Brevet FR2672159A1 — publié le 19920731

i PROCEDE POUR REHAUSSER LE CHAMP CRITIQUE SUPERIEUR (HC 2) DANS LES PEROVSKITES D'OXYDES DE CUIVRE CERAMIQUES SUPRA- CONDUCTEURS A TEMPERATURE ELEVEE. Cette invention porte sur les supraconducteurs à température élevée et, plus particulièrement, sur l'augmen- tation du champ critique supérieur et de la capacité de transport de courant de tels matériaux. Les matières céramiques supraconductrices à température élevée (HTSC-high température superconducting ceramics) ont été découvertes ces dernières années Un matériau typique tel que Y Ba 2 Cu 307 (YBCO) est un élément de cette famille des perovskites d'oxydes à base de cuivre qui se combinent facilement avec les ions alcalins et les ions des terres rares pour former ces HTSC Ces matières ont tenu de grandes promesses pour des applications industrielles et militaires Pour une utilité optimale, elles devraient avoir une capacité de transport du courant supérieure à 109 ampères/mètre 2 Cette propriété physique nécessite que les HTSC aient une densité de courant critique (Jc) élevée et un champ magnétique critique supérieur (Hc 2) élevé. Il est connu que de telles caractéristiques souhaitables peuvent être obtenues dans des supra- conducteurs de Type II, qui manifestentune fixation de flux, c'est-à- dire que le flux magnétique produit par le passage du courant est fixé en place dans le corps du supraconducteur En outre, dans un champ magnétique croissant, l'entrée dans les HTSC de quantités significatives de flux peut ne pas se produire en raison des effets de fixationjusqu'à ce qu'un champ de plusieurs fois le champ critique inférieur (HE 1) ait été appliqué, et lorsque le flux pénètre effectivement, il le fait si lentement (par rapport à la dimension du champ magnétique), et la pénétration est incomplète jusqu'à ce que le champ appliqué soit égal à Hc 2. Des programmes de recherche sont toujours en cours pour rehausser la fixation de flux dans les HTSC Une première méthode met en jeu un compactage par choc et est décrite dans "Propriétés Supraconductrices et Micro- structurales des Poudres d'Oxydes Céramiques Supra- conductrices à Température élevée ayant subi un Impact de Choc" ("Superconducting and Microstructural Properties of Shock-Impacted HighTC Oxide Powders") C L Seaman, M B. Maple, U California, San Diego; W J Nellis, J B Holt, M Kamegai Lawrence Livermore Laboratory, présenté à la Conférence d'Actualités de 1989 sur la Compression par Choc de Matériau Condensé, Albuquerque, Nouveau-Mexique, 14- 17 août 1989 Une deuxième méthode met en jeu la modification de la largeur de la couche limite de grain par des moyens chimiques et est décrite dans "Limites de Grain et Courant Critique dans les Supraconducteurs de Type II" ("Grain Boundaries and Critical Current in Type II Superconducters"), A Das Gupta, Département Américain de l'Energie, Chicago Operations Office, 9800 South Cass Avenue, Argonne, Illinois 60439, présenté au Deuxième Congrès International des Sciences et Technologies des Matières Céramiques et à la Rencontre de la Division d'Electronique de la Société Américaine des Matières Céramiques, Orlando, Floride, 12-15 novembre 1990. Cependant, aucune de ces tentatives n'a permis de parvenir à des résultats entièrement satisfaisants. Le brevet américain US-A-3 149 232 aux noms de Jaffe et al décrit un procédé d'irradiation de matières céramiques piézo-électriques par un rayonnement gamma pour améliorer certaines de leurs propriétés électriques et mécaniques Cependant, Jaffe et al ne suggèrent pas que le rayonnement gamma pourrait être utilisé pour rehausser le champ magnétique critique supérieur et la capacité de transport de courant de matières supraconductrices, en particulier, de matières céramiques supraconductrices à température élevée telles que les perovskites d'oxydes de cuivre. La présente invention a donc pour objectif essentiel de traiter les HTSC pour rehausser le champ magnétique critique supérieur (Hc 2) dans celles-ci. Les objectifs précédents, ainsi que d'autres, sont atteints conformément aux principes de l'invention par traitement des HTSC pour qu'elles manifestent des champs magnétiques critiques supérieurs (Hc 2) rehaussés, par exposition de la matière céramique à un rayonnement gamma. La présente invention a donc d'abord pour objet un procédé pour augmenter la capacité de transport du courant et pour rehausser le champ critique supérieur (Hc 2) dans un matériau supraconducteur de Type II, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à sélectionner un échantillon d'un matériau supra- conducteur de Type II; exposer ledit échantillon à un rayonnement gamma Conformément à un premier mode de réalisation de l'étape d'exposition, celle-ci utilise une source de cobalt 60. Conformément à un second mode de réalisation de l'étape d'exposition, celle-ci utilise une source de rayonnement gamma, qui fournit un niveau de dosage total se situant dans la plage d'environ dix millions de rads à environ cent millions de rads, à un débit d'environ trois millions de rads à l'heure. Conformément à un premier mode de réalisation de l'étape de sélection, celle-ci comprend la sélection d'un échantillon d'une perovskite d'oxyde de cuivre céramique supraconducteur à température élevée. Conformément à un second mode de réalisation de l'étape de sélection, celle-ci comprend la sélection d'un échantillon de la matière céramique supraconductrice à température élevée Y Ba 2 Cu 3 07. La présente invention porte également sur un matériau supraconducteur de Type II exposé à un rayonnement gamma pour augmenter la capacité de transport du courant du matériau et pour rehausser le champ critique supérieur (HC 2) du matériau. Les principes de l'invention ressortiront plus facilement à la lecture de la description suivante, avec référence aux dessins qui illustrent des résultats expérimentaux et sur lesquels: La Figure 1 est le graphe de Hc 2 en fonction de la température avant (Do) et après (D 10) l'exposition de YBCO à un rayonnement gamma; La Figure 2 est le graphe de lHc 2 ( 0)- Hc 2 (T)l/Hc 2 ( 0) en fonction de t 2 pour YBCO à des expositions gamma (Do, D 10, D 100), o t = T/Tc, Tc est la température de transition supraconductrice et Hc 2 ( 0), le champ critique supérieur à 0 Kelvin, est obtenu par analyse par régression, en admettant la relation Hc 2 (T) = Hc 2 ( 0) ( 1-t 2); et La Figure 3 est le graphe de Hc 2 ( 0) en fonction de log Di Par ailleurs, le tableau 1 ci-après donne les valeursde HC 2 ( 0) c c calculées pour les données Do, D 10, D 100 pour T 96 degrs Kelvin et le tableau 2 ci-après présente l'analyse par régression linéaire pour I C 2 ( 0) à partir de la loi parabolique Hc 2 (T) Un mécanisme microscopique possible par lequel l'invention est efficace, est que le traitement donné aux HTSC conformément à l'invention produit une formation de défaut et des modifications dans la structure du réseau et les limites de grain de la matière HTSC telles qu'une fixation rehaussée des lignes de flux est obtenue Le courant produisant les lignes de flux magnétique est soumis à une force de Lorentz chaque fois qu'un courant passe dans ces HTSC de Type II, FL(vol) = J x B, o FL(vol) est la force de Lorentz par unité de volume, J est la densité de courant de ce passage de courant, et B est la densité de flux magnétique Le courant lui-même produit une partie ou la totalité du champ magnétique Conformément a la loi d'Ampère, il y a toujours une partie du champ magnétique qui est produite par le courant Un champ critique élevé est lié à un courant critique élevé par l'intermédiaire des variables indépendantes suivantes sur le mouvement des lignes de flux On décrit souvent ceci en spécifiant qu'il y a une force sur les lignes de flux Cette force agit dans une direction perpendiculaire à la fois au courant et aux lignes de flux A moins que l'on n'empêche les lignes de flux de se déplacer, leur déplacement se fera dans la direction de cette force de Lorentz. Les lignes de flux peuvent être immobilisées, ou subir une fixation, lorsqu'elles interagissent avec des caractéristiques microstructurales intrinsèques ou extrin- sèques du supraconducteur Cette interaction exerce une force de fixation par unité de volume, Fp(vol) sur les lignes de flux s'opposant à la