Brevet FR2530112A1 — publié le 19840113

Appareil et procédé de blindage magnétique à supra- conduction La présente invention se rapporte aux dispositifs de blindage magnétique destinés à établir des régions de champ magnétique ultra-faibles au-dessous de 10 -T. La demande pour des régions de ce genre est tou- Jours croissante Un exemple important est le développe- ment de calculateurs comportant une mémoire supraconduc- trice, dans laquelle des informations sont mémorisées sous forme de bits représentés par la présence ou l'absence de très minces faisceaux localisés de champ magnétique, chaque faisceau supportant un quantum de flux magnétique O J= 2,07 x 1015 Wb Une telle mémoire doit être refroidie lentement Jusqu'à sa température de transition de supraconduction dans un champ magnétique très faible Sinon, la mémoire pourrait retenir un certain nombre de quanta indésirables de flux magnétique, pauvant entraîner des erreurs de cal- cul Une mémoire de surface de 10 x 10 cm pourrait retenir environ 500 quanta indésirables de flux lorsqu'elle est refroidie dans un champ de 10 10 T mais aucun dans unchamp inférieur à 10 13 Des blindages courants en mu-métal permettent d'obtenir des champs magnétiques aussi faibles que 10 1 T, avec une dérive de l'ordre de 1011 T/min, mais il semble que ce soit la limite inférieure de ce type de blindage. D'autres techniques de blindage ont été utilisées,consis- tant à encastrer une série de blindages en mumétal à paroi mince Mais ces techniques sont limitées par les limita- tions physiques de la matière utilisée et n'apportent qu' une diminution supplémentaire modeste des niveaux de champ magnétique D'autres dispositions pour obtenir des régions de faible champ magnétique comprennent des réseaux de bo- bines de Helmholtz, avec ou sans circuit de réaction, cré- ant des champs magnétiques contrôlés pour annuler des champs magnétiques détectés indésirables Ces dispositions ne se sont pas avérées efficaces pour maintenir des régions de champ magnétique ultra faibles. 2 2530112 Un type radicalement différent de blindage magné- tique a été rendu possible par la découverte de la supra- conduction En raison de la résistance réellemant nulle en courant continu d'un supraconducteur, le champ magné- tique à l'intérieur d'un blindage supraconducteur reste constant sous l'effet d'un champ extérieur variables car les courants de protection induits dans le supraconduc- teur ne s'évanouissent pas Depuis la découverte de la supraconduction, plusieurs tentatives ont été faites pour produire des champs magnétiques ultrafaibles dans des récipients à blindage supraconducteur Mais avec la technologie actuelle, il n'a pas été possible de réduire commodément les champs magnétiques ambiants produits naturellement à des valeurs faibles dans des volumes uti- les pratiques. Parmi les diverses configurations des récipients à blindage, les cylindres conviennent particulièrement par ils permettent un accès à une région exempte de champ depuis plusieurs directions Bien qu'il soit connu qu'un cylindre infiniment long soit capable de réduire un champ magnétique appliqué, un cylindre pratique ne peut avoir une longueur infinie Il en résulte que les blindages cylindriques pratiques font appara tre une composante de champ magnétique appliqué qui pénètre par les extrémités ouvertes du cylindres décroissant de façon exponentielle avec la distance des extrémités Il faut donc s'attendre à ce que les champs magnétiques intérieurs les plus fai- bles se trouvent au centre d'un cylindre pratique Mais il a été découvert que les champs magnétiques ultra- faibles prévus par la théorie n'ont pas pu être obtenus même au centre de cylindres de ce genre, en raison des quanta de flux qui sont retenus ou mdntenus dans la pa- roi du cylindre près de son centre quand le supraconduc- teur est refroidi à sa température de transition de supra- conduction. Un objet de l'invention est donc de proposr un appareil et un procédé pour éliminer absoluement les quanta de flux magnétique de bas niveau qui sont retenus dans des blindages magnétiques cylindriques supraoonduc- teurs. Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif pour éviter la nucleation de nouveaux quanta de flux magnétique de l'extrémité du cylindre et pour éviter en outre la migration ultérieure vers l'intérieur des quanta de flux à partir des extrémités du cylindre vers la région centrale du cylindre. Un autre objet:encore de l'invention est de pro- poser des réservoirs pour des quanta de flux dirigés vers l'extérieur (vortex) et des quanta de flux dirigés vers l'intérieur (antivortex) dans un écran magnétique supra- conducteur, de manière que les réservoirs permettent d'obtenir un état final du blindage magnétique dans lequel aucun quantum de flux magnétique longitudinal ne passe par le volume intérieur vers la région centrale de l'enve- loppe cylindrique supraconductrice. Selon l'invention, cesrésultats ainsi que d' autres sont obtenus grâce à un écran magnétique comprenant une nouvelle enveloppe cylindrique supraconduotrice, com- prenant une région centrale allongée de faible accrochage magnétique, disposée entre des régions d'extrémité d'accro- chage magnétique élevé Des régions de transition situées entre la région centrale et les régions d'extrémité du cy- lindre forment des réservoirs pour des vortex et