de spire. 10. -Oryotron suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que la matière supraconductrice du tupe présente un champ magnétique critique supérieur à celui de la matière ayant servi à confectionner les autres parties des spires. 11. Cryotron suivant les revendications-8 et 9, caractérisé par les fait qu'on prévoit deux ou plusieurs plaques isoplanes disposées parallèlement et comportant un conducteur de porte. 12. Cryotron suivant les revendications 3 à 8, caractérisé par le fait que les parois sont des cylindres. 13. Cryotron suivant la revendication 12, caractérisé par le fait qu'on prévoit deux ou plusieurs cylindres concentriques supportant le conducteur de portes