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Octobre 20111Journées Accélérateur de Roscoff DSM/Irfu/SACM Journées Accélérateurs de Roscoff 2 – 5 octobre 2011 Le Centenaire de la Supraconductivité

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1 Octobre 20111Journées Accélérateur de Roscoff DSM/Irfu/SACM Journées Accélérateurs de Roscoff 2 – 5 octobre 2011 Le Centenaire de la Supraconductivité DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Antoine DAËL CMS Double Chooz HESS Edelweiss Herschel ALICE Detecting radiations from the Universe.

2 Octobre 20112Journées Accélérateur de Roscoff Sommaire 1.La découverte du 8 avril 1911. 2.Un survol historique de la supraconductivité. 3.Des éléments conceptuels sur les aimants supraconducteurs. 4.Exemples de grandes réalisations d aimants supraconducteurs pour LHC. 5.Autres applications de la supraconductivité. 6.Perspectives. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

3 Octobre 20113Journées Accélérateur de Roscoff La supraconductivité a été découverte en 1911 dans un laboratoire de lUniversité de Leyde aux Pays-Bas, laboratoire dirigé par le Professeur Heike Kammerling-Onnes. Les premières découvertes Heike Kammerling-Onnes (1853–1926)

4 Octobre 20114Journées Accélérateur de Roscoff Les premières découvertes Kammerling-Onnes commença sa carrière en construisant différents types de liquéfacteurs et fut le premier le 10 juillet 1908 à produire de lhélium liquide. Plus tard il utilisa le refroidissement par lhélium liquide pour étudier les propriétés électriques des métaux à basse température. A cette époque plusieurs théories étaient en concurrence au sujet de la dépendance de la résistance électrique des métaux avec la température : on prédisait à 0K un terme constant de résistivité résiduelle due aux impuretés du métal ( Matthiessen) ou bien une augmentation de la résistivité due au gel du nuage électronique (Lord Kelvin) ou bien une décroissance jusquà zéro ( Dewar) Dans cet esprit Kammerling-Onnes travaillait avec du mercure quil arrivait à rendre très pur et qui était contenu dans des tubes capillaires DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

5 Octobre 20115Journées Accélérateur de Roscoff9 juin 2011 Résistance électriques aux très basses températures 1962 Avant 1911: faute de résultats expérimentaux, la situation était loin dêtre claire.

6 Octobre 20116Journées Accélérateur de RoscoffDSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

7 Octobre 20117Journées Accélérateur de Roscoff Le 8 avril 1911, un de ses étudiants, Gilles Holst, observa que la résistance dun fil de mercure préparé en gelant un tube capillaire rempli de mercure obtenu par distillation, disparaissait complètement lorsque léchantillon était refroidi en dessous de 4.2 K. Après avoir soigneusement répété lexpérience plusieurs fois, H. Kammerling-Onnes conclut que le mercure était passé dans un nouvel état quil baptisa « supraconductivité ». DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Les premières découvertes

8 Octobre 20118Journées Accélérateur de Roscoff Photo du « Cahier de Manip » de Heike Kammerling-Onnes DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Le même jour en fin daprès midi, léquipe observa et consigna le passage de lhélium à létat suprafluide ( Tlambda 2.19K) mais sans y prêter attention.

9 Octobre 20119Journées Accélérateur de Roscoff Les premières découvertes Ces éléments furent présentés à lAcadémie Royale des Pays-Bas le 28 avril 1911. Kammerling-Onnes reçut le Prix Nobel de Physique en 1913, principalement pour la liquéfaction de lhélium Très rapidement cette équipe a découvert dautres matériaux supraconducteurs et en particulier le plomb et létain ( notez que le cuivre et lor qui sont dexcellents conducteurs et ont une très faible resistivité à basse température ne deviennent pas supraconducteurs. Les techniciens ont réalisé en décembre 1912 un bobinage de 300 tours avec un échantillon de 1.75m de longueur et de section 1/70 mm2 et malheureusement ils ne passaient que 1 ampère dans la bobine alors que 8 ampères passaient dans un échantillon court DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

