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

Un survol historique de la supraconductivité. Sommaire La découverte du 8 avril 1911. Un survol historique de la supraconductivité. Des éléments conceptuels sur les aimants supraconducteurs. Exemples de grandes réalisations d’ aimants supraconducteurs pour LHC. Autres applications de la supraconductivité. Perspectives. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Les premières découvertes La supraconductivité a été découverte en 1911 dans un laboratoire de l’Université de Leyde aux Pays-Bas , laboratoire dirigé par le Professeur Heike Kammerling-Onnes. Heike Kammerling-Onnes (1853–1926)

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 l’hélium liquide. Plus tard il utilisa le refroidissement par l’hélium 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 jusqu’à zéro ( Dewar) Dans cet esprit Kammerling-Onnes travaillait avec du mercure qu’il arrivait à rendre très pur et qui était contenu dans des tubes capillaires DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Résistance électriques aux très basses températures Avant 1911: faute de résultats expérimentaux, la situation était loin d’être claire. 1962 9 juin 2011

DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Les premières découvertes Le 8 avril 1911, un de ses étudiants, Gilles Holst, observa que la résistance d’un fil de mercure préparé en gelant un tube capillaire rempli de mercure obtenu par distillation, disparaissait complètement lorsque l’échantillon était refroidi en dessous de 4.2 K. Après avoir soigneusement répété l’expérience plusieurs fois, H. Kammerling-Onnes conclut que le mercure était passé dans un nouvel état qu’il baptisa « supraconductivité ». DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Photo du « Cahier de Manip » de Heike Kammerling-Onnes Le même jour en fin d’après midi , l’équipe observa et consigna le passage de l’hélium à l’état suprafluide ( Tlambda 2.19K) mais sans y prêter attention. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Les premières découvertes Ces éléments furent présentés à l’Académie Royale des Pays-Bas le 28 avril 1911. Kammerling-Onnes reçut le Prix Nobel de Physique en 1913 , principalement pour la liquéfaction de l’hélium Très rapidement cette équipe a découvert d’autres matériaux supraconducteurs et en particulier le plomb et l’étain ( notez que le cuivre et l’or qui sont d’excellents 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

Courant Critique, Champ critique, Température critique 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 l’état supraconducteur à l’intérieur d’un 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

Une route longue et difficile La supraconductivité est restée un sujet de recherche fondamentale pendant environ 50 années mais un sujet très riche puisqu’elle 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 l’on voudrait leur imposer de l’extérieur. Cette propriété distingue l’état “supraconducteur” de l’état “bon conducteur et de l’état “conducteur idéal” (de résistance nulle) DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Pénétration du flux dans un bon conducteur Normal conductor Eddy currents are induced Decrease with time Magnetic field penetrates DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Pénétration du flux dans un conducteur idéal Ideal conductor (r = 0) Depends on the history, dB/dt=0 DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Field Expulsion in Superconductors Perfect diamagnetism, B=0 DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Two types of superconductors : 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. L’état intermédiaire est appelé « état mixte » Type II DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Supraconducteurs de type I et de type II Les supraconducteurs de type I  Ils ne possèdent qu’un seul champ magnétique critique, Hc1 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, Hc1et Hc2 Ils peuvent se trouver dans 3 états selon Tc et Hc : Etat supraconducteur « Meissner » Etat mixte, avec des zones supraconductrices, et des zones non supraconductrices (vortex) Supraconducteurs de type I et de type II 9 juin 2011

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 l’état 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

BCS Theory John Bardeen Leon N. Cooper J. Robert Schrieffer (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”. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Les Paires de Cooper Le phénomène de transport de charge électrique a changé de nature L’interaction entre les électrons et le réseau cristallin (phonons) crée un phénomène d’attraction électrons-électrons Formation de paires d’électrons : «paires de Cooper» qui se comportent comme des bosons (≠ fermions comme les e- seuls). Ils n’ont plus à respecter le principe de Pauli et se retrouvent tous dans le même état quantique. En se comportant à l’unisson, 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

