Brevet FR2682216A1 — publié le 19930409

Transformateur supraconducteur commandable L'invention concerne un transformateur. Le facteur de transfert d'un transformateur est déterminé essentiellement par son inductance mutuelle Celle-ci est un critère pour le flux magnétique qui parcourt simultanément les enroulements primaire et secondaire. On entend par transformateur supraconducteur des transformateurs dont les bobines primaire et/ou secondaire sont constituées de matières supraconductrices de manière à pouvoir transformer des courants alternatifs allant jusqu'à O Hz (courant continu) Etant donné que les bobines primaire et secondaire ne comprennent le plus souvent qu'une spire chacune, les notions de bobine primaire/ secondaire et d'enroulement primaire/secondaire sont employées dans ce qui suit comme synonymes. Pour l'utilisation de transformateurs supraconducteurs dans des convertisseurs analogique-digital (convertisseurs A/D) supraconducteurs de haute précision, il est nécessaire de reproduire avec une très grande précision les inductances mutuelles Un convertisseur D/A à 16 bits par exemple nécessite une précision d'égalisation de 15 ppm (= 15 * 10 6). Pour égaliser les bobines supraconductrices d'un gradiomètre à champ magnétique, il doit être possible de réaliser avec une haute précision des facteurs de transfert dans la plage de 1 ppm et moins. Jusqu'ici des transformateurs supraconducteurs ne sont égalisés que de manière géométrique par l'intermédiaire de la lithographie existante Compte tenu des variations de géométrie conditionnées par la technologie, on ne peut réaliser, même pour des circuits à couche mince, que des facteurs d'égalisation d'environ ppm. La présente invention a pour objet de commuter un transformateur supraconducteur dont l'inductance mutuelle peut être réglée avec une haute précision. Ce but est atteint par un transformateur caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche supraconductrice (couche de commande) disposée avantageusement entre les bobines primaire et secondaire et dont les propriétés supraconductrices, en particulier la profondeur de pénétration de London, peuvent être commandées en vue d'un réglage défini de l'inductance mutuelle du transformateur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention l l'épaisseur de la couche de commande est faible par rapport à la profondeur de pénétration; la commande des propriétés supraconductrices de la couche de commande est réalisée par un courant électrique guidé dans celle-ci; la couche de commande présente une structure en forme de méandres et à faible champ de dispersion; la commande des propriétés supraconductrices de la couche de commande est réalisée par l'irradiation avec des ondes électromagnétiques, de préférence dans la plage des longueurs d'ondes optiques jusqu'aux micro-ondes; la couche de commande est en contact avec une autre couche (couche d'injection) et la commande des propriétés supraconductrices de la couche de commande est réalisée par l'injection de quasi-particules de la couche d'injection dans la couche de commande; le signal d'entrée de l'amplificateur est modulé par un transformateur. L'invention repose sur la découverte que la distribution du flux magnétique entre les bobines primaire et secondaire et par conséquent l'inductance mutuelle peut être influencée par un matériau supraconducteur supplémentaire, par exemple sous la forme d'une couche (effet de Meissner-Ochsenfeld) C'est alors surtout la profondeur de pénétration de London A L qui constitue -un critère pour la grandeur de l'effet En modifiant les propriétés supraconductrices du matériau, en particulier la profondeur de pénétration de London ?A L, il est possible de faire varier la distribution du flux et donc l'inductance mutuelle du transformateur. En conséquence, le transformateur selon l'invention comprend au moins une couche supraconductrice disposée de préférence entre les bobines primaire et secondaire et appelée ci-après couche de commande, dont les propriétés supraconductrices peuvent être réglées de manière appropriée. Il est avantageux de choisir pour la couche de commande une épaisseur faible par rapport à la profondeur de pénétration de London du matériau supraconducteur de ladite couche. Le principe décrit peut être appliqué aussi bien dans des transformateurs supraconducteurs que dans des transformateurs pour lesquels la bobine primaire aussi bien que la bobine secondaire présentent une conduction normale. Dans un mode de réalisation avantageux, la commande des propriétés supraconductrices, en particulier de la profondeur de pénétration de London AL de la couche de commande, est réalisée par un courant électrique circulant dans celle-ci A cet effet, la couche de commande présente avantageusement une structure en méandres et à faible champ de dispersion. Il est également avantageux de réaliser la commande par une irradiation appropriée de la couche de commande avec un rayonnement électromagnétique Pour cela, la plage des longueurs d'ondes comprise entre les longueurs d'ondes optiques et les micro- ondes convient particulièrement bien. Selon une autre particularité avantageuse, la couche de commande est en contact avec une seconde couche appelée ci-après couche d'injection La commande est réalisée par une injection de quasi-particules (électrons à conduction normale) de la couche d'injection dans la couche de commande. Le transformateur selon l'invention peut être utilisé de façon particulièrement avantageuse dans un amplificateur SQUID supraconducteur d'après le principe lock-in, le signal d'entrée de l'amplificateur étant modulé par le transformateur selon l'invention. Le transformateur selon l'invention convient pour la mise en oeuvre dans un convertisseur A/D supraconducteur o il permet alors une égalisation très précise de l'inductance Des convertisseurs A/D de ce genre sont utilisés en particulier dans des appareils de diagnostic biomagnétiques sur la base de SQUI Ds et dans des appareils MAD pour la localisation de sous-marins. En ce qui concerne l'utilisation du transformateur selon l'invention dans des gradiomètres du 1 er ordre aussi bien que d'un ordre supérieur, l'égalisation du gradiomètre peut être améliorée sur le plan matériel de plusieurs puissances de dix. Une autre application avantageuse est l'utilisation du transformateur pour la construction d'un amplificateur à faible bruit. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente un mode de réalisation du transformateur selon l'invention pour trois réglages différents de la profondeur de pénétration de London; la figure 2 représente une variante du transformateur selon l'invention dans lequel la commande est réalisée par un courant électrique; la figure 3 représente une variante du transformateur selon l'invention dans lequel la commande est réalisée par irradiation; la figure 4 représente une variante du transformateur selon l'invention dans lequel la commande est réalisée par injection de quasi-particules; la figure 5 représente le schéma-bloc d'un amplificateur SQUID supraconducteur d'après le principe lock-in. La fig 1 représente une coupe transversale d'un transformateur selon l'invention avec des bobines primaire et secondaire PS, SP qui ne comportent chacune qu'une seule spire Entre les bobines primaire et secondaire est disposée la couche de commande St S constituée d'un matériau supra-conducteur Ladite couche est conformée ici en plaque plane, mais d'autres formes sont également possibles Dans la fig la la profondeur de pénétration de London A L de la couche St S est réglée sur un niveau suffisamment élevé pour que le flux magnétique puisse la traverser sans entrave Le couplage entre les bobines primaire et secondaire PS, SP est ainsi très grand. Dans la fig lb, la valeur de A L a été diminuée par rapport à la situation représentée dans la fig la Le flux magnétique ne traverse ici la couche St S que dans une mesure limitée, et le couplage entre les bobines primaire et secondaire PS, SP se trouve diminué en conséquence. Dans la fig lc, la valeur de ÀL est à peu près égale à zéro Le flux magnétique ne peut plus traverser la couche St S, les lignes de champ magnétique passent autour de celle-ci et le couplage est très faible. La fig 2 a représente un mode de réalisation du transformateur selon l'invention dans lequel la commande est réalisée par un courant électrique I circulant dans la couche de commande St S. La couche de commande est disposée entre les bobines primaire et secondaire PS, SP et avantageusement conformée en méandres La fig 2 b montre une vue de dessus de la couche de commande St S ainsi structurée. La fig 3 montre une variante du transformateur selon l'invention dans lequel la commande est réalisée par irradiation de la couche de commande St S Pour permettre une irradiation sans entrave, la couche de commande St S est disposée à l'extérieur des bobines primaire et secondaire PS, SP L'énergie rayonnée casse les paires Cooper dans la couche de commande St S et produit ainsi des quasi- particules supplémentaires. La fig 4 représente un transformateur selon l'invention dans lequel la commande est réalisée par une injection appropriée de quasi-particules. Entre les bobines primaire et secondaire PS, SP est disposée la couche de commande St S qui est en contact avec une couche d'injection INS par l'intermédiaire d'une couche d'isolation IS (oxyde tunnel) En appliquant une tension entre la couche d'injection et la couche de commande INS, St S, des quasi-particules supplémentaires sont incrustées dans la couche de commande St S. La fig 5 montre le schéma-bloc d'un amplificateur SQUID supraconducteur d'après le principe lock-in Le signal d'entrée UE est modulé sans perte, avec une fréquence de modulation prédéterminée t, sur le transformateur réglable ST selon l'invention (la couche de commande St S n'est pas représentée ici), amplifié sur l'unité d'amplification SQUID SQ et démodulé conformément au principe lock-in dans le démodulateur DEM monté en aval Après l'intégration en fonction du temps dans l'intégrateur INT, on obtient le signal de sortie UA L'utilisation du transformateur ST selon l'invention permet notamment de supprimer efficacement le bruit 1/f de l'unité d'amplification SQUID. REVENDICATIONS 1 Transformateur (ST), c a r a c t é r i S é e N c e qu'il comprend au moins une couche supraconductrice (couche de commande, St S) disposée avantageusement entre les bobines primaire et secondaire (PS, SP) et dont les propriétés supraconductrices, en particulier la profondeur de pénétration de London, peuvent être commandées en vue d'un réglage défini de l'inductance mutuelle du transformateur (ST). 2 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de commande (St S) est faible par rapport à la profondeur de pénétration de London. 3 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande des propriétés supraconductrices de la couche de commande (St S) est réalisée par un courant électrique (I) guidé dans celle-ci. 4 Transformateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de commande (St S) présente une structure en forme de méandres et à faible champ de dispersion. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande des propriétés supraconductrices de la couche de commande (St S) est réalisée par l'irradiation avec des ondes électromagnétiques, de préférence dans la plage des longueurs d'ondes optiques jusqu'aux micro-ondes. 6 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de commande (St S) est en contact avec une autre couche (couche d'injection, IS) et que la commande des propriétés supraconductrices de la couche de commande (St S) est réalisée par l'injection de quasi-particules de la couche d'injection (IS) dans la couche de commande (St S). 7 Amplificateur SQUID supraconducteur fonctionnant d'après le principe lock-in, caractérisé en ce que le signal d'entrée de l'amplificateur (UE) est modulé par un transformateur (ST) selon les revendications 1 à 6.