Brevet FR2053085A1 — publié le 19710416

La présente invention concerne un dispositif'-d-e'lévltation magnétique, plus particulièrement un dispositif de lévitation ma- gnétique mettant en oeuvre les propriétés d'écran magnétique d'un supraconducteur non homogène dur. L'expression dispositif de lévitation magnétique est utilisée pour désigner les dispositifs permettant de soutenir ou de faire flotter un objet dans-l'air à l'aide des forces magnétiques. Parmi les applications proposées pour ce dispositif,- on' trouve les paliers sans contact, les dispositifs du type à coussin, les vais seaux planeurs, les trains à grande vitesse etc. Les dispositifs de lévitation magnétique connus jusqu'à présent sont ceux qui mettent en oeuvre les forces répulsives qui sont exercées entre les mêmes piles d'aimant et ce-ux qui utilisent effet lieissner d'un supraconducteur doux. Ces dispositifs connus ont un désavantage commun par le fait que-la force de lévitation est faible et c'est pourquoi, il a été pratiquement impossible de réaliser des structures lourdes tels que les vaisseauxrplaneurs dits hovercraft et les trains de grandé~vitesse mettant-en oeuvre des systèmes de soutien à base des techniques magnEtiques. C'est pourquoi le but principal de la présente invention est de réaliser un dispositif de lévitation magnétique qui est capable d'exercer des forces de soutien extrtmement grandes Un autre but de la présente invention est de réaliser un dispositif de lévitation magnétique de construction simple, produisant une force de lévitation stable. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront dans la description détaillée ci-dessous qui se réfère aux dessins annexés parmi lesquels les figures 1 et a sont des graphiques représentant des courbes-caractéristiques de magnétisation de supraconducteur. La figure 3 est une vue schématique exposant les principes de la présente invention. La figure 4 est un graphique montrant les courbes caractéristiques mettant en évidence l'effet d'écran magnétique. La figure 5 est une vue schématique illustrant un mode de réalisation de la présente invention. La figure ó est un graphique représentant les courbes caractéristiques des forces de lévitation produites par le dispositif selon la présente invention. Les figures 7 et 8 sont des vues schématiques d'autres modes de réalisation de la présente invention, et les figures 9(A) et 9(B) sont des représentations schématiques des disques mis en oeuvre par la présente invention. Sur. la figure 1, on a représenté la courbe de magnétisation d'un supraconducteur : le champ magnétique Hé applicable au supra e conducteur doux est porté en abscisse tandis que la magnétisation ( est por-tée sur l'axe des ordonnées. Ainsi qu'on peut le voir, le supraconducteur doux est. magnétisé par l'application d'un champ magnétique externe, en direction inverse champ magnétique (en d'autres termes, le supraconducteur devient diamagnétique); on voit aussi que l'intensité est proportionnelle à. celle du champ magnétique He. On observe, cependant, que dans un champ magnétique HC1 donné, l'état supraconducteur peut btre soudainement détruit, la valeur X devenant brusquement nulle.La valeur H01 du champ magnétique est connue sous le nom de champ magnétique critique inférieur et la région telle que H e H01 est celle dite région diamagnétique parfaite ou encore la région de Aleissner. Dans cette région, un courant passe à travers la couche superficielle du supraconducteur qui a plusieurs milliers d'Angströms d'épaisseur. Ainsi, le champ magnétique extérieur ne peut~pénetrer dans le supraconducteur doux et le champ magnétique intérieur est maintenu nul. On voit aussi que si unobjet à champ magnétique interne nul est placé dans le champ magnétique ayant un gradient donné, une certaine force est exercée sur l'objet et cet objet peut être soulevé vers la direction où le champ magnétique dévient plus faible. Ceci signifie que les principes exposés ci-dessus peuvent entre utilisés dans la fabrication de paliers mécaniques sans contact, de coussins etc. Dans le cas d'un dispositif de lévitation utilisant l'effet Meissner dtun~supraconducteur doux, la force de lévi- tation maximale dont l'expression IHC1 }2 .8 est limitée. par l'intensité