anti- vortex magnétiques Un cylindre métallique normal ou isolant, concentrique et de mime longueur que l'enveloppe supraconductrice sert de structure de support mécanique pour l'enveloppe supraconductrice Un courant électrique est appliqué aux régions d'extrémité de l'enveloppe supra- conductrice L'intensité du courant est choisie pour dé- passer le courant critique de décrochage de la région centrale de l'enveloppe, afin que les quanta de flux magnétique précédemment -retenus dans la région centrale soient entra nés en un mouvement suivant des tra Jets pres- que circulaires suivant le périmètre de l'enveloppe cy- lindrique Ces trajets circulaires comprennent des trajets de vortex et dlantivortex, présents en nombres égaux. Tous les trajets de-vortex et dtantivortex qui se ren- contrent entra nent une;n-ihilation du flux Mais les trajets de vortex et d'antivortex qui ne se rencontrent pas sont soumis à une seconde force magnétomotrice d'un champ magnétique longitudinal d'un enroulement extérieur coaxial qui est espacé de l'enveloppe supraconductrice en l'entourant En raison de l'effet Meissner, des cou- rants dirigés circonférentiellement sont induits dans l'enveloppe supraconductrico, le courant induit étant supérieur au courant critique de décrochage de la région centrale de l'enveloppe supraconductrice Il en résulte que les vortex retenus dans l'enveloppe supraconductrice sont déplacés vers une région de transition et les anti- vortex dans l'enveloppe supraconductrice sont déplacés vers la région de transition opposée Le champ magnétique de l'enroulement coaxial peut aussi être inversé, de sorte que les vortex et les antivortex retenus dans les régions de transition se déplacent le long de la région centrale de l'enveloppe supraconducttice, vers des régions de tran- sition situées en opposition De cette manière, les vor- tex et les antivortex sont éliminés des parois de l'enve- loppe supraconductrice dans laxrégion centrale et le supra- conducteur est placé dans un état dans lequel aucun quan tum de flux ne passe dans l'espace intérieur vers la ré- gion centrale de l'enveloppe supraconductrice. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion appara tront au cours de la description qui va sui- vre de plusieurs exemples de réalisation et ense référant 3 aux dessins annexées, sur lesquels des éléments identiques sont désignés par des mrmes références: Les Figures 1 à 5 sont chacune une coupe d'un mode différent de réalisation d'un blindage magnétique à supraconduction selon l'invention. La Figure 1 représente donc un ensemble 10 de blindage magnétique généralisé selon l'invention compre- nant un élément support ou cylindre 12 en métal normal, de préférence en aluminium ou conducteur électrique similaire Ce conducteur est suffisamment pur pour que des champs magnétiques remanants produits par des impure- tés magnétiques sont négligeables Une enveloppe cylin- drique supraconductrice 14 entoure le cylindre 12, en contact intime avec lui de manière à former une connexion électrique Dans le cas d'une élévation accidentelle de température et d'une transition accidentelle de l'état supraconducteur à l'état normal de l'enveloppe supracon- ductrice 14 pendant qu'elle conduit un courant intense, le cylindre 12 protège électriquement l'enveloppe supra- conductrice 14 en établissant un circuit de dérivation ou un autre circuit de courant parallèle jusqu'à ce que le courant soit interrompu Le cylindre 12 pourrait aussi Stre réalisé en une matière isolante, comme en quartz fondu, mais cette matière isolante n'assurerait pas la protection électrique automatiqu M de l'enveloppe supra- c'cductrice 14 Dans un tel dispositif, un équipement électronique supplémentaire est nécessaire pour détecter rap Ldement toute transition accidentelle de l'état supra- conducteur à l'état normal dans une enveloppe 14 supra- conductrice conduisant un courant et pour interrompre ra- pidement le courant afin d'éviter une fusion de l'enve- loppe 14 Comme le montre la Figure 1, l'enveloppe 14 est une approximation pratique d'un long cylindre ayant un rayon intérieur R qui est beaucoup plus petit que sa lon- gueur totale L 1 Sur la Fig 1, les dimensions et parti- culièrement l'épaisseur des parois de l'enveloppe dans la direction radiale sont exagérées pour une raison de clar - té L'enveloppe 14 comporte une région centrale 16 et des régions d'extrémité 18, 20 Des régions de transition 22, 24 se situent entre la région centrale 16 et les régions d'extrémité 18, 20 La région centrale 16 est faite d'une matière supraconductrice ayant une valeur relativement faible de courant critique de décrochage tandis que les régions d'extrémité 18, 20 sont faites de matières supra- 6 2530112. conductrices ayant des valeurs relativement élevées de courant critique de décrochage Lesrégions de transition 22, 24 sont des supraconducteurs dont le courant critique de décrochage varie de façon monotone d'une extrémité à l'autre, les extrémités de ces régions de transition voi- sines de la région centrale 16 ayant une faible valeur de courant critique de décrochage et les extrémités voi- sines des régions d'extrémité 18, 20 ayant une valeur élevée de courant critique de décrochage. Il existe de nombreuses possibilités pour ob- tenir les propriétés voulues de l'enveloppe supraconduc- trice 14 Par exemple, l'enveloppe pourrait ttre faite de niobium et de préférence avoir une épaisseur qui varie selon la longueur du cylindre Cette disposition est re- présentée sur la Fig 2 sur laquelle les mnmes éléments portent les memes références mais avec addition d'un suf- fixe "a" La Figure 2 est une coupe longitudinale par- tielle d'une enveloppe 14 a modifiée L'enveloppe 14 a com- porte une surface intérieure et une surface extérieure respectivement 34 a et 36 a L'épaisseur de l'enveloppe 14 a est choisie à une valeur de 0,5 #m dans la région centrale 7 a et 5 pm dans les régions d'extrémité 18 a, 20 a et elle varie progressivement entre ces valeurs dans les régions de transition 22, 24 Etant donné que la densité de cou- rant critique de décrochage est presque uniforme dans le niobium, le courant critique résultant de décrochage est calculé pour être environ dix fois plus intense dans les régions d'extrémité 18 a, 20 a que dans la région centrale 16 a, et il varie progressivement entre ses valeurs limites dans les régions de transition 22 a, 24 a. La Figure 3 sur laquelle les mêmes lémqtnt". sont désignés par les m 8 mes références mais avec l'addi- tion d'un suffixe "b", est une coupe longitudinale par- tielle d'une variante d'enveloppe supraconductrice 14 b selon l'invention L'enveloppe 14 b comporte une surface intérieure 34 b et une surface extérieure 36 b Une région centrale 16 b de l'enveloppe 14 b est faite de niobium 7 2530112 d'épaisseur uniforme Les régions d'extrémité 18 b, 20 b sont faites de Nb 3 Sn (niobium-étain) avec à peu près la même épaisseur que la région centrale 16 b Les régions de transition modifiées 22 b, 24 b comprennent une couche 25 de niobium et une couche 26 de Nb 3 Sn, l'épaisseur to- tale des couches assemblées 25, 26 restant à peu près constante suivant la longueur de la région de transition mais lépaisseur de Nb 3 Sn changeant progressivement d'une valeur maximale près d'une région d'extrémité vers zéro près de la région centrale tandis que l'épaisseur du nio- bium varie progressivement de sa valeur maximale près de la région centrale jusqu'à zéro près d'une région d'extré- mité Etant donné que la densité du courant critique de décrochage de Nb 3 Sn est environ dix fois plus grande que celle du niobium, cette disposition apporte le profil voulu du courant critique de décrochage. Un procédé de réalisation de cette disposition consiste à traiter une enveloppe cylindrique de cuivre comportant des régions de concentration variable en étain avec la plus haute concentration aux régions d'extrémité et une région décroissante dans les régions d'extrémité avec pratiquement pas d'étain dans la région centrale. Une couche de niobium d'épaisseur uniforme par exemple 0,5 jam est déposée sur l'enveloppe cylindrique de cuivre. L'ensemble ensuite est chauffé à une température d'environ 7500 C de manière que des atomes d'étain diffusent dans la couche de niobium, le convertissant entièrement en Nb Sn dans les régions d'extrémité 18 b, 20 b Un processus simi- laire se déroule également dans les régions de transition 22 b, 24 b 1 à l'exception près qu'une fraction seulement du niobium est convertie en Nb 3 Sn, cette fraction diminuant progressivement d'une valeur relativement élevée près des régions d'extréihité jusqu'à zéro dans la région centrale. Pour chaque centimètre de longueur de la cir- conférence autour de l'enveloppe cylindrique décrite ci- dessus, les courants critiques de décrochage à une tempé- rature de 4,20 K sont par exemple 102 Ampères pour la région 8 2530112 centrale et 103 Ampères pour les régions d'extrémité, les régions de transition changeant de façon monotone d'une extrémité à l'autre de 102 à 103 Ampères. Pour obtenir l'état final voulu du blindage magnétique (dans lequel aucun quantum de flux ne pénè- tre dans l'intérieur ou les parois de la région cen- trale), le flux magnétique initialement retenu dans les parois de l'enveloppe supraconductrice pendant le refroidissement par la température de transition de supraconduction doit être sous la forme de quanta de flux uniquement quantifiés 00 de valeur de 2,07 x 1015 Wb Cette condition impose queparmi les nom- breuses matières supraconductrices connues qui peuvent être choisies pour la fabrication d'un-blindage selon l'invention, il faut choisir soit un supraconducteur du type II dans lequel le flux magnétique est toujours sousla' forme de quanta, de flux uniquement quantifiés ou un supraconducteur du type I d'une épaisseur infé- rieure à l'épaisseur critique Le flux magnétique pénè- tre dans un supraconducteur dutype I épais sous la forme de grands domaines à quantification mu Itiple Mais si le supraconducteur est plus mince que la caractéristique critique d'épaisseur de la matière, le flux magnétique pénètre dans le supraconducteur sous la forme de quanta de flux uniquement quantififés. Les dispositions ci-dessus conduisent à une enveloppe cylindrique supraconductrice comportant une région centrale dans laquelleleflux retenu peut être facilement éliminé tout en évitant la nucléation de nou- veaux quanta de flux magnétique aux extrémités du cy- lindire ainsi que toute migration vers l'intérieur de quanta de flux provenant des extrémités du cylindre vers la région centrale En outre, un réservoir de vor- tex et d'antivortex est formé par les régions de transi- tion qui sont situées