Brevet FR2622357A1 — publié le 19890428

La présente invention concerne un supraconducteur capable de présenter de manière stable sa supraconductivité dans une plage de températures comprises entre la température de l'azote liquide et la température ambiante. La présente invention peut s'appliquer à la large plage de domaines qui suit: (1) application à des supra- conducteurs utilisés pour stocker l'énergie électrique dans l'espace ou dans l'espace souterrain; (2) application à des supraconducteurs qui sont utilisés pour produire, transmettre ou distribuer l'énergie électrique avec un minimum de perte; (3) application à la formation d'un circuit supraconducteur ou d'un élément de jonction de Josephson par irradiation par rayonnement d'un film mince d'un conducteur normal sur un substrat; (4) application à divers autres dispositifs utilisant la supraconductivité. Un équipement électrique et des dispositifs électro- niques conventionnels subissent toujours de grandes pertes d'énergie électrique et autres troubles dûs à la production de chaleur et il a jusqu'à maintenant été très difficile de surmonter ce problème. Dans un procédé conventionnel typique, des supraconducteurs sont simplement produits par frittage d'oxydes. Avec cette méthode,cependant, même un supra- conducteur haute température qui a récemment été développé a une température critique d'environ 90 K ou moins en termes de température absolue et n'est par conséquent toujours pas satisfaisant pour une application pratique. Dans ces circonstances, la présente invention a pour objectif principal un procédé de production d'un supra- conducteur capable de présenter de manière stable sa supraconductivité dans la plage de températures comprises entre celle de l'azote liquide et la température ambiante, en utilisant une irradiation par un rayonnement. A cette fin, la présente invention offre un procédé de production d'un supraconducteur capable de présenter de manière stable sa supraconductivité dans la plage de températures comprises entre celle de l'azote liquide et la température ambiante, consistant à irradier un oxyde d'un composé d'yttrium, de scandium ou de lanthanoide ayant une structure de pérovskite par un rayonnement qui est capable de provoquer un déplacement atomique, comme un faisceau de particules chargées tel qu'un faisceau d'électrons, un faisceau de protons, un faisceau d'ions lourds etc., ou un faisceau de particules non chargées comme un faisceau de neutrons. Le procédé de la présente invention permet la production d'un supraconducteur qui est stable à de hautes températures tandis qu'il était jusqu'à maintenant impossible, avec les matières et techniques conventionnelles, de produire, par frittage, un supraconducteur capable de présenter de manière stable sa supraconductivité à une température absolue d'environ 100 K ou plus. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure i montre la relation (a) entre la résistance électrique et la température concernant un précurseur avant irradiation par un rayonnement et montre également la relation (b et c) entre la résistance électri- que et la température concernant le précurseur après irradiation par une relativement faible dose de rayonnement, la courbe (b) avec une température absolue au bout d'une première semaine d'irradiation d'une dose de neutrons rapides de 3,20 x 10 16/cm2 et la courbe (c) avec une température absolue après la seconde semaine d'irradiation 16 2 d'une dose de neutrons rapides de 5,94 x 10 6/cm2, la résistance électrique de (a) et (b) ainsi que de (c) étant indiquée en ordonnées, la température absolue en abscisses; et - la figure 2 montre la relation (a') entre la résistance électrique et la température concernant un précurseur avant irradiation par un rayonnement et montre également la relation (b' et c') entre la résistance électrique et la température concernant le précurseur après irradiation avec une dose relativement élevée de rayonnement, pour (b') après la première semaine d'irradiation d'une dose de neutrons rapides de 5,47 x lo19cm2 et pour (c') après la seconde semaine d'irradiation d'une dose de neutrons rapides de 1,02 x 101/cm2. La présente invention sera plus particulièrement décrite ci-après. I. Préparation du précurseur 1) Afin de permettre à un oxyde d'un composé d'yttrium (Y-Ba-Cu-0), de scandium (Sc-Ba-Cu-0) ou de lanthanoide (Ln-BaCu-0) d'avoir une structure de pérovskite après calcination, il est de pratique de base de mélanger chacun des oxydes, c'est-à-dire Y203, Sc203 et Ln203, avec des poudres de carbonate de baryum (BaC03) et d'oxyde cuprique (CuO). Plus particulièrement, chacun des trois éléments, c'est-àdire yttrium, scandium et lanthane, qui sont similaires les uns aux autres en termes du rayon ionique et des propriétés chimiques, du baryum et du cuivre sont mélangés à un rapport pondéral atomique de 1:2:3 et le mélange est alors calciné comme suit. 2) Les poudres préparées sont mélangées et pulvérisées dans un broyeur ordinaire de mélange pour former une poudre mélangée homogène ayant un diamètre de particule d'environ I micron ou moins. La poudre mélangée est tempo- rairement calcinée pendant environ 10 heures dans l'atmos- phère à une température