force de Lorentz La FL(vol) maximale que la matière puisse supporter est égale à la Fp(vol) Lorsque FL(vol) est supérieure à celle-ci, les lignes se déplaceront, avec Jc x B = -Fp(vol)* La vitesse de la ligne de flux (v) et la densité de flux (B) donnent naissance à un champ électrique induit, Eind ( v x B), qui agit comme une tension ohmique, Eind = (Jind/i) (o o = conductivité électrique normale) la puissance est dissipée La résistance induite s'approche de la résistance à l'état normal au fur et à mesure que B s'approche de Po Hc 2, o go est la perméabilité d'espace libre La densité de courant critique (Jc) est la densité de courant qui suffit à produire une tension à travers le conducteur, et, de ce fait, est la première valeur de la densité de courant qui amène les lignes de flux à se déplacer, détruisant ainsi la supraconductivité Si le déplacement des lignes de flux est inhibé (soumis à une fixation) des valeurs élevées des densités de courant critiques et des champs critiques supérieurs Hc 2 peuvent alors être atteintes. Les principes et le procédé de l'invention sont applicables à pratiquement tous les éléments de la famille des perovskites HTSC et autres types de matériaux supraconducteurs du Type Il dans lesquels le rayonnement gamma provoquera une fixation substantielle des lignes de flux. Conformément à l'invention, la HTSC, qui peut être de n'importe quelles forme et dimension appropriées compatibles avec l'appareil dans lequel elle est traitée, est exposée au rayonnement gamma à un dosage et débit de dose appropriés Dans un premier mode opératoire, des échantillons d'YBCO ont été exposés à une source de cobalt à un dosage de 10 millions de rads (D 10) à un débit RA égal à 3 millions de rads à l'heure Dans un deuxième mode opératoire,des échantillons d'YBCO ont été exposés à une source de cobalt 60 à un dosage de 100 millions de rads (Dl,() à un débit RA égal à 3 millions de rads à l'heure. Ce traitement des HTSC forme des centres de fixation d'une densité telle que les lignes de flux magnétique sont empêchées de se déplacer transversalement au courant Par conséquent, aucun champ électrique n'est induit et aucune énergie n'est dissipée par chauffage par effet Joule. Une fois que le procédé de rayonnement D 1 o a été achevé, le champ critique supérieur, Hc 2 a été mesuré et une valeur de 6,8 Tesla à 75 degrés Kelvin a été obtenue lors du premier essai Celle-ci représentait trois fois la valeur de 2,3 Tesla obtenue dans le cas d'une absence d'exposition au rayonnement gamma (Do) Il est entendu que plus la valeur de Hc 2 pour une température donnée est élevée, plus la densité de courant critique est grande. Il apparaîtra à l'homme du métier qu'en faisant varier le dosage et le débit de radiation gamma, on pourrait très bien parvenir à une optimisation de cet effet d'augmentation. La Figure 1 présente deux jeux de mesures (obtenus en janvier 1990) du champ critique supérieur, Hc 2, de YBCO avant exposition (D) et après exposition(D 10)à un rayonnement gamma Les valeurs de Hc 2 à Do étaient de 8,9, 6,7 et 2,3 Tesla pour des températures de respectivement 68, 70 et 75 degrés Kelvin D'une manière qualitative, on peut voir que l'irradiation a augmenté Hc 2 et que Hc 2 diminue lorsque température augmente Le rehaussement de HC 2 par traitement par rayonnement gamma implique que les valeurs de Jc seront également augmentées. La Figure 2 représente un graphe de données prises les 2 et 24 février 1990, et résumées dans le tableau 1, superposé à la loi parabolique bien approchée Hc 2 (T) = Hc 2 ( 0)l 1-(T/Tc)2 l L'analyse par régression linéaire (voir Tableau 2) est utilisée pour obtenir Hc 2 ( 0) pour les trois cas (Do, DO 10 et D 100) Les données sont en accord avec un graphique à ligne droite de lHc 2 ( 0) Hc 2 (T)l/Hc 2 (o) en fonction de (T/Tc 2)2, avec Tc = 96 degrés Kelvin Une valeur pour Hc 2 ( 0) est obtenue à partir de cette équation parabolique et cette méthode des plus petits carrés est en accord avec les données Les résultats présentés dans le Tableau 1 montrent que Hc 2 ( 0) pour D 100 et Do 10 sont supérieurs à la valeur de Hc 2 ( 0) pour Do. Tableau 1 DONNES