Brevet FR2639477A1 — publié le 19900525

La présente invention a pour objet des capteurs magnétiques supraconducteurs à température critique élevée. Elle a plus particulièrement pour objet des capteurs réalisés en céramique supraconductrice du type dérivé des pérovskites déficitaires en oxygène. On considère comme une température critique élevée toute température critique supérieure ou égale à la température d'ébullition de l'azote (77 K). Ces capteurs sont souvent désignés par le sigle anglo-saxon "SQUID" (Superconducting Quantum Interference Device). Les principes de fonctionnement de ces capteurs ainsi que les premiers capteurs réalisés en céramique supraconductrice ont été décrits dans l'article "Caractérisation à 77 K de SQUIDS dc en céramique d'YBaCuO" par D. Robbes, Y. Monfort, J. Lepaisant, M. Lam Chok Sing, C. Gunther, D. Bloyet, ISM/GERSIC, ISMRa, Caen, J. Provost, B. Raveau, CRISMAT ISMRa, Caen Boulevard du Maréchal Juin 14032 Caen Cédex publié au Journées d'Etudes Céramiques supraconductrices à haute température critique. Les capteurs décrits dans l'article ci-dessus et réalisés à partir de céramique supraconductrice YBaCuO présentaient des inconvénients majeurs puisque ils n'étaient pas capables de supporter plusieurs cycles de température sans perdre leur propriété. Un autre inconvénient majeur résidait dans la faible résistance dynamique RD :# V/a I) ce qui nécessitait un appareillage électronique particulièrement délicat et coûteux pour traiter le signal décelé par le capteur. Un autre inconvénient des capteurs selon le document ci-dessus réside dans le fait qu'ils ont un taux de bruit élevé par rapport au signal capté. Ils se placent en particulier dans la zone où le bruit varie en fonction de l'inverse de la fréquence. C'est pourquoi un des buts de la présente invention est de fournir de nouveaux capteurs magnétiques supraconducteurs dans lesquels les inconvénients ci-dessus sont palliés. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de préparation de tels capteurs. Ces buts et d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints au moyen d'un capteur magnétique supraconducteur à haute température critique, constitué par un circuit de supraconducteurs constitué par des grains de céramique supraconductrice reliés entre eux de manière à former au moins une boucle. Pour la clarté de l'exposé, il convient de revenir sur ce qu'est un capteur du type "SQUID dc". Si l'on se réfère à la figure 1, qui décrit le schéma d'un SQUID dc, une boucle supraconductrice refermée sur elle-même est interrompue deux fois en I et 1' par des jonctions Josephson, c'est-à-dire des jonctions permettant le passage du courant par effet tunnel de paires de Cooper. Si l'on soumet en raccordant ce capteur (SQUID dc) à l'application d'un courant continu en 3 et en 4 engendré par le dispositif 5, il est possible lorsque le courant continu est légèrement supérieur à la somme des courants critiques des deux jonctions d'obtenir une tension V qui est à la fois fonction de l'intensité du courant et du champ magnétique traversant la boucle. Ces capteurs présentent la particularité d'être très sensibles et d'être capables de mesurer des champs magnétiques inférieurs aux picoTesla voire au voisinage du femtoTesla. La figure 2 est un graphe explicitant l'allure des courbes V=f(I); la courbe située à la fois le plus en haut et le plus à gauche correspond à une valeur de champ (n+l/2)t~0 alors que la courbe la plus en bas et la plus à droite figure une courbe correspondant aux valeurs de flux g, avec go = h/2e = 2,07.10-15 Wb. Ainsi, en se plaçant dans une zone adéquate des courbes V = f(I) en fixant l'intensité, il est possible de faire varier la différence de potentiel (ou tension) en fonction du champ magnétique. La figure 3 montre l'allure de la fonction V=f(B), B étant le champ magnétique. La distance entre deux maxima ou deux minima de la courbe correspond à la valeur du quantum de flux g, intercepté par la boucle du capteur. Ainsi, les études qui ont mené à la présente invention ont permis de mieux maîtriser les paramètres permettant l'obtention d'un capteur de bonne qualité et d'autre part ont permis de choisir des matériaux supraconducteurs donnant des résultats particulièrement satisfaisants. Ainsi, les boucles supraconductrices formées par un circuit constitué par des grains de céramique reliés entre eux constituent des capteurs de type "SQUID dc" et les diverses jonctions entre les grains remplacent sans difficulté les deux jonctions Josephson bien qu'il puisse y en avoir plusieurs (de deux à quatre unités à deux-quatre dizaines). Avantageusement, les grains constitutifs de la