Brevet FR2003714A1 — publié le 19691114

„ . 1 2003714 9 0 :> c!) Les supr a c onduct eur s perdent leur supraconductivité dans un champ magnétique d'une valeur déterminée, même lorsque la température est encore située bien en dessous de la valeur critique pour l'apparition de la supraconduction (cf. Revue 5 "Elektrie", fascicule 12} 1964» pages 401 à 407). On a déjà utilisé ce principe pour construire un type d'interrupteurs appelés cryotrons (cf. Revue "Cryogénies", août 1964, pages 212 à 217). On appelle "cryotron" un composant comportant un conducteur de porte en matière supraconductrice qui est commutable par un champ 10 magnétique de l'état supraconducteur à l'état normalement conducteur. Des composants de ce type sont utilisés comme éléments logiques dans le domaine de^s courants faibles, de préférence dans les machines à calculer (cf. Revue "Porschungen und Fortschritte", 1961, fascicule 53, pages 138 à 142)<> 15 Tant que le conducteur de porte est supraconducteur un courant électrique peut passer dans un cryotron sans rencontrer de résistance, et cela jusqu'à une intensité déterminée. Un champ magnétique qui s'ajoute au champ propre du conducteur de porte parcouru par un courant, est produit par une bobine dans laquelle 20 passe un courant de commande - dans le cas le plus simple, il suffit d'utiliser un conducteur rectiligne placé suffisamment près et appelé "conducteur de commande"-. Lorsque la somme des deux champs dépasse la valeur critique Hc du conducteur de porte, celui-ci reprend sa conductivité normale. Du fait qu'il ne peut se pro-25 duire dans des circuits purement supraconducteurs que des tensions de l'ordre du millivolt, le conducteur de porte qui est devenu normalement conducteur coupe pratiquement le courant du fait de sa résistance ohmique.De tels cryotrons ont également été utilisés à titre expérimental dans des redresseurs branchés dans des cir-30 cuits supraconducteurs (cf. Revue "Cryogénies" citée ci-dessus). Dans de nombreux cas, le second conducteur, à savoir le conducteur de commande, qui conduit un courant de commande n'est pas obligatoire. Le passage à l'état normalement conducteur peut également être assuré par le seul champ propre du conducteur de porte ou 35 bien en union avec le champ résultant du passage dans le conducteur d'un courant auxiliaire en provenance d'un second circuit. Lorsqu'on utilise un cryotron dans le domaine des courants faibles, le problème essentiel qui se pose est la vitesse de commutation (de l'ordre de la nanoseconde). Lorsqu'on utilise 40 les cryotrons dans le domaine des courants forts, les cryotrons 9 06/cu 2 2003714 doivent satisfaire, de plus, à d'autres impératifs. Ils doivent alors, tout en offrant une forte densité de charge électrique à l'état supraconducteur, pouvoir bloquer une tension élevée sans donner lieu à des pertes insupportables à l'état normal. Ceci 5 signifie que le conducteur de porte du cryotron doit présenter une valeur aussi élevée que possible pour le produit de la densité de courant critique à l'état supraconducteur par la résistivité à l'état normal et à basse température de travail. On peut évidemment réduire les pertes pour une puissance de coupure déterminée •jO en multipliant les longueurs des voies de commande. Dans un cryotron pour courants forts de type connu, une bande supraconductrice de longueur adéquate est placée à l'intérieur d'une bobine de façon bifilaire et pliée (cf. Revue "Cryogénies" citée ci-dessus). Cette solution n'est cependant pas satisfaisante, du. fait qu'elle 15 ne permet d'obtenir qu'une faible capacité de charge en courant et par conséquent une faible puissance de coupure. L'invention a pour objet un cryotron pour circuits à courant fort utilisés dans le domaine de 1'électrotechnique classique, en particulier pour le transport de l'énergie, pour commu-20 ter des intensités et des tensions élevées. Dans un tel cryotron, il est nécessaire de prévoir un conducteur de-porte de très grande longueur pour assurer que, après le passage à l'état normal du conducteur du cryotron, le courant résiduel soit suffisamment faible pour que le conducteur ne soit 25 pas détruit. Pour maintenir cette longueur dans des limites admissibles, il faut prévoir une couche extrêmement mince de matière supraconductrice, dont l'épaisseur doit, de préférence, dépasser à peine la profondeur de pénétration du champ magnétique dans la matière à l'état supraconducteur. Des couches de cette épaisseur, 30 en général inférieure à 0,1 mm, peuvent être déposées sur un support isolant réalisé, par exemple en verre, en porcelaine ou encore en matière plastique. On peut également utiliser des supports métalliques qui sont alors munis d'un revêtement isolant, par exemple de la laque, et sur lesquels la couche supraconductrice est 35 ensuite déposée, pour autant que la génération d'un champ magnétique dans le métal ne soit pas empêchée. De plus, il convient de résoudre le problème supplémentaire consistant à réaliser et à disposer le conducteur de cryotron de telle sorte qu'on obtienne en chaque point du conducteur le même champ magnétique. Autrement, il se 40 produirait localement, lors d'une augmentation du champ, un passage 3 2003714 9 06 -in prématuré du conducteur à l'état normal et une destruction éventuelle de ce dernier» Dans le cas d'un cryotron pour courants forts muni d'un conducteur de porte supraconducteur en forme de couche, 5 dont l'épaisseur est de l'ordre de grandeur de la profondeur de pénétration du champ magnétique dans la matière supraconductrice, ce problème est résolu, selon l'invention, par le fait que le conducteur de porte est réalisé sous forme d'une couche supracon-àuetrioe déposée swe «aa t'obe isolant et qss® 1© tabe ©lit plaeé ©e. 10 forme de méandres de façon que, en service, des segments adjacents du conducteur soient parcourus par le courant dans des sens opposés. Suivant l'invention, les couches minces sont déposées sur des tubes dont le diamètre est choisi de manière que le champ magnétique critique soit atteint pour une valeur de cou-15 rant qui est choisie supérieure à la valeur nominale. Pour le champ critique, on a la relation : . . H - I « W ° D • X avec I = valeur effective d'un courant alternatif sinusoïdal 2q D = diamètre du. tube conducteur de porte.» Dans le cryotron selon l'invention, utilisable pour des courants forts, on utilise pour le. passage du courant principal (conducteur de porte) une matière supraconductrice comme, par exemple, du plomb, du niobium ou une matière similaire, qui 25 présente un champ critique bien marqué dans des couches extrêmement minces, généralement inférieures à 1 micron, déposées sur un support isolant. On fait agir sur le conducteur de porte conduisant le courant principal soit le champ magnétique propre, engendré seulement par le courant principal (conducteur de porte), soit la 30 somme du champ propre et de champs étrangers, qui sont produits par des conducteurs adjacents parcourus soit également par le courant principal (conducteur de porte), soit par un courant indépendant en totalité ou en partie du courant principal et le cas échéant commandé (conducteur de commande). On obtient ainsi qu'en cas 35 de dépassement de la valeur critique du champ magnétique le conducteur de porte devient normalement conducteur et atteint une résistance suffisamment élevée pour produire une forte diminution du courant principal. Le cryotron pour courants forts selon l'invention 40 peut avantageusement être agencé de manière que les couches (con— 4 2003714 r> 9 06786 ducteur de porte) serrant de conducteur de courant principal soient déposées sur un tube en matière plastique dont le diamètre est choisi de telle sorte que le champ critique soit produit pour un courant maximal déterminé et encore admissible » Ce ou ces tubes 5 peuvent -pour augmenter la résistance à l'état normal - n'être revêtus que partiellement de bandes longitudinales en matière supraconductrice, réparties aussi régulièrement que possible sur la périphérie. L'écart des bandes longitudinales est alors déterminé de manière que la configuration du champ propre ne soit pas encore 10 perturbée notablement» Ces tubes-supports, ainsi que les tubes précités (qui étaient complètement recouverts de matière supraconductrice) sont guidés, selon l'invention, dans des enroulements présentant des sens d'enroulement successivement opposés, de manière que le courant circule dans des sens opposés dans les couches de deux 15 tubes adjacents. L'ensemble du dispositif selon l'invention est de préférence logé dans un cryostat en matière plastique. Pour obtenir le fonctionnement du cryotron selon l'invention (passage à l'état normal) pour un courant quelconque passant dans le conducteur de porte, on peut également prévoir des 20 conducteurs de commande qui sont reliés à un circuit indépendant de commande et placés le plus près possible des conducteurs de courant principal (conducteurs de porte) tout en étant parallèles à ces derniers et isolés. Il peut être particulièrement avantageux dé placer les conducteurs de commande à l'intérieur des tubes isolants, 25 de manière que le conducteur de porte entoure le conducteur de commande et que ce dernier ne soit alors pàa influencé par le champ magnétique du conducteur de porte. Dans le cryotron selon l'invention, il peut être avantageux de monter les tubes-conducteurs de porte aar des plaques 30 en matière plastique. Les jonctions aux endroits de foirte courbure ainsi que les connexions d'arrivée et de départ du courant sont avantageusement réalisées dans la même matière supraconductrice que les couches prévues sur les autres parties du tube, mais elles sont exécutées avec un diamètre supérieur. Il