du champ magnétique critique infe- rieur H01 et ne peut pas Entre augmenté au-delà d'une certaine valeur. Contrairement au cas précédent, la présente invention met en oeuvre un supraconducteur non homogène dur et utilise 11effet d'écran magnétique contre le champ magnétique entre la valeur critique inférieure du champ et la valeur critique supérieure de ce champ, le dispositif de lévitation pouvant présenter une force de lévitation égale à environ plusieurs milliers de fois celle des dispositifs de lévitation connus. Parmi les supraconducteurs durs non homogènes, on trouve par exemple l'alliage Nb-Zr-Ti, Nb3Sn, Nb3Ga, et Nb3(A208Ge02), qui ont tous la caractéristique de magnétisation représentée graphiquement dans la figure 2.Si un tel supraconducteur dur est placé dans un champ magnétique et que ce champ est augmenté, la force de magnétisation (-) augmentera graduellement jusqu'à ce que la valeur inférieure critique du champ Hcî soit atteinte. Cette force de magnétisation continue à augmenter dans une certaine mesure au-delà de la valeur Hcî à partir duquel le champ magnétique externe commence à prédominer et commencera à diminuer à partir d'une certan- ne valeur maximale jusqutà une valeur Hc2 appelée champ magnétique critique supérieur auquel cars l'étant supraconducteur est dé- truit.Par opposition à la région caractérisée par la valeur He Hc2 > H e > HC1 est appelée la région d'écran magnétique. Dans cette dernière région, un faible flux d'espace est produit à l'intérieur du supraconducteur dur disposé dans le champ par lteffet d'actions totalement différentes de l'effet Keissner. Grâce à la force de pointe due aux dislocations ou aux précipitations inadéquates et autres défauts à l'intérieur du supraconducteur dur et non homogène et la force de Lorentz qui induit un flux magnétique à partir du champ magnétique externe de manière à stintroduire dans le supraconducteur dur, le flux magnétique entre dans le supraconducteur à travers sa surface.En conséquence, un courant induit coule à travers la portion dans laquelle le flux magnétique a pénétré. C'est par ce courant induit que toute entrée ultérieure du flux d'origine externe dans le supraconducteur dur est supprimée et on obtient ainsi un flux d'espace remarquablement dilué qui est formé à l'intérieur du supraconducteur. Dans ce cas, la profondeur de pénétration du flux dans le supraconducteur dépend de l'intensité du champ magnétique externe, cette profondeur étant d'ordinairement d'environ 106 fois plus grande que la profondeur de la couche superficielle à travers laquelle un courant coule par l'effet ireissner. Ainsi l'effet wsieissner crée un espace de champ magnétique nul dans un supraconducteur tandis que l'effet dtécran magnétique produit un flux d'espace dilué dans un supraconducteur du même matériau.Ainsi, dans les deux cas il y a naturellement des caractéristiques magnétiques diffé rentes; mais dans les deux cas, le supraconducteur placé dans un champ magnétique ayant un gradient uniforme sera soumis à une -force dans la direction dans laquelle le champ magnétique staffai- blit. On peut ajouter que les supraconducteurs durs homogènes ne conviennent pas à-la réalisation de la présente invention car ils permettent la pénétration du flux à partir- d'un champ magnétique avec une intensité relativement faible et ne créent pas un effet d'écran magnétique suffisant. L'effet d'écran- magnétique d'un supraconducteur dur non homogène apparaîtra plus clairement à la description-de l'expérience ci-dessous. Comme on voit sur la figure 3, deux plaques plates 1 et 2 d'un supraconducteur non homogène dur sont disposées parallèlement 1 'une à 1 autre et un champ magnétique externe H est appliqué aux plaques parallèles avec une direction perpendiculaire à ces plaques. La relation entre les changements de champnagnétique H et du champ magnétiqUe H' définie entre les plaques-.parallêles peut titre représentée par la courbe de la figure 4. Lorsque le champ magnétique H varie en augmentant à partir de zéro, le champ Ht commence à ne subir qu'un faible changement -au- début et, reste ensuite pratiquement nul.Ceci est dû au fait que la pénétration du flux magnétique est empêché par la propriété d'écran du supraconducteur dur formant