entre la région centrale à faible accrochage et les régions d'extrémité de l'enveloppe à accrochage élevé. Les Figures 4 et 5 illustrent d'autres réalisa- tions d'un ensemble de blindage magnétique selon l'in- vention, sur lesquelles les mêmes éléments portent les mêmes références mais avec l'addition respectivement de suffixe "c" et "d" L'ensemble de blindage magnéti- que l Oc représenté surla Fig 4 est un ensemble compact ayant environ la moitié de la longueur de celui de la Figure 1 Les dimensions radiales de la Figure 4 sont exagérées pour clarifier Dans ce mode de réalisation, l'enveloppe supraconductrice 14 c, le cylindre 12 c et le bobinage 28 c sont resserréesàuneextrémité Dans cette disposition, l'accès au volume utile de faible champ désigné par la référence 52 est donné par l'extrémité large 54 du cylindre 12 c Etant donné que les champs magnétiques ambiants sont plus rapidement atténués dans la partie resserrée de l'ensemble de blindage, cette par- tie resserrée 56 du blindage 10 e peut être beaucoup plus courte que la partie large ce qui réduit la longueur to- tale du blindage Des précautions doivent être prises pour que l'épaisseur de la région centrale 16 c de l'enve- loppe 14 c varie en-raison inverse de son rayon intérieur de manière que pour un courant longitudinal donné dans la partie centrale 16 c, la densité du courant reste constante. En outre, la région centrale 16 c doit être formée pour que son rayon et son épaisseur varient régulièrement suivant la longueur du cylindre Sinon, un accrochage accru de quanta de flux se produit dans des points o le rayon ou l'épaisseur présente des discontinuités Enoutre, le bob;- nage 28 c doit être réalisé pour développer parallèlement à l'enveloppe supraconductrice 14 c un champ magnétique proportionnel à l'épaisseur locale de l'enveloppe 14 c afin que la densité de courant en azimut réduite pendant la phase de manipulation du champ du bobinage soit constante suivant la longueur de l'enveloppe 14 c, la Figure 5 représente un autre ensemble 10 d de blindage magnétique comprenant une enveloppe supra- conductrice 14 d, un cylindre 12 d et un bobinage coaxial 28 d Sur la Figure 5, lesdimensions radiales sont exa- grées pour plus de clarté Avant qu'un courant ne soit appliqué au bobinage 28 d, l'enveloppe cylindrique supra- conductrice 14 d est agencée pour avoir des propriétés uniformes d'accrochage magnétique, c'est-à-dire un courant critique uniforme d'accrochage sur toute la longueur Dans cette disposition, le bobinage 28 d a une longueur L 21 et un rayon intérieur R 21 L'enveloppe 14 d a une longueur L 42 nettement supérieure à la longueur L 21 du bobinage 28 d Des parties 64, 66 de l'enveloppe d se prolongent au-delà du bobinage 28 d Si l'enve- loppe 14 d est soumise sinultanément àun courant longi- tudinal et au champ magnétique du bobinage 28 d, la den- sité nette du courant induit est la plus grande dans la partie centrale 16 d de l'enveloppe 14 d La longueur de la partie centrale 16 d est L 21 correspondant à celle du bobinage 28 d Le courant net induit est moindre dans les parties voisines 22 d, 24 d de l'enveloppe 14 det en- core plus faible dans ses parties d'extrémités 18 d, 20 d car le champ magnétique produit par le bobinage 28 d est plus faible aux extrémités 64, 66 de l'enveloppe comme l'indiquent les lignes de force magnétique 70 en pointil- lés sur la Fig 5 Des vortex et antivortex sont donc plus facilement décrochés dans la part ie centrale 16 d de l'enveloppe 14 d, moins facilement dans les régions de transition 22 d, 24 d et moins facilement encore dans les régions d'extrémité 18 d, 20 d. La disposition de la Fig 5 pourrait fonctionner de manière très similaire à celle de la Fig 1, avec quel- ques différences La phase de refroidissement est essen- tiellement la même que ci-dessus et deux bobines mention- nées ci-dessus sont très probablement nécessaires Mais pendant la phase d'anihilation de réduction de courant, il le champ du bobinage devrait être produit Sinon, le courant critique de décrochage serait simultanément atteint sur toute la longueur du cylindre supraconduc- teur 14 d et le réservoir précité de vortex et antivortex dans les régions de transition 22 d, 24 d pourrait être détruit par anihilation Mais si le champ du bobinage est produit, la somme vectorielle de la densité du cou- rant induit produit par le bobinage et de la densité du courant longitudinal appliqué pourrait dépasser la valeur critique de décrochage dans la région centrale mais non dans les régions de transition et d'extrémité Dans ce mode de fonctionnement, les vortex et antivortex devraient se déplacer le long de trajets hélicoïdaux, les vortex se déplaçant dans un sens et les antivortex dans le sens opposé L'anihilation pourrait se produire comme précé- demment afin que tous les vortex et antivortéx pouissent être éliminés de la région centrale 16 d de l'enveloppe l 4 d La phase de manipulation du champ du bobinage pour- rait se faire comme décrit en regard de la Figure 1 mais l'utilisation simultanée du courant longitudinal et du champ du bobinage pourrait plus facilement induire un mou- vement des vortex et antivortex. L'avantage de la disposition de la Figure 5 est la facilité relative de réaliser le blindage supra- conducteur car ce blindage consiste en une couche uni- forme d'un supraconducteur