boucle sont reliés entre eux par des joints de grains obtenus par frittage. La plus grande dimension des grains peut varier de 10 (dans la suite de la description, lorsque les valeurs sont terminées par des zéros, ces derniers ne doivent pas être considérés comme chiffres significatifs) à 200, de préférence 100 micromètres. Les grains sont avantageusement de forme aciculaire. Le rapport de forme des grains peut varier avantageusement de I à 10, de préférence de 5 à 10. Rappelons que le rapport de forme correspond au rapport entre la plus grande et la plus petite dimension. Pour obtenir une boucle, ou une combinaison de boucles, formant capteur, on peut utiliser diverses techniques. Selon une première technique, on réalise un barreau de matière céramique supraconductrice par pressage de particules et frittage de ces dernières. Un taux de compacité de 50 à 80 %,de préference de 60 à 70 % donne de bons résultats. On réalise une constriction partielle du volume du barreau, par ablation successive de manière à former une zone de section réduite. En général, on poursuit ces ablations jusqu'à l'obtention d'une intensité critique dans le barreau inférieure à 500 microampères de préférence inférieure ou égale à 100 microampères . C'est cette technique qui est utilisée dans l'exemple ci-après. De préférence, on s'arrange pour que la zone d'étranglement soit sensiblement un parallélépipède dont la surface de la base est comprise entre 1/10 et 1/4 de millimètre carré (valeurs arrondies) l'épaisseur étant avantageusement égale à dix fois la taille moyenne desdites particules (avant frittage). Une autre manière de réaliser un capteur selon la présente invention est de réaliser une couche épaisse sur un support inerte, par exemple en alumine, la couche étant d'épaisseur comprise entre 30 et 70 micromètres, de préférence aux alentours de 50 micromètres (un chiffre significatif). Dans ce cas, il est préférable de prévoir un taux de compacité dans la zone supérieure, c'est-à-dire aux alentours de 80 % (de 2/3 à 0,9%)(valeurs arrondies). La répartition granulométrique des particules initiales doit être choisie en fonction de cette contrainte. Les ablations et la réduction de la couche épaisse se faisant sensiblement de la même façon que pour le barreau. Il est possible de réaliser des ablations et de les poursuivre jusqu'au moment où l'on obtient une seule boucle supraconductrice. On peut déterminer si l'on a une seule boucle ou non en calculant la tranformée de Fourier de la fonction V = f La manière de calculer la surface et l'inductance à partir des données électriques est développée dans l'article spécifié ci-dessus "Caractérisation à 77 K de SQUIDS dc en céramique d'YBaCuO" par D. Robbes, Y. Monfort, J. Lepaisant, M. Lam Chok Sing, C. Gunther, D. Bloyet, ISM/GERSlC, ISMRa, Caen, 3. Provost, B. Raveau, CRISMAT ISMRa, Caen Boulevard du Maréchal Juin 14032 Caen Cédex - publié au Journées d'Etudes Céramiques supraconductrices à haute température critique. Les céramiques supraconductrices sont avantageusement celles dont la résistivité à 300 K est supérieure à 1.10-1 ohm/cm (température supérieure à la température critique). En général, on utilise celles situées dans un domaine dont la valeur supérieure de la résistivité est de l'ordre de 100, en général comprise entre l o 1 et 10 ohms/cm. Les matériaux supraconducteurs du type ci-dessus sont de préférence des céramiques supraconductrices dérivées des structures de pérovskites à déficit en oxygène et contenant du thallium. En particulier, on peut citer les céramiques de formule T12 yBa2Ca2Cu3010 x Avantageusement avec y = 0 (un chiffre significatif) et x compris entre + I et - 1. D'une manière générale, on peut utiliser les céramiques supraconductrices décrites dans les articles suivants "A new member of the thallium superconductive Series, the "1212" oxide TlBa2CaCu2Q8 : Importance of oxygen content" par M. Hervieu, A. Maignan, C. Martin, C.Michel, J. Provost, et B. Raveau, publié dans Journal of Solid State Chemistry 75, 212-215(1988), "Tlba2#xCa2+xCu3O 10-y : un supraconducteur à 120 K, nouveau terme d'une grande famille d'intercroissance de couches multiples types chlorure de sodium et de couches multiples de type pérovskite déficitaires en oxygène" par C. Martin, C. Michel, A. Maignan, M. Hervieu et B. Raveau, publié dans C.R. Acad. Sci. Paris, t.307, Série Il, p.27-32, 1988, "The 125 K superconductor Tl2#xBa2Ca2Cu3 0l0+y : A tentative structural model" par M. Hervieu, C. Michel, A. Maignan, C. Martin et B. Raveau, publié dans Journal of Solid State Chemistry 74, 428-432 (1988). Les capteurs selon la présente invention surtout lorsqu'ils