10 Octobre 201110Journées Accélérateur de Roscoff Ils venaient en fait de découvrir que la supraconductivité est limitée non seulement par la température mais aussi par le champ magnétique. En pratique on observe létat supraconducteur à lintérieur dun volume limité dans le trièdre température, densité de courant, champ magnétique. On définit une température critique, une densité de courant critique, et un champ magnétique critique. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Courant Critique, Champ critique, Température critique

11 Octobre 201111Journées Accélérateur de Roscoff Une route longue et difficile La supraconductivité est restée un sujet de recherche fondamentale pendant environ 50 années mais un sujet très riche puisquelle constitue une des rares manifestations macroscopiques de la physique quantique. En 1933 les physiciens allemands W. Meissner et R. Ochsenfeld découvrent une autre propriété fondamentale des supraconducteurs: ceux-ci excluent hors de leurs frontières un champ magnétique que lon voudrait leur imposer de lextérieur. Cette propriété distingue létat supraconducteur de létat bon conducteur et de létat conducteur idéal (de résistance nulle) DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

12 Octobre 201112Journées Accélérateur de Roscoff Pénétration du flux dans un bon conducteur DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Normal conductor Eddy currents are induced Decrease with time Magnetic field penetrates

13 Octobre 201113Journées Accélérateur de Roscoff Ideal conductor ( = 0) Depends on the history, dB/dt=0 DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Pénétration du flux dans un conducteur idéal

14 Octobre 201114Journées Accélérateur de Roscoff Superconductor Perfect diamagnetism, B=0 DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Field Expulsion in Superconductors

15 Octobre 201115Journées Accélérateur de Roscoff Two types of superconductors : Type I, Type II DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Type I Type II Heureusement la nature a également « inventé » un deuxième type de supraconducteur qui permet la pénétration du flux et qui est caractérisé par 2 champs critiques Hc1 et Hc2. Létat intermédiaire est appelé « état mixte »

16 Octobre 201116Journées Accélérateur de Roscoff9 juin 2011 Les supraconducteurs de type I Ils ne possèdent quun seul champ magnétique critique, H c 1 Ils peuvent se trouver dans 2 états selon Tc et Hc : Etat normal Etat supraconducteur « Meissner Les supraconducteurs de type II Ils possèdent deux champs magnétiques critiques, H c 1et H c 2 Ils peuvent se trouver dans 3 états selon Tc et Hc : Etat normal Etat supraconducteur « Meissner » Etat mixte, avec des zones supraconductrices, et des zones non supraconductrices (vortex)

17 Octobre 201117Journées Accélérateur de Roscoff Les trente glorieuses de la supraconductivité Les nouveautés de la fin des années cinquante A cette époque trois événements concomitants ont déclenché une série impressionnante de développements : La publication de la première théorie microscopique complète de la supraconductivité La publication de la théorie de létat mixte des supraconducteurs de type II La découverte de plusieurs matériaux capables de transporter des densités de courant élevées et de supporter des champs magnétiques élevés. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

18 Octobre 201118Journées Accélérateur de Roscoff BCS Theory DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL John Bardeen (1908-1991) Leon N. Cooper (1930- ) J. Robert Schrieffer (1931- ) They obtained the 1972 Nobel Prize in Physics for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory. Note that J. Bardeen was already awarded the Nobel Prize in Physics in 1956, with William Shockley and Walter Hauser Brattain, for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect.

19 Octobre 201119Journées Accélérateur de Roscoff Les Paires de Cooper Le phénomène de transport de charge électrique a changé de nature Linteraction entre les électrons et le réseau cristallin (phonons) crée un phénomène dattraction électrons-électrons Formation de paires délectrons : «paires de Cooper» qui se comportent comme des bosons ( fermions comme les e- seuls). Ils nont plus à respecter le principe de Pauli et se retrouvent tous dans le même état quantique. En se comportant à lunisson, les paires de Cooper créent un supercourant car en formant une seule onde les électrons sont devenus insensibles aux défauts du matériau. La résistance électrique a disparu. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