Début des premières (petites) réalisations 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 s’imposera par sa ductilité. 1962 : Bobine de 10 teslas dans quelques cm de diamètre (Nb3Sn) 9 juin 2011

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

Aimants supras de chambres à bulles BIM (1967) Saclay 4 T dans Ø 1 m BEBC (1972), CERN 3,5T dans 35 m3, 800 MJ 9 juin 2011

Apparition expérimentale des concepts « aimants supras » La résolution des difficultés s’est 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 d’échange avec le bain d’hélium Le twist ou torsadage des filaments de Supraconducteurs L’utilisation de cables permettant la redistribution et la transposition L’étude de la transition ou quench et la mise au point des systèmes de protection DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Notion de droite de charge La droite de charge « B=k*I » représente l’augmentation du champ avec le courant .On place généralement le courant nominal entre 60% et 80% du courant critique selon la taille de l’ aimant.

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.

Pourquoi doit-on protéger un aimant supraconducteur ? Aimant résistif en cuivre Aimant supraconducteur 7 m zone normale résistive 1 E = 1 GJ B = 2 T 2,6 E = 1 GJ B = 2 T 1 jbob = jCu x 10  épaisseur/10  Vtot = 1,9 m3 E = 1 GJ = 109 J Conversion de l’énergie électromagnétique en chaleur dans la zone résistive Vrés = Vtot /10  E/Vrés = 5 109 J/m3  jCu = 2 A/mm2 Vtot =  (1,32 – 0,52)7 = 32 m3 Dissipation : E/V = 32 106 J/m3  T = 65 K T = 1 400 K 30/03/2017

Schéma typique de protection Décharge sur une résistance extérieure 30/03/2017

Contraintes mécaniques 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 Comment amener la formule du JBR ? 30/03/2017

Contraintes cryogéniques Assurer un « bon refroidissement » à la température de l’hélium Refroidissement direct dans un bain Refroidissement indirect par conduction à travers le bobinage Circulation forcée d’hélium dans le conducteur 30/03/2017

Défis et grandes familles d’applications 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 l’IRM 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 l’IRM et la RMN DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

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

Fabrication des supraconducteurs

Fabrication des supraconducteurs DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

The LHC superconductor 7000 km of Cu/Nb-Ti cable

Conducteur IRM - RMN Conducteurs en goulotte 30/03/2017

Le LHC au CERN - Le plus grand instrument scientifique du monde Collisionneur p-p et ion-ion Efaisceau 7 TeV Luminosité 2 1034 cm-2.s-1 Circonférence 26,7 km Champ magnétique 8,3 T Nb-Ti à 1,9 K P. Lebrun 9 juin 2011

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 30/03/2017

Refroidissement indirect LHE pipes Superconducting Coil CMS Solenoid 30/03/2017

Quelques challenges de l’aimant CMS Conducteur 20 kA, renforcé mécaniquement par un alliage d’aluminium de haute résistance mécanique pour tenir la pression magnétique (64 bars) Bobinage en 5 modules, de 4 couches chacun. Le conducteur est bobiné à l’intérieur 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 30/03/2017

Stabilisant thermique: Aluminium très haute pureté: 99.998% Le conducteur CMS Soudure par Faisceau d’électron Stabilisant thermique: Aluminium très haute pureté: 99.998% Renfort mécanique: Alliage d’aluminium 6082 T5 Cable Supraconducteur (32 brins) 30/03/2017

Août 2005 : insertion de la bobine dans l’enceinte à vide 30/03/2017

Expérience BARREL TOROID ATLAS Système magnétique : Toroid Barrel, Toroid End Cap, Solenoid 30/03/2017

Le toroïde : un circuit magnétique parfait 30/03/2017

Une des huit bobines 5 m 25 m 30/03/2017

Assemblage final 30/03/2017

La supraconductivité est nécessaire pour l’énergie de fusion Q = Pfus/Pinj ~ ni Ti E Tore Supra (partiellement SC) Vplasma 80 m3 Pfusion ~ 16 MW tplasma ~ 30 s Iplasma 5 MA BToroïdal 3,5 T Q 0.002 JET (conv.) Vplasma 25 m3 Pfusion ~ 0 tplasma ~ 400 s Iplasma 1.5 MA BToroïdal 4.2 T Q 0 Vplasma 837 m3 Pfusion ~ 500 MW tplasma ~ 400 – 1000 s Iplasma 15 MA BToroïdal 5.3 T Q 10 ITER (SC) 9 juin 2011