sur un cylindre métallique nor- mal L'épaisseur (d) de l'enveloppe 14 d devrait encore être inférieure à d donnée par l'équation ( 1) et supé- rieure à l'épaisseur minimale requise pour obtenir l'effet de blindage selon l'équation ( 3) L'inconvénient est qu'il faudrait prendre beaucoup plus de précautions pour le ré- glage à des faibles valeurs de H Il h et H Il b ainsi que pour régler le courant appliqué et le champ magnétique pendant la phase d'anihilation induite par courant et la phase de manipulation de champ du bobinage. Les dispositions de blindage magnétique décrites ci-dessus utilisent des cylindres circulaires droits. Mais selon l'invention d'autres formes creuses et al- longées pourraient être utilisées et sont considérées comme couvertes par l'utilisation générique du terme "cylindre" Par exemple, la forme creuse et allongée, ou cylindre, du blindage magnétique pourrait avoir une section elliptique Mais dans cette disposition, les champs magnétiques du bobinage devraient être agencés pour correspondre à la géométrie dissymétrique du cy- lindre elliptique. Après la description de l'enveloppe supracon- ductrice selon l'invention, un procédé de réduction du champ magnétique dans l'enveloppe sera maintenant dé- crit. L'enveloppe cylindrique supraconductrice Il est refroidie par sa température de transition de supra- conduction en présence d'un champ magnétique ambiant dont la source principale est le champ magnétique ter- -4 restre dont la valeur est de l'ordre de 10 T Mais il peut être commode d'utiliser des enveloppes supraconduc- trices conjointement avec un blindagede mu-métal courant, auquel cas l'amplitude du champ magnétique t est de l'or- dre de 1 07 T Les valeurs des composantes du champ mag- nétique H, parallèle et perpendiculaire à l'axe longi- tudinal de l'enveloppe supraconductrice sont désignées respectivement par H {i et H J Après le -refroidisse- ment, le champ magnétique it est retenu sous la forme d'une distribution de vortex et antivortex dans la paroi de l'enveloppe supraconductrice, ainsi qu'un certain nom- bre de quanta de flux mag"étique longitudinal portant chacun un flux magnétique ( = 2,07 x lo 15 Wb pé- nétrant à l'intérieur de la région centrale de l'envelop- pe cylindrique Pendant le refroidissement, les valeurs de H I} en moyenne au-dessus et au-dessous de la région centrale 16 (H Il h et H Il respectivement) doivent être très inférieures aux valeurs correspondantes de HI (Hj et HI respectivement> En particulier, les rapports H lh H L h et H Il b/H b doivent répondre à l'inégalité H I /Hi L du champ du bobinage (qui sera décrite par la suite). Une valeur courante de f est 0,1 Le symbole Lt désigne la longueur d'une région de transition et R désigne le * rayon intérieur de l'enveloppe supraconductrice L'inéga- lité ( 2) ci-dessus garantit que, aprës la phase d'ani- hilation induite par courant, il existe un réservoir suffisamment grand de vortex et antivortex facilement mobilesdans les régions de transition pour annuler les quanta de flux magnétique longitudinal retenus pendant la phase de manipulation de champ du bobinage. h b Pour que H Ilh et H Ilb soient suffisamment pe- tits et que l'inégalité ( 2) soit satisfaite, deux bo- bines de champ coaxiales (non représentées) sont dis- posées pour entourer le haut et le bas de la région cen- trale de l'enveloppe 14 Pour en revenir à la Figure 1, des conducteurs electriques symétriques (non représen- tés sur la Figure) sont connectés aux deux extrémités de l'enveloppe supraconductrice 14 et un courant élec- trique continu est appliqué à l'enveloppe de manière à circuler suivant sa direction longitudinale L'intensité du courant appliqué est suffisamment grande pour que le courant électrique dans la région centrale 16 de faible accrochage soit légèrement supérieure au courant criti- que de décrochage Par contre, ce courant ne doit pas dépasser le courant de décrochage critique des régions d'extrémité ou d'une partie appréciable des régions de transition Tous les quanta de flux magnétique retenus dans la région centrale 16 sont entraînés dans un mouve- ment circonférentiel autour de la région centale 16 del'enveloppe 14 à des vitesses qui dépassent généra- lement 1 cm/s Les quanta de flux libéré se déplacent suivant des trajets presque circulaires autour dupéri- mètre de la région 16, les vortex dans un sens et les antivortex dans lesens opposé Pendant ces phases, presquetous les vortex sont anihilés avec les antivor- tex (qui sont présents en nombres égaux) en laissant ainsi la région centrale 16 de l'enveloppe 14 pratique- ment exempte de quanta retenus de flux magnétique. Le courant est interrompu après environ 10 secondes. Il importe de noter que pendant cette phase, le champ magnétique propre produit à la surface exté- rieure de la région centrale 16 de l'enveloppe supra- conductrice est toujours maintenu inférieur au champ critique inférieur Hcl du supraconducteur (si l'envelop- pe 14 est un supraconducteur du type II) ou auchamp critique Hc thermodynamique de masse (si l'enveloppe 14 est un supraconducteur du type I) Sinon, de nouveaux quanta de flux magnétique peuvent former des noyaux à la surface de l'enveloppe 14 et pénétrer à l'intérieur de l'ensemble 10 de blindage magnétique Par exemple, le champ propre à la surface produit par un courant d'une intensitémoyenne