20 Octobre 201120Journées Accélérateur de Roscoff Début des premières (petites) réalisations 9 juin 2011 Le matériau Niobium était connu comme ayant le plus haut champ critique Hc1 Les chercheurs du Bell Telephone Laboratory exploraient systématiquement différentss alliages de niobium En 1960 Matthias et Kunzler découvrent le Nb3Sn et le NbZr qui seront bientôt rejoints par le NbTi qui simposera par sa ductilité. 1962 : Bobine de 10 teslas dans quelques cm de diamètre (Nb 3 Sn)

21 Octobre 201121Journées Accélérateur de Roscoff Les premières grandes réalisations Les laboratoires américains de physique des particules assistés par des partenaires industriels développent expérimentalement des aimants supraconducteurs de plus en plus grands en particulier pour les chambres à bulles. The ANL 10 inch Bubble Chamber at 4.5 Tesla The ANL 12 ft bubble chamber with 4.5m split coil « m high and 80 Mjoules of stored energy. La bobine BIM en 1967 à Saclay La bobine BEBC en 1972 au CERN DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

22 Octobre 201122Journées Accélérateur de Roscoff Aimants supras de chambres à bulles 9 juin 2011 BEBC (1972), CERN 3,5T dans 35 m 3, 800 MJ BIM (1967) Saclay 4 T dans Ø 1 m

23 Octobre 201123Journées Accélérateur de Roscoff Apparition expérimentale des concepts « aimants supras » La résolution des difficultés sest faite empiriquement La stabilisation du supraconducteur réalisé en enrobant le SC avec du Cuivre ( même de nos jours Cu/Sc >1) La Cryostabilité avec le critère de John Stekly qui définit les conditions déchange avec le bain dhélium Le twist ou torsadage des filaments de Supraconducteurs Lutilisation de cables permettant la redistribution et la transposition Létude de la transition ou quench et la mise au point des systèmes de protection DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

24 Octobre 201124Journées Accélérateur de Roscoff Notion de droite de charge La droite de charge « B=k*I » représente laugmentation du champ avec le courant.On place généralement le courant nominal entre 60% et 80% du courant critique selon la taille de l aimant.

25 Octobre 201125Journées Accélérateur de Roscoff Notion de stabilisation par le cuivre Le cuivre a une resistivité très faible à basse température : Cu 3*10-10 Ohm.m contre 7*10-7 Ohm.m pour le NbTi Le cuivre a une conductivité thermique très bonne à basse température : Cu 350.W/mK contre 0.1 W/mK pour le NbTi Le Cuivre diminue la chaleur produite et favorise la diffusion longitudinale. Si un point transite (repasse à l état normal) mais que toute la chaleur produite est évacuée par conduction dans le reste de la bobine, la température ne s élève pas et le Quench ne se propage pas.

26 Octobre 201126Journées Accélérateur de Roscoff j bob = j Cu x 10 épaisseur/10 V tot = 1,9 m 3 E = 1 GJ = 10 9 J Conversion de lénergie électromagnétique en chaleur dans la zone résistive V rés = V tot /10 E/V rés = 5 10 9 J/m 3 j Cu = 2 A/mm 2 V tot = (1,3 2 – 0,5 2 )7 = 32 m 3 Dissipation : E/V = 32 10 6 J/m 3 2,6 7 m T = 65 K T = 1 400 K Aimant résistif en cuivreAimant supraconducteur 1 E = 1 GJ B = 2 T zone normale résistive 1 E = 1 GJ B = 2 T Pourquoi doit-on protéger un aimant supraconducteur ? 28/04/2014

27 Octobre 201127Journées Accélérateur de Roscoff Décharge sur une résistance extérieure Schéma typique de protection 28/04/2014

28 Octobre 201128Journées Accélérateur de Roscoff Reprise des efforts par le bobinage lui-même ou par une structure extérieure Limiter les concentrations de contraintes pour ne pas endommager l isolation électrique Eviter tout déplacement qui pourrait provoquer un quench Contraintes mécaniques 28/04/2014