Système d ’aimants supraconducteurs d’ITER Aimant toroïdal Solénoïde Aimant poloidal 30/03/2017

4 Main Systems, all superconducting Energy (GJ) Peak Field (T) Total MAT Cond length (km) Total weight (t) (strand) Toroidal Field TF 41 11.8 164 82.2 Nb3 Sn 6540 (396) Central Solenoid 6.4 13.0 147 35.6 974 (118) Poloidal Field PF 4 6.0 58.2 61.4 NbTi 2163 (224) Correction Coils CC - 4.2 3.6 8.2 85 30/03/2017

Le conducteur TF d’ITER 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 d’hélium supercritique 30/03/2017

Conducteur ITER 30/03/2017

Les cavité accélératrices supraconductrices Pour obtenir des champs accélérateurs de l’ordre de 45 MV/m (presque 100 MV/m près de la surface) il faut injecter une onde radiofréquence dans la cavité. Des courants de l’ordre de 1010 à 1012 A/m2 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 d’un supraconducteur n’est 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 30/03/2017

Premier projet : CEBAF en Virginie et MACSE Maquette d’Accélérateur à Cavités Supraconductrices pour Electrons (Saclay, 1986-1992) 9 juin 2011

L’IRM, 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 9 juin 2011

L’IRM demain: vers les Très Hauts Champs 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 ISEULT B0 11.7 T développé à Saclay pour Neurospin 9,4 T à Chicago ? Aimant 9.4 T GE 600 mm (USA) Aimant 1.5T (GE) du SHF/CEA 1 tesla = 10 000 gauss – Champ magnétique terrestre à Paris = 0,5 gauss … 30/03/2017

La découverte des HTS Johannes Bednorz Karl Alexander Müller (1950- ) (1950- ) Karl Alexander Müller (1927- ) 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. DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Cables d’énergie Congestion des réseaux urbains Passage en réseaux continus longue distance (HVDC) Interconnections de réseaux régionaux Tres Amigas : 12 kA DC * 200 kV, triangle de 9.6 km LIPA 1: 600 m (2008) 9 juin 2011

TGIR RMN Très Hauts Champs de Villeurbanne RMN 1000 MHz (23,5 T) Record du monde (Bruker, 2010) TGIR RMN Très Hauts Champs de Villeurbanne 9 juin 2011

Exemple de développement : Programme HFM Magnetic cross section 156 turns (per pole) 36 + 36 + 42 + 42 Bcenter = 13.0 T I13 T = 10.5 kA Bpeak = 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 ] DBy/Bcenter < 0.2 % (2/3 bore, Bcenter > 10 T) E = 3.58 MJ/m L = 46.8 mH/m 30/03/2017

Exemple de développement :Programme HFM Structure partially prestressed at warm. iron Ti alloy potted coil Al bronze G10 steel Al alloy bladders 30/03/2017

Exemple de développement :HFM First bending tests Close‐up on the hard‐way bend zone after several turns Bending test tooling (final configuration) 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. 30/03/2017

La route a été longue, et l’est encore! 2019 2011 HE-LHC 20 teslas ? 1962 1911 9 juin 2011

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 d’imagerie 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 l’obtention 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. 30/03/2017

Pour en savoir plus sur la découverte… Site Web Supra 2011 national créé par le Professeur Julien Bobroff du CNRS avec beaucoup d’animations 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

Diagramme des phases de l’hélium Hélium superfluide Diagramme des phases de l’hélium Découvert par P. Kapitsa en 1937 En dessous de Tλ, l’hélium SF présente une très faible viscosité, ce qui permet une très bonne conduction de la chaleur 9 juin 2011

Evolution historique des aimants dipôlaires L. Rossi

Caractéristique de courant critique NbTi & Nb3Sn DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL