Brevet FR2085198A1 — publié le 19711224

L'invention due à la collaboration de Monsieur Robert BLONDET du Commissariat à l'Energie Atomique et de Monsieur André MARTIN de la Société MERIC, a pour objet un cryostat pour une bobine supraconductrice à champ magnétique d'intensité élevée, c'est-àdire un cryostat pouvant contenir une bobine supraconductrice fonctionnant à des températures très basses et créant un champ magnétique de forte intensité. Les champs magnétiques continus d'intensités élevées sont généralement créés à l'aide de bobines ou solénoïdes dans lesque} on fart circuler un courant électrique de grande intensité. La circulation de ce courant crée un champ magnétique d intensité proportionnelle au nombre de spires par unité de longueur et à l'iatensité du courant électrique. Lorsque cette intensité devient très élevée, les conducteurs s'échauffent très foi te- ment. De plus, le champ magnétique produit par la bobine crée des contraintes mécaniques très importantes sur toutes les parties métalliques magnétiques, supportant ou entourant la bobine. Une des solutions employées pour pallier ces inconvénients fait appel au phénomène de supraconductivité. On sait que certains corps deviennent supraconducteurs lorsqu'ils sont placés dans des conditions de température très basse. Leur résistance électrique est alors pratiquement nulle et il devient possible de leur faire véhiculer des courants électriques d'intensités très élevées sous des tensions très faibles. La bobine fonctionne à très basse température en la plaçant dans un cryostat contenant un fluide cryogénique, généralement un gaz liquéfié. Du fait des contraintes mécaniques très importantes, dues à l'action du champ magnétique sur les pièces métalliques magnétiques environnantes, il est nécessaire que le cryostat contenant la bobine soit robuste et capable d'absorber et de condenser éventuellement les déformations dues aux variations de température. Le cryostat doit être particulièrement bien conçu pour limiter au maxirmun les pertes calorifiques vers le milieu extérieur, et, en particulier, ltévaporation du fluide cryogénique. L'invention fournit un dispositif correspondant mieux que ceux de l'art antérieur aux exigences de la pratique. L'invention vise en particulier à obtenir un cryostat pour bobine supraconductrice d'emploi très facile, rigide mécanicuement tout en absorbant les déformations inévitables dues aux grandes variations de température et présentant des pertes calori fiques très faibles vers le milieu extérieur. A cette fin, l'invention propose un cryostat pour bovine surra- conductrice à champ magnétique d'intensité élevée, caractérisé en ce qu'il comporte - trois chambres délimitées chacune par deux cylindres de même longueurs l'un externe entourant l'autre interne, et deux flasques, les axes des cylindres internes et externes desdites chambres-étar.t d'entre part respectivement confondus entre eux et d'autre part parallèles, la première chambre renfermant ladite bobine supraconductrice bobinée sur son cylindre interne et excentrée par rapport auxdits cylindres externes, ladite première chambre pouvant recevoir. un premier fluide cryogénique, la paroi eu cylindre externe de la deuxième chambre étant creuse ce qui forme un réseroir pouvant recevoir un deuxième fluide cryogénique et les parois des cylindres externes étant munies chacune d'un orifice situé du coté le plus éloigné de l"::e desdits cylindres internes, ce qui permet l'introduction desdits fluides rryogé- niques et de créer un vide entre lesdites chambres et, - deux types de tirants maintenant lesdites chambres les unes par rapport aux autres, l'un constitué de tirants axiaux parallèles auxdlts axes desdits cylindres et supportant les contraintes mécaniques sur lesdits flasques dues au champ magnétique créé par ladite bobine et l'autre constitué de tirants radiaux perpendiculaires auxdits axes desdits cylindres et permettant de centrer lesdites chambres les unes par rapport aux autres. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans ~es.els - la fig. 1 représente en coupe un cryostat conforme à l'invention et muni de sa bobine supraconductrice et - la fig. 2 représente une coupe suivant la flèche A du dispositif de la fig. 1. Le cryostat est constitué principalement de trois chambres 1, 2 et 3 (fig. 1). Chaque chambre est délimitée par deux cylindres de meme longueur, l'un externe entourant l'autre interne, et par deux flasques. Les cylindres externes des chambres 1, 2 et 3 sont désignés respectivement par 4, 6 et 8 et les cylindres internes par 10, 12 et 14. Les flasques des chambres 1, 2 et 3 sont désignés respectivement par 16 et 18,20 et 22, 24 et 26. Les axes des cylindres internes 10, 12 et 14 sont confondus, les axes des cylindres externes 4,6 et 8 sont également confondus, et parallèles à l'axe des cylindres internes. La distance entre ces deux axes des cylindres internes et externes est indiquée par a sur la fig. 1.La chambre 1 contient la bobine supraconductrice 28 laquelle est formée en bobinant directement sur le cylindre interne 10 un fil isolé électriquement et supraconducteur. Le cylindre externe 4 est constitué d'une virole mince souple axialement et pouvant se déformer éventuellement sous l'action des contraintes mécaniques provoquées par le serrage des flasques 16 et 18 comportant des joints d'étanchéité. Des barres de maintien 30 et 32 fixent solidement les deux flasques 16 et 18 contre la bobine supraconductrice 28. La paroi du cylindre externe 6 de la chambre 2 est partiellement creuse formant ainsi un réservoir 34 pouvant contenir un fluide cryogénique. Ce fluide est introduit dans le réservoir 34 par un tube 36 soudé à la paroi du cylindre 6. Des tirants axiaux et radiaux permettent de maintenir en place la bobine malgré les efforts engendrés par une dissymétrie existant entre ladite bobine et le blindage magnétique extérieur. Les tirants axiaux 38 (au nJIbre de trois) parallèles aux axes des cylindres maintiennent rigidement les positions relatives des flasques des différentes chambres.Les tirants radiaux 40, au nombre de six, perpendiculaires aux axes des cylindres assurent, d'une part, la rigidité mécanique du cryostat et permettent, d'autre part, de centrer les différentes chambres afin que les cylindres internes et externes aient respectivement le même axe ce qui permet d'aligner avec précision le champ magnétique çreé par la bobine avec l'axe desdits cylindres internes. Les cylindres externes 4 et 8 sont percés de deux orifices respectivement 42 et 44. Ces orifices sont situés du coté de la paroi des cylindres extérieurs le plus éloigné de l'axe des cylindres internes. L'orifice 42 permet l'introduction d'un fluide cryogénique, généralement un gaz liquéfié, à l'intérieur de la chambre 1. La bobine supraconductrice 28 baigne ainsi dans ee fluide. La bobine supraconductrice 28 étant excentrée par rapport à l'ensemble du cryostat, or encore les axes des cylindres externes et internes étant éloignés d'une distance a, l'espace libre situé entre la bobine supraconductrice 28 et l'orifice 42 est beaucoup plus grand que si la bobine occupait une position centrale à l'intérieur du cryostat. La réserve de fluide cryogénique est alors beaucoup plus importante que dans les dispositifs à bobine centrée, et permet une surveillance moins stricte du niveau de fluide cryogénique. L'orifice 44 est branché directement sur une pompe à vide secondaire ce qui permet de créer un vide poussé entre les différentes chambres. Ce vide assure un bon isolement calorifique des différentes chambres entre elles, dimilualt ainsi les pue tes calorifiques et la consommation en fluide cryogénique. Une enveloppe 46servant de blindage de protection du milieu extérieur contre le champ magnétique crée par la bobine 28, entoure le cryostat tout en laissant un passage pour les orifices arrivée en fluide réfrigérant et de pompage ainsi qutun passage pour le canal constitué par le cylindre interne 14. Ce canal accueille les échantillons que llon désire soumettre au champ magnétique ereé par la bobine. Les fluides cryogéniques introduits dans la chambre 1 et dans le réservoir 34 sont de façon avantageuse respectivement de lthélium et de l'azote liquides. La température des parois de la chambre 3 est très voisine de la température ambiante du milieu extérieur. Sur la fig. 2 qui représente partiellement une coupe suivant la flèche A du dispositif de la fig. 1, l excentricité de la bobine supraconductrice et des cylindres internes par rapport aux cylindres externes apparat très nex2cnent. La forme ae la