est avantageux 35 d'utiliser pour ces connexions une matière supraconductrice présentant un plus grand champ critique que les couches prévues sur les autres parties du conducteur dé porte. Il est en outre avantageux si les plaques sont creuses et reliées à l'arrivée de fluide réfrigérant (par exemple de l,hélium liquide) et comportent des trous 40 en dessous des conducteurs de porte de manière que l'on puisse in- 20037 î4 69 06"f 5 troduire aussi rapidement que possible du fluide réfrigérant lorsque le conducteur de porte atteint la valeur critique. En ce qui concerne la fabrication, il est particulièrement avantageux lorsque le conducteur de porte se compose d'éléments 5 individuels rectilignes. Dans un exemple de réalisation, les tubes-conducteurs de porte sont disposés sur une surface cylindrique et sont reliés par des éléments coudés de diamètre plus grand et/ou formés d'une matière supraconductrice présentant un champ magnétique critique plus élevé (supérieur à celui des éléments rectilignes), 10 de manière que le courant circule dans deux tronçons (rectilignes) adjacents dans des sens opposés. L'expression "tube"-conducteur de porte se rapporte en premier lieu à la matière supraconductrice du conducteur de porte. A 1'intérieur de la surface d'appui de la couche supraconductrice, on peut ou non prévoir une cavité cylindri-15 que. C0nime déjà indiqué plus haut, il peut exister à l'intérieur du tube-conducteur de porte un conducteur de commande, qui constitue dans une certaine mesure l'âme du tube. Pour éviter des influences réciproques entre des conducteurs de porte adjacents, on les protège les uns des autres en 20 prévoyant de préférence des bandes longitudinales en niobium ou une matière supraconductrice similaire et présentant si possible un champ critique élevé. Cette protectionpeut être obtenue également par un conducteur de commande en matière supraconductrice placé entre deux conducteurs de porte. 25 Pour mieux comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire, à titre indicatif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé sur lequel s - la figure 1 représente un cryotron comportant des tubes-conducteurs de porte répartis sur les surfaces périphériques de 30 plusieurs cylindres; - la figure 2 est une section droite d'un tube-conducteur de porte comportant une couche supraconductrice qui fait tout le tour; - la figure 3 est une section droite d'un tube-conducteur 35 de porte dont le pourtour est pourvu de bandes supraconductrices; - les figures 4a et 4b représentent en coupe transversale des parois latérales cylindriques munies de bandes supraconductrices de protection ou de conducteurs de commande; - la figure 5 représente un cryotron muni de tubes-con-40 ducteurs de porte disposés sur une plaque. 69 0o;Jc s 2003714 le conducteur dont la longueur est en général supérieure à 1 km pour des tensions de 100 kV, s'obtient avantageusement en disposant le supraconducteur tubulaire comme il est indiqué sur la figure 1„ Les parties rectilignes du tube 1, munies de la couche 5 supraconductrice (11 ou 12 sur les figures 2 ou 3) sont fixées sur une surface cylindrique 2 (formée d'une matière isolante) et elles sont reliées par des coudes 3, dont le diamètre est supérieur au diamètre des parties rectilignes 1 en raison du champ critique» Le courant circule alors dans des sens opposés en prenant deux conduc-10 teurs de porte adjacents du type précité (cf. les flèches sur la figure 1), pour obtenir une inductance globale aussi faible que possible» Lorsque la résistence du conducteur de porte doit devenir relativement grande lors du passage à l'état normal, il 15 est avantageux d'agencer la couche supraconductrice placée sur les parties rectilignes du tube (ou sur l'ensemble du tube) sous forme de bandes longitudinales qui sont réparties uniformément sur la périphérie du tube 1, de manière que seule une partie du tube, par exemple les deux-tiers, soit recouverte par la couche supraconduc-20 trice. La répartition du champ autour du conducteur ne subit alors aucune modification sensible. Sur les figures 2 et 3, on a représenté des coupes d'un tube 1 de la figure 1, faites suivant les lignes II, III. La figure 2 montre le cas où la surface extérieure 20 du tube est recouverte sur tout le pourtour d'une couche supra-25 conductrice 11. La figure 3 représente un exemple dans lequel il n'est prévu sur la surface du tube que des bandes longitudinales 12 qui sont vues en section droite. En disposant, comme sur la figure 1, de plusieurs cylindres concentriques 2, qui portent chacun un conducteur de 30 porte tubulaire à couches supraconductrices, disposé en forme de méandres, on peut loger un conducteur de longueur suffisante dans un espace relativement réduit. Pour éviter que les conducteurs de porte de deux cylindres ne s'influencent mutuellement, on peut