29 Octobre 201129Journées Accélérateur de Roscoff Assurer un « bon refroidissement » à la température de lhélium Refroidissement direct dans un bain Refroidissement indirect par conduction à travers le bobinage Circulation forcée dhélium dans le conducteur Contraintes cryogéniques 28/04/2014

30 Octobre 201130Journées Accélérateur de Roscoff Défis et grandes familles dapplications En plus de la physique des particules, le besoin de grands volumes contenant du champ magnétique est apparu également à partir des années cinquante Dans la fusion thermonucléaire Dans la RMN Dans lIRM Ces grands domaines de recherche ont joué un rôle déterminant dans le développement de la supraconductivité appliquée. De nos jours 75% du marché des supraconducteurs (mondialement 2900 M)est occupé par lIRM et la RMN DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

31 Octobre 201131Journées Accélérateur de Roscoff Marché de la supraconductivité 9 juin 2011 31 IRM + RMN Instruments de physique Electrotechnique Electronique Total : 4300 MEuros (2009) http://www.conectus.org/

32 Octobre 201132Journées Accélérateur de Roscoff Fabrication des supraconducteurs

33 Octobre 201133Journées Accélérateur de RoscoffDSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL Fabrication des supraconducteurs

34 Octobre 201134Journées Accélérateur de Roscoff The LHC superconductor 7000 km of Cu/Nb-Ti cable

35 Octobre 201135Journées Accélérateur de Roscoff Conducteur IRM - RMN 28/04/2014

36 Octobre 201136Journées Accélérateur de Roscoff Le LHC au CERN - Le plus grand instrument scientifique du monde 9 juin 2011 Collisionneur p-p et ion-ion E faisceau 7 TeV Luminosité2 10 34 cm -2.s -1 Circonférence 26,7 km Champ magnétique 8,3 T Nb-Ti à 1,9 K P. Lebrun

37 Octobre 201137Journées Accélérateur de Roscoff Principaux paramètres du solénoïde CMS Champ Magnétique Central 4.0 T Champ « Maximum » sur le conducteur 4.6 T Ampères tours totaux 42-51 Mat Courant nominal 19500 A Énergie stockée 2.67 GJ Longueur magnétique 12500 mm Diamètre moyen du bobinage 6632 mm Épaisseur du bobinage 262 mm Épaisseur du cylindre support 50 mm Masse froide totale225 tonnes 28/04/2014

38 Octobre 201138Journées Accélérateur de Roscoff Refroidissement indirect CMS Solenoid LHE pipes Superconducting Coil 28/04/2014

39 Octobre 201139Journées Accélérateur de Roscoff Conducteur 20 kA, renforcé mécaniquement par un alliage daluminium de haute résistance mécanique pour tenir la pression magnétique (64 bars) Bobinage en 5 modules, de 4 couches chacun. Le conducteur est bobiné à lintérieur du mandrin Transmission entre modules de la force magnétique axiale de 12 000 t, nécessitant un très bon contact Energie stockée de 11,6 kJ/kg de masse froide Quelques challenges de laimant CMS 28/04/2014

40 Octobre 201140Journées Accélérateur de Roscoff Le conducteur CMS Cable Supraconducteur (32 brins) Stabilisant thermique: Aluminium très haute pureté: 99.998% Renfort mécanique: Alliage daluminium 6082 T5 Soudure par Faisceau délectron 28/04/2014

41 Octobre 201141Journées Accélérateur de Roscoff Août 2005 : insertion de la bobine dans lenceinte à vide 28/04/2014

42 Octobre 201142Journées Accélérateur de Roscoff Système magnétique : Toroid Barrel, Toroid End Cap, Solenoid Expérience BARREL TOROID ATLAS 28/04/2014