chambre 1 et l'espace réservé au fluide cryogénique, notamment espace situé entre la bobine et l'orifice 42 apparaissent très nettement. Le fil supraconducteur utilisé pour la réalisation de la bobine est en an alliage de niobium-titane. Son diamètre et sa longueur sont respectivement d 1,9 nm et 2120 m. Le diamètre de la bobine supraconductrice est de 90 mm et sa longueur de 150 mm. Le champ magnétique obtenu est de 7,1S Tesla avec un courant électrique de 324 Ampères. L'enveloppe de protection contre le champ magnétique a une épaisseur de 60 mm ; elle est réalisée en fer doux. Les diamètres rjes cylindres 10 et 14 sont respectivement de 88 et 60 mm. La distance a entre les axes des cylindres internes et externes est de 40 mn. Les diamètres des cylindres externes 4 et 8 sont respectivement de 390 mm et 530 mm.Les orifices 42 et 44 ont respectivement des diamètres de 60 et 132 mm. Les différentes pièces du cryostat sont réalisées en acier inoxydable à faible teneur en carbone, à l'exception des pièces 6 et 20 qui sont en cuivre. Les consommations en fluide cryogénique du mode de réalisation décrit sont de 4 l/h d hélium liquide et de 3 1/h d'azote liquide. Le très con isolement ealorifique des chambres 1, 2 et 3 permet d'étudier des échantillons placés à l'intérieur du cylindre 14 dans une zone de températul comprises entre -60 C et +80 C. L'invention peut être par exemple utilisée pour l'étude d'effets magnéto-optiques d'échantillons. C'est ainsi que le cryostat mentionné dans la demande de brevet français n 69 39267 déposée le 14 Novembre 1969 au nom du Commissariat à leEnergie Atomique et ayant pour titre '1Appareil de mesure d'effets magnéto-optiques", peut être avantageusement conforme à la presente invention. Il va sans dire que la présente invention ne se imite pas au seul mode de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et que la portée du présent brevet s'étend à tout ou partie de telles dispositions, restant dans le cadre des équivalences, ainsi qu'à toutes applications de telles dispositions. REVENDICATIONS 1 ) Cryostat pour bobine supraconductrice a chaap magnétique d'interne sité élevée, caractérisé en ce qu'il comporte : - trois chambres délimitées chacune par deux cylindres creux de meule longueur et a section circulaire, l'un externe entourant l'autre interne, et cieux flas- ques , les axes des cylindres internes et externes desdites chambres étant, d'une part, respectivement confondus entre eux et, d'autre part, parallèles, a première chambre renfermant ladite bobine supraconductrice bobinée sur son cylindre interne et excentrée par rapport auxdits cylindres externes et pouvant recevoir un premier fluide cryogénique, la paroi du cylindre externe de la deu xièle chambre étant creuse ce qui forme un réservoir pouvant recevoir un deu fière fluide cryogénique et les parois du cylindre externe étant punies chacune d'un orifice du côté le plus éloigné de l'axe desdits cylindres @nternes ce qui permet l'introduction desdits fluides cryogéniques et de créer un vide antre lesdites chambres et - deux types de tirants maintenant lesdites chambres les unes par rapport aux autres, l'un constitué de tirants axiaux parallèles auxdits axes desdits eylioP dres et supportant les contraintes mécaniques sur lesdits flasques dues au champ magnétique créé par ladite bobine et l'autre constitué de tirants radiaux per- diculaires auxdits axes desdits cylindres et permettant de centrer lesdites chambres les unes par rapport aux autres. 20) Cryostat suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il co- porte une enveloppe de protection du milieu extérieur contre ledit champ magne tique, ladite enveloppe entourant les deux flasques et le cylindre externe de la troisième chambre sauf à l'endroit percé desdits orifices. 30) Cryostat suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit cylindre externe de ladite première chambre est constitué d'une viroie mince souple axialement pouvant se déformer sous l'action des contraintes mécaniques. 40) Cryostat suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier fluide cryogénique est de l'hélium liquide et ledit deuxième fluide cryogénique de l'azote liquide. 5. Cryostat suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit vide est un vide secondaire.