sont réalisés à base de céramique au thallium présentent des propriétés et caractéristiques bien supérieures à celles obtenues pour des cristaux d'YBaCuO comme décrit dans l'article ci-dessus "Caractérisation à 77 K de SQUIDS dc en céramique d'YBaCuO" par D. Robbes, Y. Monfort, J. Lepaisant, M. Lam Chok Sing, C. Gunther, D. Bloyet, ISM/GERSIC, ISMRa, Caen, J. Provost, B. Raveau, CRISMAT ISMRa, Caen Boulevard du Maréchal Juin 14032 Caen. Cédex - publié au Journées d'Etudes Céramiques supraconductrices à haute température critique (13-14 septembre 1988) (cf. aussi au C.R. Acad. Sci. Paris, t.306, Série II, p. 121-124, 1988). Le tableau ci-après montre les avantages et caractéristiques supérieures des capteurs au thallium selon l'invention. Rappelons que le bruit "blanc" correspond à un bruit où, comme dans la lumière blanche, toutes les longueurs d'ondes sont également représentées. Caractériques YBaCuO Céramique au thallium Taille de l'étran- glement longueur 300 à 500 llm x idem section 300 à 500 pm2 x 100 à 200 Intensité critique environ 100 IIA idem Résistance dynamique 0,1 à 3 Ohms supérieure à 10 Ohms de 20 à 30 Ohms Intensité zone en l/f* bruit blanc pour les bruit de fond valeurs supérieures à 1 ka z dV/dt 5 à 50 pV/+O 0,5 mV à 1,5 mV/' O Résistance aux Intensité critique pas de modification chocs thermiques nulle après 5 cycles significative après 50 cycles * f = fréquence du bruit de fond Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication de ces capteurs.Ce procédé est caractérisé par le fait qutil comporte les étapes suivantes a) fabrication d'un barreau supraconducteur par frittage de particules de dimension comprise entre 2 à 20 micromètres, de préférence entre 5 et 15 micromètres, de manière à obtenir des grains dont la plus grande taille est comprise entre la taille initiale et au moins cinq fois la taille initiale, de préférence au moins 10 fois la taille initiale, b) ablation successive de matière, de manière à former une zone de constriction (ou d'étranglement) de forme sensiblement parallélépipédique et dont le courant critique soit inférieur à 500 microampères, de préférence entre 150 et 50 microampères. Les particules utilisées sont de préférence monocristalline, mais peuvent être polyphasées. Il en est de même avec les grains obtenus après frittage. Les jonctions électriques entre le capteur et les circuits électriques se font de manière connue en soi, par exemple au moyen de quatre jonctions en indium comme cela est montré dans la figure 4 et explicité dans l'exemple ci-après. Les jonctions permettant la mesure de la tension sont indiquées en V, cependant que les points I correspondent aux lieux par où entre et sort le courant. L'exemple qui suit montre de manière non limitative certaines techniques objet selon la présente invention. Exemple : Réalisation d'un capteur selon l'invention. Des échantillons de T1 ,Ba2Ca2Cu3010cx ont été préparés comme décrits dans l'article de M. Hervieu, C. Michel, A. Maignan, C. Martin et B. Raveau, publié dans J. of Solid State Chem. 74, 482 (1988), et ont été pressés pour les mettre sous la forme de barreaux de dimension 10 x 1 x 1 mm. Quatre contacts électriques en indium ont été réalisés en utilisant des ultrasons. Ces quatre contacts sont disposés comme indiqué à la figure 4, I et V étant les points d'application respectivement de l'intensité et de la mesure de la tension. Les caractéristiques courant-tension ont été mesurées à la température de l'azote liquide bouillant soit à 77K dans une enceinte électromagnétiquement blindée. Une densité de courant critique d'environ 120 ampères/cm2 a été mesurée. Une constriction comme indiquée à la figure 4 a été réalisée par ablations successives ; une douzaine de ces dernières ont été nécessaires pour obtenir une intensité critique de 1,6 milli-ampères. Des marches de Shapiro résultant de la composition des courants alternatifs de Josephson et du champ des microondes appliquées et dans la bande X sont représentés à la figure 5 cependant que la figure 6 montre la hauteur des étapes de courant en tant que fonction de la puissance des microondes appliquées. On a réduit ultérieurement la valeur du courant critique IC jusqu'à une valeur de 600 microampères ou une modulation nette de IC avec un champ magnétique contenu apparaît. La résistance dynamique RD était d'environ I Ohm et de la périodicité de la tension V = f(B), on a pu déduire une surface de boucle de 1,5.10-8m2 correspondant à une inductance de L d'environ 180 picoHenry (pH). Le niveau de bruit blanc au-delà de 100 Hertz en terme de densité spectrale du bruit de flux était SS= 0,8.1 tO2/Hz. La réduction du courant critique a été poursuivie au moyen des techniques développées pour les microponts en niobium et décrites dans les articles de D. Duret, P. Bernard et D.Zenatti, Rev. Sci. Inst., 46, 475 (1975) et de H. Koch, "SQUID'85 Superconducting Quantum Interference Devices and their applications" (Walter de Gruyter & Co, Berlin New-York), 773 (1985). Ainsi, l'intensité critique a pu être réduite à une valeur inférieure à 100 microampères ; toutefois, la résistance dynamique est grandement diminuée. Un traitement thermique jusqu'à une température supérieure à la température critique a permis d'obtenir les valeurs précédentes. L'abrasion a pu être poursuivie jusqu'à une constriction d'une section 50 x 500 micromètres carré, les caractéristiques courant-tension avec une intensité critique de 350 microampères sont indiquées dans la figure 7. La résistance dynamique atteinte est de l'ordre de 30 Ohms. Un champ magnétique modulé B induit les caractéristiques V = f((s9 permettent de déduire une surface de boucle de 10 9 m2. Cette caractéristique V = f( #) est reportée à la figure 8. D'autres mesures ont permis de démontrer qu'il y avait un bruit "blanc" pour des fréquences supérieures à 50 kHz ; plus d'une vingtaine de cycles thermiques entre la température ambiante et la température de l'azote liquide (77 K) n'ont pas altéré significativement les caractéristiques du capteur décrit dans l'exemple. REVENDICATIONS 1. Capteur magnétique supraconducteur à haute température critique, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un circuit de supraconducteurs constitué par des grains de céramique supraconductrice reliés entre eux de manière à former au moins une boucle. 2. Capteur magnétique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits grains sont reliés entre eux par des joints de grains du type de ceux obtenus par frittage. 3. Capteur magnétique selon les revendications 1 et 2 prises séparément, caractérisé par le fait que la taille desdits grains est comprise entre 10 et 200 micromètres. 4. Capteur magnétique selon les revendications 1 à 3 prises séparément, caractérisé par le fait que le rapport de forme des grains est compris entre 1 et 20. 5. Capteur magnétique selon l'une des revendications 1 à 4 prisés séparément, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un volume de matériau obtenu par le frittage de particules de céramique supraconductrice, volume que l'on aura réduit de manière à obtenir une intensité critique inférieure à 500 microampères. 6. Capteur magnétique selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'intensité critique est inférieure à 100 microampères. 7. Capteur magnétique selon l'une des revendications 5 et 6 prises séparément, caractérisé par le fait que l'épaisseur dudit volume est égale à dix fois la taille desdites particules. 8. Capteur magnétique selon les revendications 5 à 7 prises séparément, caractérisé par le fait que la surface dudit volume est comprise entre un dixième et un quart de millimètre carré. 9. Capteur magnétique selon les revendications 5 et 6 prises séparméent, caractérisé par le fait que l'épaisseur est comprise entre 30 et 70 micromètres et que ledit volume est placé sur un support inerte. 10. Capteur magnétique selon les revendications 1 à 9 prises séparément, caractérisé par le fait qu'il n'y a qu'une seule boucle. Il. Capteur magnétique selon l'une des revendications I à 1'J prises séparément, caractérisé par le fait que le matériau supraconducteur est une céramique supraconductrice du type perovskite déficiTaire en oxygène et par le fait que ladite céramique supraconductrice comporte du thallium 12. Capteur magnétique selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ladite céramique supraconductrice est constituée de grains de céramique de formule Tl2-yBa2Ca2Cu3O10 + x 13. Capteur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que v = 0 et x est compris entre + I et - 1. 14. Procédé de fabrication du capteur selon l'une des revendi caties 1 à 13, caractérise' par le fait qu'il canprte les étapes suivantes: a) fabrication d'un barreau supraconducteur par frittage de particules de dimension comprise entre 2 à 20 micromètres, de préférence entre 5 et 15 micromètres, de manière à obtenir des grains dont la plus grande taille est comprise entre la taille initiale et au moins cinq fois la taille initiale, de préférence au moins 10 fois la taille initiale, b) ablation successive de matière, de manière à former une zone de constriction (ou d'étranglement) de forme sensiblement parallélépipédique et dont le courant critique soit inférieur à 500 microampères, de préférence entre 150 et 50 microampères.