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Octobre 2011 1Journées 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

CMSCMSDouble ChoozDouble Chooz HESSHESSEdelweissEdelweiss HerschelHerschelALICEALICEDetecting radiations from the Universe.


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.



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.

Les premières découvertes

Heike Kammerling-Onnes

(1853–1926)



• 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


Octobre 2011 5Journées Accélérateur de Roscoff9 juin 2011

Résistance électriques aux très basses températures

1962

Avant 1911:

faute de résultats expérimentaux, la

situation était loin d’être claire.

Octobre 2011 6Journées Accélérateur de RoscoffDSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL


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 ».




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.



• 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



• 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.


Courant Critique, Champ critique, Température critique


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)



Pénétration du flux dans un bon conducteur


• Normal conductor• Eddy currents are induced• Decrease with time• Magnetic field penetrates


Ideal conductor ( = 0)Depends on the history, dB/dt=0


Pénétration du flux dans un conducteur idéal


SuperconductorPerfect diamagnetism, B=0


Field Expulsion in Superconductors


Two types of superconductors : Type I, Type II


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 »


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 normal Etat supraconducteur « Meissner »Etat mixte, avec des zones supraconductrices, et des zones non supraconductrices (vortex)


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.



BCS Theory


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”.


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.



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 s’imposera par sa ductilité.

1962 : Bobine de 10 teslas dans quelques cm de diamètre (Nb3Sn)


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



Aimants supras de chambres à bulles

9 juin 2011

BEBC (1972), CERN3,5T dans 35 m3, 800 MJ

BIM (1967) Saclay 4 T dans Ø 1 m


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



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.

Ic

Ic(T0)

B0 B

I0

droite de charge du bobinage B(I)

Ic(Tcs)

point de fonctionnement

caractéristique critique du conducteur


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.


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

2,6

7 m

T = 65 K T = 1 400 K

Aimant résistif en cuivre Aimant supraconducteur

1 E = 1 GJ

B = 2 T

zone normale résistive

1E = 1 GJ

B = 2 T

Pourquoi doit-on protéger un aimant supraconducteur ?

11/04/23


Décharge sur une résistance extérieure

Re

+

L I

A B

cryostat

Schéma typique de protection

11/04/23


~ JBR

• 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

11/04/23


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

Contraintes cryogéniques

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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



Marché de la supraconductivité

9 juin 2011 31

IRM + RMN

Instruments de physique

ElectrotechniqueElectronique

Total : 4300 MEuros (2009)

http://www.conectus.org/


Fabrication des supraconducteurs

Octobre 2011 33Journées Accélérateur de RoscoffDSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL

Fabrication des supraconducteurs


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


Conducteur IRM - RMN

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Le LHC au CERN - Le plus grand instrument scientifique du monde

9 juin 2011

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


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

11/04/23


Refroidissement indirect

CMS Solenoid

LHE pipes

SuperconductingCoil

11/04/23


• 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

Quelques challenges de l’aimant CMS

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Le conducteur CMS

Cable Supraconducteur

(32 brins)

Stabilisant thermique: Aluminium très haute

pureté: 99.998%

Renfort mécanique:Alliage d’aluminium 6082 T5

Soudure par Faisceau d’électron

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Août 2005 : insertion de la bobine dans l’enceinte à vide

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Système magnétique : Toroid Barrel, Toroid End Cap, Solenoid

Expérience BARREL TOROID ATLAS

11/04/23

Octobre 2011 43Journées Accélérateur de Roscoff11/04/23

Le toroïde : un circuit magnétique parfait


Une des huit bobines

25 m5 m

11/04/23


Assemblage final


La supraconductivité est nécessaire pour l’énergie de fusion

9 juin 2011

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)Q = Pfus/Pinj ~ ni Ti E


Aimant toroïdal

SolénoïdeAimant poloidal

Système d ’aimants supraconducteurs d’ITER

11/04/23


System Energy(GJ)

Peak Field (T)

Total MAT

Cond length (km)

Total weight (t)(strand)

Toroidal Field TF

41 11.8 164 82.2Nb3 Sn

6540(396)

Central Solenoid

6.4 13.0 147 35.6Nb3 Sn

974(118)

Poloidal Field PF

4 6.0 58.2 61.4NbTi

2163(224)

Correction Coils CC

- 4.2 3.6 8.2NbTi

85

4 Main Systems, all superconducting

11/04/23


• 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

Le conducteur TF d’ITER

11/04/23


Conducteur ITER

11/04/23


Les cavité accélératrices supraconductrices

11/04/23

• 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


Premier projet : CEBAF en Virginie et MACSE

9 juin 2011

Maquette d’Accélérateur à Cavités Supraconductrices pour Electrons

(Saclay, 1986-1992)


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


• 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

L’IRM 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/CEAAimant 9.4 T GE 600 mm (USA)

ISEULT B0 11.7 T

développé à Saclay pour Neurospin

11/04/23


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- )


Cables d’énergie

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


Record du monde

(Bruker, 2010)

TGIR RMN Très Hauts Champs de Villeurbanne

RMN 1000 MHz (23,5 T)

9 juin 2011 57


Exemple de développement : Programme HFM Magnetic cross section

11/04/23

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 ]

By/Bcenter < 0.2 %

(2/3 bore, Bcenter > 10 T)

E = 3.58 MJ/m

L = 46.8 mH/m


Exemple de développement :Programme HFM

11/04/23

iron

Ti alloy

potted coil

Al bronze

G10

steel

Al alloy

bladders

Structure partially prestressed at warm.


Exemple de développement :HFM First bending tests

11/04/23

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)


La route a été longue, et l’est encore!

1911

1962

2011

2019

HE-LHC

20 teslas ?


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.


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



Hélium superfluide

9 juin 2011 64

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

Diagramme des phases de l’hélium


Evolution historique des aimants dipôlaires

L. Rossi


Caractéristique de courant critique NbTi & Nb3Sn


octobre 20111journées accélérateur de roscoff dsm/irfu/sacm journées accélérateurs de roscoff...

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