les plaques 1 et 2. Lorsque- le champ magnétique appliqué H atteint la valeur critique du champ Hc2 du supraconducteur dur, ltétat supraconducteur est détruit et le champ magnétique Ht entre les plaques parallèles devient sensiblement équivalent au champ magnétique-appliqué H.Si dans un certain champ magnétique H1 inférieur à Hc2 les plaques sont chauffées ensemble à une température supérieure à la température de transition jusqutà ce que la relation Hl = Ht est établie et si le champ magnétique appliqué H et graduellement réduit à zéro, alors le champ interne H' ne diminuera pas jusqu'à la valeur nulle mais un certain champ magnétique H111 restera entre les plaques parallèles-. En d'autres termes, le supraconducteur dur possède une propriété de piège magnétique. La présente invention met en oeuvre cette propriété. Dans cette courbe caractéristique, on suppose que le rapport H = W et que W est appelé le facteur d'écran magnétique.H En vue d'exposer la présente invention, la force de lévitation maximum est exprimée par la formule : (1 -a)H2 8 # en (dyne par cm2)(Hcl qutillustrée dans la figure 2, qui a environ une valeur 100 fois plus grande que celle de la valeur critique infé- rieure du champ d'un supraconducteur ordinaire doux. Une sélection adéquate du matériau permet d'obtenir une valeur de w très proche de zéro. En combinant ces facteurs, un dispositif selon l'invention mettant en oeuvre l'effet d'écran magnétique peut présenter une force de lévitation d'environ plusieurs milliers de fois plus grande que celle des dispositifs classiques utilisant l'effet lieissner. Pour une meilleure compréhension de la présente invention, un mode de réalisation préféré va etre décrit en détail avec références aux figures annexées. Se référant plus spécialement à la figure 5, on voit une paire de disques 1 et 2 réalisés en matériau supra conducteur dur non homogène, tel que par exemple le Nb3Sn frite (les conditions de fritage sont les suivantes : compression avec une pression de une tonne par centimètre carré et un traitement thermique sous vide à 100000 pendant cinq heures), chacun de ces disques mesurant 45 mm de diamètre et 5 mm d'épaisseur, ces disques étant maintenus parallèlement à une distance l'un de l'autre d'environ 20 min. Les chiffres de référence 3 et 4 désignent des supports des disques 1 et X,et7 une tige verticale disposée avec son extrémité à un point sensiblement situé dans le centre du support supérieur 3. Les disques 1 et 2 sont maintenus écartés par des pièces d'écartement 5 et 6 parallèles l'une à autre. Les disques sont immergés dans de l'hélium liquide 9 contenu dans un récipient cryogénique Dewar 8. L'ouverture de ce récipient 8 laissé passer la tige 7 et est hermétiquement fermée avec un joint du type Wilson. Un aimant supraconducteur 10 ayant un diamètre intérieur de 70 mm et une longueur de 300 mm est disposé sur la paroi intérieure du récipient 8.Sur le sommet de la tige 7 est disposée une soucoupe pouvant supporter un objet qutil s'agit de soulever. Lorsqu'un courant passe à travers l'électro-aimant supraconducteur 10, un champ magnétique ayant un gradient dans une direction donnée est.formé dans le récipient 8. Cependant, l'effet d'écran magnétique des disques 1 et 2 ne crée qu'un faible flux dilué d'espace entre ces deux disques. En conséquence, l'assemblée formée par les pièces 1 à 6 est soumise à une force de suspension qui est transmis à l'objet disposé sur la soucoupe 1l par l'intermédiaire de la tige 7. La figure 6 donne les résultats d9une expérience réalisée dans laquelle la soucoupe 11 a été remplacée par un dispositif de mesure de force. Sur cette figure, on a représenté en abscisse le champ magnétique appliqué sur la surface de la paire de disques et exprimé en kiloGauss tandis que, en ordonnée, on a représenté la force de lévitation en kilogramme-poids. La courbe obtenue (a) correspond au cas ou la distance Z entre le centre de 1'électro-aimant 10 et le centre de la paire de di-sques était de 3 cm tandis que la courbe (b) correspond au cas où cette distance Z était de 2 cm. La figure 7 représente un autre mode de réalisation de la présente invention. Entre une paire de disques parallèles, on inter- pose une pièce cylindrique en supraconducteur