de 2 x 106 Ampères/cm 2 dans une région centrale d'une épaisseur de 0,5 jm (cequi cor- respond à 10 Ampères par cm de périmètre de la région 16) est,26 x 10-2 T ce qui est inférieur au dixième de la valeur du champ critique inférieur H Cl = 1,4 x * 101 T du niobium pur (un supraconducteur de type IX) à une température de 4,20 K. Cette limitation du champ magnétique pendant la phase d'anihilation induite par courant se retrouve également dans la réalisation de l'enveloppe 14. L'épaisseur de l'enveloppe 14 doit être limitée de ma- nière qu'à la fois le champ magnétique propre produit à la surface extérieure de l'enveloppe supraconductrice 1.4 pendantla phase d'anihilation produite par courant et le champ magnétique appliqué à cette surface pendant la phase de manipulation du champ du bobinage (qui sera décrite par la suite) soit toujours inférieur au champ critique inférieur H l d'un supraconducteur de type II ou au champ critique thermodynamique de masse Hc d'un supraconducteur de type I L'épaisseur maximale permettant un bon fonctionnement du blindage est: dax 8,0 lm (H Max/Jc) ( o Hmx est le champ le plus intense permis à la surface Max (Hcl ou Hc) exprimé en unités de 1 x 10-1 T et J est la c c' c densité de courant pour libérer les vortex ou antivortex les plus rigidement accrochés, exprimée en unités de 2. Ampères/cm 2 Par exemple, pour du niobium pur à une température de 4,2 E, Hl_ 1,4 x 10 T et la den- sité de courant critique de décrochage doit être infé- rieure à 2 x 106 Ampères/cm 2 Ainsi, H x 1 I,4 et J max 2 et d'après l'équation ( 1) d mx= 5,6 pm dans cet exem- ple Si l'équation ( 1) doit être satisfaite, il est es- sentiel qu'il n'y ait aucun petit trou ou autre défaut similaire dans la région supraconductrice centrale 16. Des défauts de ce genre Pigmenteraient considérablement le courant critique de décrochage pour les vortex et antivortex retenus dans les défauts. A la fin de la phase d'anihilation induite par courant, il est possible qu 'il reste quelques trajets de vortex et antivortex qui ne se coupent pas et qui ne sont donc pas anhililé Une autre réduction du champ magnétique subistant dans la région centrale 16 est obtenue en utilisant un enroulement coaxial 28 qui entoure l'enveloppe supraconductrice 14 La longueur de l'enroulement 28 n'est pas critique mais elle doit être légèrement supérieure à celle de la région centrale 16 afin déviter les effets de bord, c'est-à-dire une distribution non uniforme des lignes de force magnéti- ques dans cette région A ce moment, l'enroulement co- 16 2530112 axial 28 est alimenté produisant un champ magnétique dans la direction longitudinale extérieur et parallèle à l'enveloppe cylindrique 14 Il résulte de l'effet Meissner des courants dirigés circonférentiellement (en azimut) induits dans l'enveloppe cylindrique supra- conductrice 14 Le champ magnétique appliqué à la ré- gion 16 est maintenu constant et uniforme de sorteque les courants induits dans cette région sont uniformes. Les Ampères-tours de l'enroulement sont choisis de ma- nière que le courant induit dans l'enveloppe supracon- ductrice 14 soit légèrement supérieur au courant cri- tique de décrochage dans la région centrale 16 de fai- ble accrochage Par contre, le courant induit ne doit pas dépasser le courant critique de décrochage dans les régions d'extrémité ou dans une partie appréciable des régions detansition Bien que n'ayant presque aucun effet sur les vortex et antivortex retenus dans les ré- gions d'extrémité et les régions de transition, le champ magnétique dans la direction longitudinale fait que les vortex et antivortex-subsistant dans la région centrale de faible accrochage se déplacent vers les ex- trémités opposées de cette région Après une durée d'en- viron 60 secondes, le courant de l'enroulement est in- terrompu. Il importe de noter que:pendant cette phase, le champ appliqué par lbnroulement 28 à la surface ex- térieure de la région centrale 16 de l'enveloppe supra- conductrice est toujours maintenu inférieur à Hcl ou Hc Sinon, de nouveaux quanta de flux magnétique peuvent formerdes noyaux à la surface et pénétrer à l'inté- rieur de l'ensemble de blindage magnétique 10 A titre d'exemple, l'application d'un champ de J,26 x 10 T à la surface extérieure d'une région centrale dlune épais- seur de 0,5 im induit une densité moyenne def courant en azimut de 2 x lo 6 Ampères/cm 2 (ou un courant de 102 Amp par cm de longueur du cylindre). Ce champ est inférieur à un dixième de la valeur du champ critique inférieur H 1,4 x 10 T du nio- bium pur à 4,20 K. Dans le but de déterminer la nécessité d'autres itérations de la procédure décrite ci-dessus, l'amplitu- de et la direction du champ magnétique rémanant orienté dans la direction longitudinale de l'enveloppe 14 est contrôlé avec un détecteur de flux magnétique qui est sensible jusqu'au niveau d'un seul quantum de flux O = 2,07 x 10 5 Wb Par exemple, un détecteur SQID (dispositif à interférence de quantum semi-conducteur) connecté à une bobine supraconductrice pouvant tourner de 1800 convient pour cette mesure Après une seule ap- plication du champ de l'enroulement, il est probable que le champ magnétique mesuré dépasse un champ minimal théo- rique calculé sur la base de supposition qu'aucun quantum de flux longitudinal n'est retenu dans la région centrale 16 Etant donné que