43 Octobre 201143Journées Accélérateur de Roscoff28/04/2014 Le toroïde : un circuit magnétique parfait

44 Octobre 201144Journées Accélérateur de Roscoff Une des huit bobines 25 m 5 m 28/04/2014

45 Octobre 201145Journées Accélérateur de Roscoff28/04/2014 Assemblage final

46 Octobre 201146Journées Accélérateur de Roscoff La supraconductivité est nécessaire pour lénergie de fusion 9 juin 2011 Tore Supra (partiellement SC) V plasma 80 m 3 P fusion ~ 16 MW t plasma ~ 30 s I plasma 5 MA B Toroïdal 3,5 T Q 0.002 JET (conv.) V plasma 25 m 3 P fusion ~ 0 t plasma ~ 400 s I plasma 1.5 MA B Toroïdal 4.2 T Q 0 V plasma 837 m 3 P fusion ~ 500 MW t plasma ~ 400 – 1000 s I plasma 15 MA B Toroïdal 5.3 T Q 10 ITER (SC) Q = P fus /P inj ~ ni Ti E

47 Octobre 201147Journées Accélérateur de Roscoff Aimant toroïdal Solénoïde Aimant poloidal Système d aimants supraconducteurs dITER 28/04/2014

48 Octobre 201148Journées Accélérateur de Roscoff SystemEnergy (GJ) Peak Field (T) Total MAT Cond length (km) Total weight (t) (strand) Toroidal Field TF 4111.816482.2 Nb 3 Sn 6540 (396) Central Solenoid 6.413.014735.6 Nb 3 Sn 974 (118) Poloidal Field PF 46.058.261.4 NbTi 2163 (224) Correction Coils CC -4.23.68.2 NbTi 85 4 Main Systems, all superconducting 28/04/2014

49 Octobre 201149Journées Accélérateur de Roscoff Brins de Nb3Sn Cu/Sc 1.1 ;. Jc 600 A/ mm2 @ 12 T and 4.2 K Courant nominal 63 000 A La densité de courant apparente est de 30 A/mm2 Refroidissement par circulation forcée dhélium supercritique Le conducteur TF dITER 28/04/2014

50 Octobre 201150Journées Accélérateur de Roscoff Conducteur ITER 28/04/2014

51 Octobre 201151Journées Accélérateur de Roscoff Les cavité accélératrices supraconductrices 28/04/2014 Pour obtenir des champs accélérateurs de lordre de 45 MV/m (presque 100 MV/m près de la surface) il faut injecter une onde radiofréquence dans la cavité. Des courants de lordre de 10 10 à 10 12 A/m 2 circulent sur la surface interne la cavité et provoquent un échauffement des parois. On ne pourrait pas obtenir de champs aussi élevés en continu avec un conducteur normal. En radiofréquence, la résistance dun supraconducteur nest pas rigoureusement nulle, mais elle reste environ 100 000 fois plus faible que celle du cuivre. Le niobium est actuellement le seul matériau supraconducteur utilisé

52 Octobre 201152Journées Accélérateur de Roscoff Premier projet : CEBAF en Virginie et MACSE 9 juin 2011 Maquette dAccélérateur à Cavités Supraconductrices pour Electrons (Saclay, 1986-1992)

53 Octobre 201153Journées Accélérateur de Roscoff9 juin 2011 LIRM, le plus grand marché de la supraconductivité 26 000 imageurs dans le monde en 2009 2500 nouveaux appareils par an Marché complètement dans les mains des industriels Imageur SIEMENS 3 T

54 Octobre 201154Journées Accélérateur de Roscoff Repousser les limites physiques: résolution spatiale, temporelle, spectrale Scanners IRM médicaux: 0,1-1,5 tesla Scanners « recherche »: 3 – 5 tesla Scanners « très haut champ » : 7 tesla et plus Aimant 3.0T (Bruker) du SHFJ LIRM demain: vers les Très Hauts Champs 1 tesla = 10 000 gauss – Champ magnétique terrestre à Paris = 0,5 gauss … Aimant 1.5T (GE) du SHF/CEA Aimant 9.4 T GE 600 mm (USA) ISEULT B0 11.7 T développé à Saclay pour Neurospin 28/04/2014