ET HC 2 ( 0) POURDO, D 10, ET D I 00 DO TC = 96 'K T(K) HC 2 (T) O 10 68 9 10 24 8 3,7 2,7 HC 2 ( 0) = 18, 81109 DIO TC 960 K T( K) HC 2 (T) 68 9,5 8,5 6,7 17 9 85 5 87,5 3,2 2,7 1,2 HC 2 ( 0) = 20,10725 TC 96 'K T(K) HC 2 (T) 9 8,5 H 02 ( 0) 20,36043 r Tableau 2 ANALYSE PAR REGRESSION LINEAIRE DE LA LOI HC 2 (T) PARABOLIQUE DEFINITIONS: LOI PARABOLIQUE: FAIRE S = - = I/HC 2 ( 0) t = ( T / TC) I G Hc 2 (T) = t 2 (I G HC 2 (T) t 2)2 TOUS LES POINTS DES DONNEES HC 2 ( 0) EST DETE Rhi INE EN MINIMALISANT S PAR RAPPORT A LA VARIATION DE G. L LORSQUE G = L (I-t,) HC 2 (Ti) HC 2 ( Ti)2 DANS LA DERNIERE EQUATION, L'INDICE DE SOMMATION i, DANS CHAQUE SOMME, PASSE PAR LES POINTS DES DONNEES. LE TABLEAU SUIVANT RESUME LES RESULTATS DE CETTE ANALYSE SUR LES DONNEES FIGURANT SUR LA FIGURE 4 O HC 2 (O) EN TESLA Do 18,81 D Io 20,71 DI O O20,36 d S O d G HC 2 (O) -g - A partir de la conformité des données avec cette loi thermodynamique, nous prenons l'augmentation de 11 % présentée pour les cas Dio et Di, pour conclure que Hc 2 ( 0) est augmenté par exposition des échantillons d'YBCO à un rayonnement gamma. A partir des courbes Hc 2 (O) en fonction de log Di (Di = dosage) données sur la Figure 3, nous observons à nouveau une augmentation de Hc 2 ( 0) en fonction du dosage de rayonnement gamma Les points sont reliés par une ligne pour guider l'oeil Ceci n'implique que les données entre les points suivraient cette ligne On s'attend à ce que des valeurs d'optimisation existent à l'intérieur ou en dehors de la plage. Ces résultats de Hc 2 ( 0) basés sur l'utilisation de la loi Darabolique et l'analyse par régression (présentée dans le Tableau 2)permettent d'affirmer que pour n'importe quelle valeur de T entre O degrés Kelvin et Tc I il est obtenu un rehaussement de Hc 2 (T) Par conséquent, l'irradiation provoque une augmentation de Hc 2 (T) qui implique une augmentation de Jc En conséquence, on a décrit un procédé pour rehausser le champ critique supérieur (Hc 2) dans YBCO et des HTSC analogues Ce procédé augmente également la capacité de transport du courant, la densité de courant critique, et l'aptitude à supporter des champs magnétiques élevés Il apparaîtra clairement à l'homme du métier que diverses modifications et adaptations du procédé décrit sont possibles il REVENDICATIONS 1 Procédé pour augmenter la capacité de transport du courant et pour rehausser le champ critique supérieur (H 2) dans un matériau supraconducteur de Type II, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à: sélectionner un échantillon d'un matériau supra- conducteur de Type II; et exposer ledit échantillon à un rayonnement gamma 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape d'exposition utilise une source de cobalt 60. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape d'exposition utilise une source de rayonnement gamma, qui fournit un niveau de dosage total se situant dans la plage d'environ dix millions de rads à environ cent millions de rads, à un débit d'environ trois millions de rads à l'heure. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape de sélection comprend la sélection d'un échantillon d'une perovskite d'oxyde de cuivre céramique supraconducteur à température élevée. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape de sélection comprend la sélection d'un échantillon de la matière céramique supraconductrice à température élevée Y Ba 2 Cu 307. 6 Matériau supraconducteur de Type II exposé à un rayonnement gamma pour augmenter la capacité de transport du courant du matériau et pour rehausser le champ critique supérieur (Hc 2) du matériau. 7 Matériau selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'exposition au rayonnement gamma se situe dans la plage d'environ 107 à environ 108 rads à un débit d'environ 3 millions de rads à l'heure. 8 Matériau selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le matériau de Type II est choisi dans la famille des perovskites d'oxydes de cuivre céramiques supraconducteurs à température élevée.5 9 Matériau selon la revendication 8, dans lequel l'oxyde de cuivre céramique supraconducteur à température élevée est Y Ba 2 Cu 307.