la combinaison de la phase d'anihila- tion induite par courant et de la première application du champ de l'enroulement élimine tous les vortex et anti- vortex des parties de paroi de l'enveloppe 14 situées dans la région centrale î 6, le champ magnétique qui sub- siste dansle volume fermé de la région 16 comporte une composante négligeable perpendiculaire à l'axe du cylin- dre Mais la valeur de la composante du flux magnétique dirigée vers le haut le long de l'axe du cylindre est égale au produit de 00 (quantum de flux magnétique) par le nombre net de quanta de flux dirigés vers le haut qui pénètre dans le volume enfermé dans la iégion centrale 16 Le nombre des quanta de flux pénétrant dans ce volume peut maintenant être réduit à zéro en déplaçant un nombre approprié de vortex et antivortex en dehors d'une région de transition à une extrémité de la région centrale 16, vers la région de transition à l'extrémité opposée de la région centrale Le nombre net des quanta de flux pénétrant le volume enfermé dans l a région cen- trale 16 et s'étendant dans la direction de la flèche augmente d'une unité chaque fois qu'un seul vortex se déplace par la région de transition 24 vers la ré- gion de transition 22 ou lorsqu'un seul antivortex se déplace de la région de transition 22 vers la région de transition 34 Ces mouvements des vortex et antivortex peuvent être provoqués par l'application d'un champ lon- gitudinal d'un enroulement (dans la direction indiquée par la flèche 30 sur la Figure 1),d'une amplitude telle que le courant d'azimut induit dépasse le courant cri- tique de décrochage dans les régions de transistion. D'une façon similaire, le nombre net des quanta de flux pénétrant le volume enfermé dans la région centrale 16 diminue d'une unité chaque fois qu'un seul vortex se dé- place de la région de transition 22 vers la région de transition 24 ou lorsqu'un seul antivol'tex se déplace de la région de transistion 24 vers la région de transition 22 Ces mouvements des vortex ou antivortex peuvent etre provoqués par l'application d'unchamp de bobinage (dans la direction de la flèche 32 de la Figure 1) d'une ampli- tude telle que le courant d'azimut induit dépasse le cou- rant critique de décrochage dans les régions de transi- tion Une itération de la phase de manipulation de champ de bobinage est à nouveau exécutée, l'amplitude et la direction du champ appliqué par le bobinage étant choi- siesde manière que le nombre des vortex et antivortex libérés et le sens de laur mouvement conduisent à une ré- duction du nombre des quanta de flux pénétrant dans le trou A la fin de cette itération, l'amplitude et la di- rection du flux magnétique qui subssiste sont à nouveau mesuréeset la nécessité dlune autre itératidn est déter- minée Ces itérations sont répétées jusqu'à ce que le nombre des quanta de flux longitudinal pénétrant à l'in- térieur de la région 16 soit réduit à zéro. Pour réduire le temps pour les itérations vers l'état voulu de quantum zéro de la région centrale, il peut s'avérer commode de contrôler simultanément le flux magnétique longitudinal pendant que l es valeurs du champ de l'enroulement sont modifiées Il est égale- ment possible d'utiliser un circuit à réaction pour at- teindre automatiquement 1 ' état de quantum zéro pendant la phase de manipulation de champ -d'enroulement En outre, pour induire plus facilement un mouvement des vortex et antivortex, il peut être commode d'appliquer un courant longitudinal pendant les itérations de phase de manipulation de champ de bobinage. Quand le nombre des quanta de flux magnétique longitudinal retenusà l'intérieur de la région centrale 16 a été réduit à zéro, la composante qui subsiste Hill du champ magnétique dirigé le long de l'axe de l'envelop- pe 14 s'approche de la valeur suivante calculée théori- quement d/ H Hal ( 2 /R)e d/ ( 3) o H li est la composante parallèle du champ magnétique a appliqué à l'extérieur de l'enveloppe, ? est la profon- deur de pénétration de champ faible approprié au supra- conducteur utilisé, R est le rayon intérieur de la région centrale et d est l'épaisseur de paroi du supraconducteur dans la région centrale 16 Si un seul blindage de mumétal est utilisé, Ha II est généralement 2 x 10-7 T Par exem- ple, pour un blindage de niobium avec = 500 A, R = 2,5 cm et d = 5000 R, la valeur résultante du champ parallèle intérieur est d'après l'équation ( 3) Hill = 4 x 10 '17 T. Le champ magnétique qui subsiste perpendiculaire à l'axe de l'enveloppe 14 et à l'intérieur de la région centrale 16 peut être estimé d'après l'expression théorique sui- vante: 0,92 Hi 1 1,32 Hai e LJ/R ( 4) o Ha est la composante perpendiculaire du champ magné- a tique appliqué qui est retenu dans les régions d'extrémi- té et une partie des régions de transition 22, 24; L 1 est la longueur de la région centrale 16 et R est le rayon intérieur de la région central 16 Si par exemple Ha J 2530112 est 2 x 10-7 T, L 1 40 cm et R _ 2 t 5 cm, la valeur ré- su.tante du champ perpendiculaire intérieur est, d'après l'équation ( 4) Hil = 1,1 x 10 3 T. Bien que selon la Fig 1, le cylindre 12 soit représenté comme se trouvant à l'intérieur de l'enveloppe supraconductrice 14, il pourrait aussi se trouver à l'ex- térieur de l'enveloppe 14, ou même comporter des cylindres de même longueur emboîtés entre lesquels l'enveloppe 14 est introduite Dans une disposition comme dans l'autre, le cylindre 12 assure le support mécanique pour l'enveloppe supraconductrice 14. 