avantageusement.revêtir la face intérieure du cylindre extérieur de 35 avec des bandes/protection 15 en matière supraconductrice, représentées en coupe sur la figure 4a et présentant "un champ magnétique critique suffisamment élevé, par exemple des bandes de niobium. Le cryotron selon l'invention peut également être pourvu d'un conducteur de commande. Le cryotron peut être commandé 40 grâce à des conducteurs de commande 16 adéquats, qui sont parcourus 2003714 9 Oo 7 par un courant de commande et disposés de préférence parallèlement aux conducteurs de porte conduisant le courant principal, comme il est indiqué sur la figure 4b. Sur cette figure, on a représenté une partie d'une coupe faite suivant la ligne IV-IV de la figure 1. 5 II est par exemple possible d'agencer les conducteurs de commande 16(également désignés par 16 sur la figure 1) entre les deux cylindres qui portent les conducteurs de porte (dans ce cas, on supprime généralement les bandes supraconductrices de protection). Le conducteur de porte du cryotron selon l'invention peut également 10 être avantageusement agencé comme il est indiqué sur la figure 5. Dans le cas où le conducteur de porte a une structure tubulaire, le conducteur de commande peut également passer au centre du tube-conducteur de porte (dans un espace exempt de champ). Dans la coupe de la figure 2, le conducteur de commande est désigné par 17 $5 et son tube-support par 18. Le conducteur de commande est constitué dans ce cas par -une couche supraconductrice déposée sur le tube-support 18, qui peut également être plein. Le conducteur de porte 20 est alors placé horizontalement sur une plaque isolante 21, réalisée de préférence en ma-20 tière plastique. Cette plaque 21 peut être creuse et elle est pourvue de trous en dessous du conducteur de porte, de manière qu'un liquide réfrigérant passant par les trous, par exemple de l'hélium, puisse être introduit immédiatement après un passage à l'état normal du conducteur de porte, en vue d'obtenir un refroi-25 dissement aussi rapide que possible du conducteur et un rétablissement de la supraconductivité. En disposant les unes en dessous des autres un nombre correspondant de plaques 21, on peut obtenir un conducteur de porte d'une longueur suffisante. Quant au tube-conducteur de porte de la figure 5, il peut lui aussi n'être recou— 30 vert que de bandes supraconductrices longitudinales au lieu de supporter un enrobage supraconducteur intégral. 69 06786 2003714 REVENDICATIONS 1 » Cryotron pour courants forts comportant un conducteur de porte supraconducteur en forme de couche dont l'épaisseur est de l'ordre de grandeur de la profondeur de pénétration d'un 5 champ magnétique dans la matière supraconductrice, cryotron caractérisé par le fait que le conducteur de porte est réalisé sous forme d'une couche supraconductrice déposée sur un tube isolant et par le fait que le conducteur de porte forme des méandres de sorte que des courants de sens opposés circulent en service dans des conducteurs adjacents. 2. Cryotron suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le conducteur de porte de forme tubulaire est disposé sur une surface cylindrique réalisée notamment en matière isolante ou encore revêtue de matière isolante. 15 3» Cryotron suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les coudes des méandres reliant les parties rectilignes du tube ont un plus grand diamètre que lesdites parties rectilignes. 4. Cryotron suivant la revendication, caractérisé 20 par le fait que la couche supraconductrice extérieure du tube se compose de bandes longitudinales orientées parallèlement à l'axe du tube et réparties uniformément sur la périphérie de ce dernier. 5. Cryotron suivant les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que deux cylindres concentriques ou plus sont 25 pourvus chacun d'un conducteur de porte formant des méandres et disposé sur la surface périphérique des cylindres. 6. Cryotron suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le conducteur de porte tubulaire est disposé sous forme d'une spirale à méandres sur une plaque isolante. 30 7. Cryotron suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il est prévu deux plaques ou plus, placées l'une au-dessus de l'autre et se succédant en série quant à la longueur du conducteur de porte. 8» Cryotron suivant les revendications 6 et 7, 35 caractérisé par le fait que les plaques sont creuses et pourvues de trous dans les zones d'appui du conducteur de porte, de manière que le fluide réfrigérant puisse arriver d'une manière simple sur-la matière supraconductrice. 9. Cryotron suivant les revendications 1 à 8 et com-40 portant un conducteur de commande, caractérisé par le fait que ce fi9 06; i! 9 2003/ 14 conducteur de commande est orienté chaque fois parallèlement au conducteur de porte conduisant le courant principal,,