Brevet FR2027395A1 — publié le 19700925

L'invention est relative à des électro-aimants supraconducteurs constitués de corps en forme de feuilles allongées feuilletées ou analogues à des rubans qui présentent une stabilité et des performances élevées. I1 est bien connu qu'on peut utiliser des métaux tels que le niobium, le tantale, le technétium et le vanadium, en combinaison ou en alliage avec de l'étain, de l'aluminium, du silicium ou du gallium, pour former des composés ou des alliages supraconducteurs, tels que Nb3Sn, qui présentent une haute conductibilité. Un moyen de réaliser un tel supraconducteur est de faire passer un mince ruban allongé de niobium à travers un bain d'étain enfusion pour produire une mince couche d'étain à la surface de ce ruban. Un traitement thermique ultérieur fait réagir le niobium et 1' étain pour produire le composé supraconducteur Nb3Sn sous forme de couche mince sur la surface de séparation niobium/étain. De tels rubans sont alors assemblés usuellement avec une ou deux bandes, de mêmes étendues, de métal non supraconducteùr présentant une valeur normale de conductibilité électrique, par une technique de soudage ou de brasage, qui produit essentiellement une contrainte de compression dans la couche supraconductrice fragile et permet au conducteur en forme de ruban feuilleté de se bobiner facilement pour constituer des bobines enroulées en spirales analogues à des galettes plates munies d'une ouverture centrale. On peut alors assembler un certain nombre de telles bobines essentiellement identiques pour former un corps cylindrique muni d'une ouverture axiale, c'est-à-dire un solénoïde supraconducteur, en réalisant des connexions électriques appropriées entre les diverses bobines.De tels solénoïdes sont très pratiques pour la production de champs magnétiques d'intensités très élevées. Toutefois, lorsqu'on construit de tels solénoïdes fondés sur les propriétés supraconductrices mesurées sur des courtes longueurs de ruban non enroulé, le champ magnétique maximal que l'on peut produire par un solénoïde de ce genre est souvent nettement plus faible que le champ calculé. La limitation du champ magnétique dans de nombreux solénoïdes provient du fait que l'une ou plusieurs des bobines supraconductrices se trouvent entrainées vers l'état normalement conducteur par un effet de couplage magnétique serré et par un effet thermique, qui sont communément désignés du nom de "saut de flux". Selon l'invention, 11 électro-aimant supraconducteur est caractérisé en ce qu'il comporte un enroulement d'un supraconducteur analogue à un ruban et un corps complémentaire,présentant une aimantation relativement forte, placé au voisinage immédiat des parties dudit enroulement de ruban où les composantes du flux magnétique perpendiculairement aux surfaces du ruban sont fortes, relisant ainsi un chargement de trajet pour les composantes correspondantes du flux magnétique. De préférence, l'électro-aimant est constitué par un solé zoïde comportant un certain nombre d'éléments analogues à des galettes de supraconducteurs enroulés en ruban, empilés l'un sur l'autre et connectés électriquement, et le corps complémentaire présentant une aimantation relativement élevée est réalisé es sntiellement en un matériau ferromagnétique. L'invention a donc pour but principal de procurer des moyens pour stabiliser le couplage magnétique et thermique afin d'éviter un tel'Saut de flux" et augmenter ainsi le courant maximal admissible et le champ magnétique que l'on peut obtenir avec un tel appareillage. Avantageusement, un tel électro-aimant comporte plusieurs corps complémentaires au voisinage immédiat des parties d'extrémité du solénoïde L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée ci-dessous, effectuée en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue semi-schématique d'un solénoïde supraconducteur dont certaines parties ont été enlevées - la figure 2 est une vue d'une partie d'un tel solénoïde modifié selon un des modes de réalisation de l'invention. Les performances des électroaimants supraconducteurs se sont trouvées limitées par l'apparition de ces sauts de flux imprévisibles, le flux magnétique maximal s'effondrant souvent bien avant le flux obtenu lorsqu'on essaie des échantillons courts de supraconducteurs. L'expérience a montré que lorsque l'on utilise des électro-aimants bobinés en ruban supraconducteur plat, un des facteurs importants qui intervenait était la composante de l'intensité du champ magnétique