253 O 112 REVENDICATIONS 1 Appareil destiné à former un blindage magné- tique autour d'un volume de travail, caractérisé en ce qu'il comporte un premier cylindre ( 14) de matière supra- conductrice entourant ledit volume de travail, ledit pre- mier cylindre ayant un axe, une circonférence, une partie centrale ( 16) avec des propriétés prédéterminées d'accro- chage magnétique, des parties d'extrémité ( 18, 20) de plus hautes propriétés d'accrochage magnétique et des ré- gions de transition ( 22, 24) intercalées entre ladite par- tie centrale et lesdites parties d'extrémité, lesdites régions de transition ayant une longueur prédéterminée et des propriétés d'accrochage magnétique qui varient ré- gulièrement suivant la longueur desdites régions de tran- sition, un premier circuit de courant destiné à produire des courants dirigés circonférentiellement dans ledit premier cylindre et un second circuit de courant destiné à produire des courants dirigés axialement dans ledit pre- mier cylindre. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier circuit de courant comprend un bobinage électrique ( 28) couplé magnétiquement avec les- dites régions de transition dudit premier cylindre 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second circuit de courant comprend un second cylindre conducteur de l'électricité ( 12) disposé dans ledit premier cylindre, en lui étant connecté élec- triquement. 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie:centrale ( 16) dudit premier cy- lindre ( 14) possède un courant critique prédéterminé de décrochage magnétique, ledit premier circuit de courant produisant un courant qui dépasse ledit courant critique de décrochage magnétique et ledit second circuit de cou- rant produisant un courant qui dépasse ledit courant cri- tique prédéterminé de décrochage magnétique. Appareil selon la revendication 1, caractê- risé en ce qu'il comporte un dispositif pur inverser le sens du courant qui circule dans ledit premier circuit de courant et un dispositif pour inverser le sens du cou- rant qui circule dans ledit second circuit de courant. 6 Procédé pour produire un champ magnétique ultra-faible dans un appareil de blindage supraconducteur qui comprend un premier cylindre ( 14) de matière supra- conductrice ayant un axe, une circonférence, une partie centrale ( 16) de propriétés d'accrochage magnétique pré- déterminées, des parties d'extrémité ( 18, 20) de plus hautespropriétés d'accrochage magnétiqueet des régions de transition ( 22, 24) intercalées entre lesdites parties centrale et d'extrémités, lesdites régions de transi- tion ayant unelongueur prédéterminée et des propriétés prédéterminées d'accrochage magnétique qui varient de façon monotone suivant la longueur desdites régions de transition, procédé caractérisé en ce qu'il consiste es- sentiellement à faire passer un courant dirigé axiale- ment dans ledit premier cylindre ( 14) de façon à libérer et à anihiler mutuellement des vortex et antivortex mag- nétiques retenus dans ladite partie centrale ( 16) dudit premier cylindre, à faire passer des courants dirigés circonférentiellement dans ladite partie centrale( 16) dudit premier cylindre ( 14) de manière à libérer des vor- tex et antivortex magnétiques retenus dans ledit premier cylindre ( 14), et à déplacer lesdits vortex et antivortex libérés dans des directions axiales opposées de manière à entra 5 ner une anihilation mutuelle desdits vortex et i 30 antivortex. 7 Procédé selon la revendication 6, caracté- c risé en ce que ladite opération de passage d'un courant dirigé axialement dans ledit premier cylindre ( 14) cmprend 1 'opération de faire passer un courant électrique dans unsecond cylindre ( 12) conducteur de 1 ' électricité disposé à l'intérieur dudit premier cylindre et de même longueur :23 2530112 que lui afin d'être en connexion électrique avec lui. 8 Procédé selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le passage desdits courants dirigés cir- conférentiellement dans ledit premier cylindre comprend l'opération d'exciter un bobinage coaxial ( 28) qui a à peu près-la même longueur que ledit cylindre qu'i 1 entoure, afin d'y établir un champ magnétique dirigé axialement. 9 Procédé selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il consiste également à modifier ledit premier circuit de courant pour inverser le sens de cir- culation desdits courants dirigés circonférentiellement et à modifier ledit second circuit de courant pour inver- ser le sens de circulation desdits courants dirigés axia- lement dans ledit premier cylindre. lo Procédé selon la revendication 9, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à répéter les opéra- tions d'inversion du sens de circulation des courants dirigés longitudinalement et circonférentiellement afin de libérer des vortex et antivortex dans lesdites régions de transistion dudit cylindre, et de manière à libérer tout autre vortex et antivortex retenu dans ladite ré- gion centrale dudit premier cylindre jusqu'à ce que le nombre des quanta de flux longitudinal pénétrant à l'intérieur du premier cylindre soit réduit à'zéro et que ladite partie centrale dudit premier cylindre soit rendue exempte de vortex et antivortex retenus.