dur afin d'augmenter l'effet d'écran magnétique. Sur cette figure, les chiffres de références 13, 14 et 15 désignent des disques réalisés en matériau supraconducteur dur non homogène, qui sont tenus parallèlement les uns par rapport aux autres par des supports 18 à 22. Des cylindres 16 et 17 en supraconducteur dur sont disposés entre les plaques parallèles 13, 14 et afin d'éviter la pénétration de tout le champ magnétique à l'intérieur de l'espace défini entre les disques parallèles.Ainsi, le champ magnétique entre les disques parallèles est encore plus dilué que dans le cas du dispositif de la figure 5 compte tenu du champ magnétique qui est appliqué de l'extérieur, et ainsi on obtient une force de lévitation encore plus grande. La figure 8 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel une paire de disques parallèles réalisés en matériau supraconducteur dur est rendue fixe tandis qu'un électroaimant supraconducteur est disposé de manière à pouvoir se déplacer de haut en bas. Sur cette figu-re, les disques 25 et 26 ont tous les deux des sections ayant une courbure similaire et sont tenus parallèlement l'un à 11 autre par des supports 28 et 29. Entre les disques, on interpose In cylindre 27 réalisé en mate riau -supraconducteur dur et cette assemblée est fixée au fond d'une bouteille cryogénique Dewar 8. Dans le cas du présent mode de réalisation; un aimant supraconducteur 10 est disposé coulissant le long de la paroi intérieure de la bouteille 8 au moyen d'un support 30 qui, à son tour, est relié à une tige 7 par un disque 31. Dans ce cas, l'aimant supraconducteur 10 se déplace verticalement et ainsi un objet est disposé sur la soucoupe il et soulevé par la force qui est exercée entre l'assemblée des pièces 25 à Z9 et l'aimant supraconducteur 10. Un effet exactement semblable à celui des dispositifs illustrés par la figure 8 est ainsi obtenue Les disques 25 et 26 en matériau supraconducteur dur sont courbés de manière à permettre à l'aimant supraconducteur 10 de donner un flux magnétique vertical par rapport à ces disques et exercer ainsi une force importante sur ltensemble des disques. Dans ce mode de réalisation, l'aimant 10 peut être remplacé par une pluralité d'aimants combinés de manière à former le champ magnétique de configuration désiré en vue de réaliser la lévitaw tion. Dans le mode de réalisation qui vient dartre décrit on a utili -sé-des disques en WrD3Sn frité poreux mais des grandes plaques 5 praconductrices peuvent, dans certains cas, ne pas donner temporairement l'effet de lévitation à cause d'une capacité de refroidis- sement insuffisante, d'un saut due flux ou d'autres défauts. Une des manières d'éviter des défauts de fonctionnement de ce genre est de réaliser un dispositif de refroidissement dans lequel on augmente la surface du supraconducteur exposée à un fluide réfrigérant tel que l'hélium liquide ou l'hélium froid gazeux. Une autre approche du problème peut consister à former une plaque composite telle que celle illustrée par la figure 9(A); cette plaque est formée de feuilles ayant la forme de disques, réalisées en matériau supra conducteur dur non homogène déposé sur un matériau normal (par exemple l'argent, le cuivre ou l'or) ayant un fort coefficient de diffusion thermique K/C (ou K est le coefficient de conductivité thermique tandis que C est la chaleur spécifique). Ces feuilles sont alternées avec des feuilles 42 de -maté- riau normal disposées simplement entre les précédentes. La plaque composite obtenue est caractérisée par un meilleur contact thermique entre les pièces 42 et 41 et par une meilleure capacité de refroidissement. On a obtenu une lévitation satisfaisante en utilisant un disque multicouche de IfiD-Nb3-Nb obtenu par la méthode de diffusion. Ce disque multicouche a été réalisé avec une structure telle que représentée en coupe par la figure 9(B). On réalise une couche 46 de Sn de 40 d'épaisseur sur la surface intérieure de deux plateaux de 40 d'épaisseur, formés par deux demi-cylindres 44 en Nb. La surface de la couche de Sn étant soigneusement nettoyée, les disques 43 en Nb et les disques 45 en Sn sont disposés les uns sur les autres sur la couche de Sn et ensuite l'ensemble est comprimé par des moyens mécaniques. La