comprise entre environ 1100 et 1200 K. La matière temporairement calcinée est rebroyée pour préparer une poudre temporairement calcinée ayant un diamètre de particule d'environ 1 micron ou moins. Ensuite, la poudre temporairement calcinée est calcinée pour obtenir un supraconducteur haute température sous la forme de (1) une poudre, (2) un produit solide au moyen d'une presse, (3) un film mince sur un substrat, (4) une matière supraconductrice introduite dans un tube creux, etc. Les conditions de calcination dépendront de la configuration et des dimensions d'un supraconducteur qui doit être produit. Cependant, en général, la calcination est effectuée pendant environ 25 heures dans l'air entre 1200 et 1400 K à titre d'exemple. II. Traitement par un rayonnement Afin de permettre à la matière calcinée ci-dessus décrite d'avoir une structure qui doit présenter des caractéristiques supraconductrices, c'est-à-dire une phase supraconductrice, la matière calcinée est maintenue dans une atmosphère d'hélium gazeux dans la plage de températures comprises entre la température ambiante et environ 600 K et, dans cet état, elle est irradiée d'un rayonnement. Une dose appropriée du rayonnement est comprise entre 1010 et 1021/cm2 dans le cas d'un faisceau de particules chargées et entre 1015 et 1018/cm2 dans le cas d'un faisceau de particules non chargées. Si la dose dépasse les limites supérieures de ces plages, la phase supraconductrice est détruite. Les expériences qui suivent ont été entreprises pour confirmer les avantages de la présente invention. Un fil conducteur pour mesurer la résistance élec- trique a été connecté au précurseur, et la résistance électrique du précurseur avant et après irradiation a été continuellement mesurée dans un irradiateur à rayonnement pendant une longue période de temps dans le processus de refroidissement de la température ambiante à 20 K pour examiner la dépendance de la résistance électrique avec la température avant et après l'irradiation et ainsi obtenir les résultats montrés aux figures 1 et 2. Sur ces figures, la température absolue est représentée le long de l'axe des abscisses et la résistance électrique ( 5) est représentée le long de l'axe des ordonnées. Les graphiques montrent les changements de la résistance électrique, avec la température, d'un oxyde composé ayant une structure de pérovskite de lanthanoîde-baryum-cuivreoxygène, comme un exemple de la présente invention, avant et après irradiation par un rayonnement nucléaire (comme un faisceau de neutrons). La figure I montre les résultats de l'irradiation avec une dose relativement faible de rayonnement tandis que la figure 2 montre les résultats de l'irradiation avec une dose de rayonnement plus importante que dans le cas de la figure 1. On comprendra nettement, sur ces figures, que la résistance électrique de la matière change dans le processus de refroidissement comme cela est indiqué par les flèches et que la matière irradiée par un rayonnement est capable de présenter de manière stable sa supraconductivité dans la plage de températures comprises entre la température de l'azote liquide et la température ambiante. Il faut noter que les Tableaux 1 et 2 montrent les conditions d'irradia- tion d'un rayonnement pour le précurseur dans les expériences montrées aux figures 1 et 2 respectivement. Tableau 1 Conditions d'irradiation Conditions lè semaine 2è semaine Total de la d'irradiation dose et de la durée d'irradiation Dose de neutrons 16 1 rapides 3,20 x 106 2,74 x 10 5,94 x 1016 (neutrons/cm) Dose de neutrons 17 17 1 thermiques 3,69 x 10 3,16 x 10 6,85 x 10 (neutrons/cm) Dose du rayon- nement qamma 1,764x 10 1,5. x 10 3,3 x 104 (C/kg) Duré3 d'irra- diation (heures) 76 65 141 Température d'irradiation ( K) 360 360 Atmosphère d'irradiation gaz hélium gaz hélium Neutron rapide (énergie > 0,1 MeV) Tableau 2 Conditions d'irradiation Total de la dose Conditions d'irradiation lè semaine 2è semaine et de la durée d'irradiation Dose de neutrons rapides 5,47 x 1016 4,68 x 1016 1,02 x 1017 ,47 iDO64,8xl 16 i170 ll (neutrons/cm2) Dose de neutrons thermi- ques 5,47 x 107 4,68 x 1017 1,02 x 1018 (neutrons/cm2 Dose de rayonnement 9 8 9 gamma 8,74 x 10 7,48 x 10 1,62 x 10 Durée (heures) Durée d'irradiation (heures) 76 65 141 Température d'irradia- tion (OK) 360 360 Atmosphère gaz helium gaz helium Neutron rapide (énergie > 0,1 MeV) Dans le cas de c' dans la figure 2: température critique (température à laquelle la résistance commence à diminuer) = 310 K; température à laquelle la résistance est zéro = 275 K) R EV E N DI C A T I ON Procédé de production d'un supraconducteur capable de présenter de manière stable une supraconductivité dans la plage de températures comprises entre la température de l'azote liquide et la température ambiante, caractérisé en ce qu'il consiste à irradier un oxyde d'un composé d'ytrium, de scandium ou de lanthanoide ayant une structure de pérovskite par un rayonnement qui est capable de provoquer un déplacement atomique, comme un faisceau de particules chargées, tel qu'un faisceau d'électrons, un faisceau de protons, un faisceau d'ions lourds etc., ou un faisceau de particules non chargées comme un faisceau de neutrons.