perpendiculairement aux surfaces du ruban plat. La pénétration du flux à l'encontre des forces maintenant le flux dans de tels supraconducteurs est accompagnée par une production de chaleur. Si cette chaleur est engendrée à un débit plus grand que celui qui peut être dissipé, la température du supraconducteur ma augmenter.Ceci, à son tour, affecte 1' intensité des centres de maintien du flux magnétique et la pénétration du flux magnétique est alors possible. Si ce système magnétique, d couplage serré, et thermique devient instable, le flux peut se précipiter et on dit qu'un "saut de flux" se produit, après quoi la partie affectée du supraconducteur peut revenir à son état de conductibilité normale. Une conformation usuelle, utilisée dans les électro-aimants supraconducteurs à champs élevés, consiste en un cylindre circulaire droit relativement allongé présentant une ouverture centrale le traversant, qui constitue la zone d'action du champ élevé. Un tel électro-aimant peut être construit en enroulant un ruban supraconducteur pour former un certain nombre de corps en forme de galettes toroïdales essentiellement identiques en les assemblant pour obtenir la conformation cylindrique, les diverses galettes ayant leurs rubans composants connectés en série pour constituer un solénoïde. On voit immédiatement qu'il y aura une composante radiale du champ magnétique, c'est-à-dire un champ magnétique perpendiculaire aux surfaces des rubans,plus grande dans les galettes d'extrémité, les rendant plus susceptibles d'être le siège de "sauts de flux" que les galettes intérieures.On a imaginé que, si on prévoyait dans ces zones d'extrémité un autre trajet, de perméabilité magnétique plus grande, on pouvait obtenir une plus grande stabilité et une plus grande résistance aux nsauts de flux" et ainsi un plus grand courant maximal admissible. En conséquence, on a préparé et essayé les solénoïdes suivants Un ruban supraconducteur de niobium-alliage niobium et étain, d'une épaisseur de 0,02 mm environ et d'une largeur d'environ 12,5 mm, a été soudé entre deux rubans de cuivre pour former un ruban feuilleté plat susceptible d'être bobiné, qui présentait une épaisseur totale d'environ 0,10 mm et une largeur d'environ 12,5 mm. Des essais sur des échantillons courts de ce ruban ont donné une intensité maximale admissible de 400 ampères à 10 teslas (1 tesla = 10.000 gauss). Le ruban a été enroulé en dix galettes toroïdales essentiellement identiques d'environ 500 tours par galette pour constituer des galettes d'un diamètre extérieur d'environ 160 mm et d'un diamètre intérieur d'environ 38,6 mm. Comme on le voit sur la figure 1, ces diverses galettes ont été assemblées pour former un électro-aimant cylindrique 10 fournissant un espace de travail axial 11 traversant le cylindre L'assemblage des galettes pouvait être choisi de telle manière que les galettes 12 et 13 étaient placées aux extrémités opposées, comme on le voit sur la figure, où on savait qu'elles étaient très sensibles aux "sauts de flux". Les galettes adjacentes étaient interconnectées électriquement, ainsi qu'on l'a représentSé par exemple en 15, 16, 17 et 18, de manière que les diverses galettes soient connectées en série pour former un solénoïde. I1 est manifeste pour le technicien que des bobines adjacentes sont enroulées dans des directions ou "sens" opposés. Le solénoïde était rendu supraconducteur par refroidissement à une température d'environ 4,20K et un courant lui était appliqué par un ensemble de circuits classique, non représenté sur la figure, lequel courant a été augmenté à raison d'environ 20 ampères par minute. Le champ, à l'intérieur du trou cylindrique 11, a atteint 6,65 teslas à 232 ampères, avant que se produise un effondrement que l'on a estimé provoqué par un "saut de flux" dans l'une des galettes d'extrémité 12 ou 13. Blessai précédent a été répété et un effondrement s'est à nouveau produit à 6,75 et 6,65 teslas. Les galettes d'extrémité 12 et 13 ont été enlevées et, comme on le voit sur la fig. 2, le solënobIde a été réassemblé avec une galette d'extrémité 20 constituée en acier doux, un acier du commerce satisfaisant à la norme américaine SAE 1020, d'une épaiF seur d'environ 12,5 mon, et une galette intermédiaire 21 du même acier d'une épaisseur d'environ 6,25 mm, a été placée entre la galette 13 et la galette intermédiaire immédiatement voisine 22. Les galettes d'acier 20 et 21 avaient les mêmes diamètres intérieur et extérieur que les galettes supraconductrices. Les