couche composite est ensuite disposée dans le récipient cylindrique et ltensemble est soumis à un traitement thermique de diffusion sous vide ou dans une atmosphère de gaz inerte à une temperature comprise entre 9000 et 10000 pendant 5 à 10 heures.On obtient ainsi des couches mixtes de Nb3Sn le long des limites entre les couches composantes 43 et 45 et entre les couches composantes 44 et 46. D'après la description ci-dessus, il faut voir què l'invention utilise 1 'effet d'écran magnétique entre le champ critiqué inférieur et le champ critique supérieur d'un matériau supraconducteur dur non homogène et permet plus spécifiquement-de realiser un dispositif dans lequel un champ magnétique ayant uns certain gradient est formé par un aimant supraconducteur, un ensemble entourant le supraconducteur dur ou une unité en matériau supraconducteur dur étant placée dans le champ magnétique, de manière que le -champ magnétique dans l'espace ou à l'intéri~eur du supraconducteur dur soit diminué par un facteur = à (1 - tJ, créant ainsi une force de lévitation. La présente invention rend ainsi possible la production d'une force de lévitation beaucoup plus gr-an- classiques et, de plus, la structure d'un appareil selon l'invention est; simple, -ce qui est un-avantage pratique. De plus, les modes de réalisationdécrits'ci-dessus permettent d'obtenir une lévitation dans la direction où le champ magnétique est réduit, stable en direction radiale et relativement stable dans la direction du mouvement car les forces de suspension sont équilibrées par les fortes gravités. Ces propriétés sont opposées à celles des matériaux féromagnétiques et représentent une caractéristique avantageuse de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de lévitation magnétique comportant : a - une pluralité de plaques plates en matériau supraconducteur dur non homogène présentant une valeur critique infériez re de champ magnétique et une valeur critique supérieure de champ magnétique; b - un moyen de support reliant ces plaques parallèlement l'une à l'autre; c - un moyen de refroidissement pour maintenir des plaques en état de supraconductivité;; d - un moyen pour appliquer un gradient convenable du champ magnétique sur les plaques dans une direction perpendiculaire auxdites plaques, le champ magnétique entre les plaques parallèles étant rendu faible par rapport au champ magnétique appliqué, ce qui permet d'obtenir la lévitation desdites plaques de leur moyen de support par rapport au moyen permettant d'appliquer le champ magnétique. a - Dispositif de lévitation magnétique selon la revendication 1 dans lequel la force du champ magnétique appliquée sur les plaques plates dans la direction perpendiculaire à ces plaques est égale à une valeur comprise entre la valeur critique inférieure de champ et la valeur critique supérieure du champ dudit matériau supraconducteur dur constituant lesdites plaques. 3 - Dispositif de lévitation magnétique selon la-revendication 1 caractérisé par le fait que lesdites plaques sont incurvées, ledit moyen pour appliquer un gradient convenable de champ magnétique comportant un moyen pour appliquer un champ magnétique externe dont la valeur est égale à une valeur comprise entre la valeur critique inférieure de champ et la valeur critique supérieure du champ, ledit champ magnétique étant appliqué auxdites plaques incurvées dans une direction perpendiculaire à la surface incurvée desdites plaques; le dispositif comportant, en outre, un moyen pour maintenir, d'une part, l'ensemble constitué par les plaques incurvées et leur moyen de suppprt et, d'autre part, le moyen d'application de champ magnétique externe, de manière que l'un desdits ensembles et moyen d'application de champ magnétique soit fixe et l'autre soit mobile. 4 - Dispositif de lévitation magnétique selon la revendication I dans lequel une pièce en matériau supraconducteur dur non homogène est interposé entre les plaques parallèles de manière à entourer 1 'espace compris entre ces plaques. 5 - Dispositif de lévitation magnétique selon la revendication 1 dans lequel les plaques parallèles sont formées par des fines couches de matériau supraconducteur dur non homogène et de couches de matériau normal disposées de manière alternée.