55 Octobre 201155Journées Accélérateur de Roscoff La découverte des HTS 55DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL A real breakthrough occurred on January 27, 1986, when Johannes Bednorz and Karl Alexander Müller, two researchers at the IBM Research laboratory, in Zurich, Switzerland, observed a sharp drop in the resistance of a sample of Ba-La-Cu-O compound, below a temperature of about 30 K, that was reminiscent of the normal-to-superconducting transition. Johannes Bednorz (1950- ) Karl Alexander Müller (1927- )

56 Octobre 201156Journées Accélérateur de Roscoff Cables dénergie 9 juin 2011 Congestion des réseaux urbains Passage en réseaux continus longue distance (HVDC) Interconnections de réseaux régionaux LIPA 1: 600 m (2008) Tres Amigas : 12 kA DC * 200 kV, triangle de 9.6 km

57 Octobre 201157Journées Accélérateur de Roscoff Record du monde (Bruker, 2010) TGIR RMN Très Hauts Champs de Villeurbanne RMN 1000 MHz (23,5 T) 9 juin 2011 57

58 Octobre 201158Journées Accélérateur de Roscoff Exemple de développement : Programme HFM Magnetic cross section 28/04/2014 156 turns (per pole) 36 + 36 + 42 + 42 B center = 13.0 T I 13 T = 10.5 kA B peak = 13.2 T 82.7 % load line @ 4.2 K 76.3 % load line @ 1.9 K [ 15.7 T s. s. 4.2 K 17.0 T s. s. 1.9 K ] B y /B center < 0.2 % (2/3 bore, B center > 10 T) E = 3.58 MJ/m L = 46.8 mH/m

59 Octobre 201159Journées Accélérateur de Roscoff Exemple de développement :Programme HFM 28/04/2014 iron Ti alloy potted coil Al bronze G10 steel Al alloy bladders Structure partially prestressed at warm.

60 Octobre 201160Journées Accélérateur de Roscoff Exemple de développement :HFM First bending tests 28/04/2014 A tension of 30 daN has been considered as the best compromise in terms of cable behavior. The circular end (which shows simplest geometry and saves conductor in comparison with ellipse and superellipse end options) is retained. Close up on the hard way bend zone after several turns Bending test tooling (final configuration)

61 Octobre 201161Journées Accélérateur de Roscoff9 juin 2011 La route a été longue, et lest encore! 1911 1962 2011 2019 HE-LHC 20 teslas ?

62 Octobre 201162Journées Accélérateur de Roscoff28/04/2014 Conclusion La supraconductivité basse température découverte en 1911 est parfaitement comprise par la théorie. De prodigieux développements techniques ont permis de réaliser des projets scientifiques majeurs depuis cinquante ans. Les aimants dimagerie médicale sont la retombée sociétale la plus importante de cette technologie La supraconductivité haute température a été découverte en 1986 mais ses applications pratiques sont limitées par le prix élevé du conducteur. Les développements actuels pour la fusion, pour lobtention de champs magnétiques très élevés et pour les cavités accélératrices font de la Supraconductivité un domaine de recherche exaltant et accueillant pour les jeunes générations.

63 Octobre 201163Journées Accélérateur de Roscoff Pour en savoir plus sur la découverte… Site Web Supra 2011 national créé par le Professeur Julien Bobroff du CNRS avec beaucoup danimations et un film grand public. Site Web CEA/SACM qui rassemble des documents et…. Vidéo de la reconstitution historique de la découverte qui a été présentée au SACM à Saclay le 8 avril 2011 Tous mes remerciements à, F. Kircher, P. Fazilleau, P. Védrine et J.Plouin pour les transparents Merci pour votre attention DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

64 Octobre 201164Journées Accélérateur de Roscoff Hélium superfluide 9 juin 2011 64 Découvert par P. Kapitsa en 1937 En dessous de T λ, lhélium SF présente une très faible viscosité, ce qui permet une très bonne conduction de la chaleur Diagramme des phases de lhélium

65 Octobre 201165Journées Accélérateur de Roscoff Evolution historique des aimants dipôlaires L. Rossi

66 Octobre 201166Journées Accélérateur de Roscoff Caractéristique de courant critique NbTi & Nb3Sn DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL


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