supraconducteurs ont été de nouveau électriquement connectés en série, comme on le voit sur la fig. 1, mais les galettes d'acier ne faisaient pas partie du circuit. Le solénoïde ainsi modifié a été soumis au même essai que celui précédemment décrit et on a atteint un champ magnétique de 9,55 teslas à 325 ampères avant que se produise un effondrement. I1 y a lieu de remarquer que le solénoïde était capable de supporter un courant de 325 ampères avec les galettes d'acier tandis que sans ces galettes il était limité à 232 ampères seulement. Lorsqu'on a répété cet essai,toutefois, on a atteint un champ magnétique de 8,8 teslas à 299 ampères pour atteindre 1' apparition de l'effondrement. Aucune explication n'est offerte de ce résultat, cependant le résultat est encore bien meilleur qu'avec le solénoïde non modifié.Le solénoïde a été ensuite poussé jusqu'à un champ de 9,5 teslas sans qu'il se produise d'effondrement et le champ a été ramené à zéro, et un courant de direction inverse a été appliqué ; on a atteint alors un champ magnétique de 9,5 teslas avant que se produise l'effondrement.Ce comportement est tout à fait avantageux du fait qu'après qu'un tel 'solénoïde a été utilisé dans un sens, l'effondrement se produit souvent à une valeur beaucoup plus basse au cours du premier renversement de sens. La constitution finale du solénoïde représenté sur la figure 2 a été désassemblée et réas semblée ensuite sans la galette d'acier 21, mais d'une manière par ailleurs physiquement identique. Le solénoïde a été de nouveau essayé comme précédemment et l'électro-aimant a atteint une intensité de champ magnétique de 8,5 teslas. Un nouvel essai dans le même sens a donné un effondrement de 8,6 teslas. Les essais précédents sont plus complètement décrits dans le tableau suivant Position des Courant Champ à l'inté- Sens du plaques d'acier magnétisant rieur du solé- courant (ampères) noise à à l'effon ~l'effondrement ~~~~~~~~~~~~ 1' effondrement drement aucune 232 6,65 teslas positif " 240 6,75 t 232 6,65 extérieure* plus (plaque 20) 325 9,55 intérieure* * (plaque 21) 299 8,8 " 324 9,5 tt négatif 'extérieure * 292 8,-5 positif seule 294 8,6 1' * 12,5 mm d'épaisseur ** 6,25mm De ce qui précède, on voit immédiatement qu'on peut utiliser du fer ou un matériau présentant une aimantation à saturation relativement élevée, tel que de l'acier doux, pour contrôler les "sauts de flux" dans des électro-aimants supraconducteurs ou des solénoïdes dans lesquels la plus grande stabilité de l'ap pareillage permet d'employer des courants plus élevés donnant lieu à des champs magnétiques plus élevés. Bien qu'on ait donné une conformation géométrique particulière d'un électroaimant supraconducteur dans le but de présenter l'invention d' une manière plus complète, il est évident pour le technicien que l'invention s'applique tout aussi bien à d'autres conformations essentiellement différentes, destinées à commander les "sauts de flux" chaque fois qu'on a affaire à des composantes de champ analogues. REVENDICATIONS 1. Electro-aimant supraconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte un enroulement d'un supraconducteur analogue à un ruban et un corps complémentaire présentant une aimantation relativement forte, placé au voisinage immédiat des parties dudit enroulement de ruban où les composantes du flux magnétique perpendiculairement aux surfaces du ruban sont fortes, réalisant ainsi un chargement de trajet pour les composantes correspondantes du flux magnétique. 2. Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un solénoïde comportant un certain nombre d'éléments analogues à des galettes de supraconducteurs enroulés en ruban, empilés l'un sur l'autre et connectés électriquement, et en ce que le corps complémentaire présentant une aimantation relativement élevée est réalisé essentiellement en un matériau ferromagnétique. 3. Electro-aimant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps complémentaire est électriquement isolé du supraconducteur. 4. Electro-aimant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments-analogues à des galettes sont de forme torolda- le afin de fournir un espace central ouvert continu à 1'intérieur du solénoïde et en ce que le corps complémentaire présente une ouverture centrale correspondante alignée avec cet espace ouvert continu. 5. Electro-aimant selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu plusieurs corps complémentaires au voisinage immédiat des parties d'extrémité du solénoïde.