Contribution À la Conception Et Réalisation D'un Insert Supraconducteur Haute Température Critique Pour L'obtention de Champ Magnétique Intense PDF Download
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Author: Tara Benkel Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
Book Description
Recent improvements in High Temperature Superconductors (HTS) make them promising for large scale applications. They show astonishing properties, especially at very low temperature where they are able to carry high amount of current. These conductors are also built on a nickel alloy substrate allowing them to face severe mechanical stresses. For these reasons, HTS are now placed at the heart of numerous projects for building a next generation of high field magnets. This work is conducted in the NOUGAT project, which intends to design and build a 10 T HTS insert working in a 20 T background field. Despite their outstanding properties, HTS conductors show strong inhomogeneities in their performance along their length. This added to their high heat capacity can be at the origin of local hot spots. The transition to a dissipative state on this local area is then difficult to detect; because of the low speed of its propagation. The transition signal is likely to be lost in the high noise level environment, which can lead the winding to severe or irreversible damages.One way of dealing with this problem is to create coils where the electric insulation is removed and replaced by a metallic layer, the so-called Metal-as-Insulation winding technique. In this configuration and in a case of an inhomogeneity, the current bypasses through the turn-to-turn contact resistance and prevents the winding from burning. However, in such kind of winding field stability and linearity can be an issue. The slower dynamics obtained with this method prevent its use in some applications.The main focus of this work is therefore insulated coils especially the study of the transition behaviour to explore the possibility of reliable protections. In the same extend, the present work also considers safe ways to evaluate the performance of a wound sample in order for it to work with appropriate margins when at nominal operating conditions. This would decrease the need of a strong detection/protection system: the high heat capacity of the conductor makes windings unlikely to be damaged by an outside event.For practical reasons, the NOUGAT project will be built using MI technique, and therefore some MI coils results are presented in this work for comparison purpose. In a first step, the general design constrains for the NOUGAT project insert are defined, especially tape requirements and performance calculations. This underlines the necessity of characterizing the HTS conductor under high field and at low temperature, under conditions similar to the expected operation of the final insert prototype.In a second step, this experimental short sample characterization is implemented in a model to simulate the behaviour of pancake coils designed to build magnet. The aim of the model is to investigate on the transition start and propagation inside the winding. One of the main specificities is the simulation of the whole winding taking as an input the continuous critical current density measurement given by the providers at 77 K, self-field.The last axis of this work is the study of several wound samples allowing comparison between both insulated and metallic insulated windings. Their electric, magnetic, mechanic and thermal behaviours are examined as well as the coupling issues while working inside an outer magnet. Experimental results are compared to preliminary calculations and modelling results. An experimental protocol to safely evaluate coil performance margins is also proposed and tested successfully.Conclusions are then drawn about the possibility to operate safely full scale HTS magnets with present day conductor performances.
Author: Tara Benkel Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Recent improvements in High Temperature Superconductors (HTS) make them promising for large scale applications. They show astonishing properties, especially at very low temperature where they are able to carry high amount of current. These conductors are also built on a nickel alloy substrate allowing them to face severe mechanical stresses. For these reasons, HTS are now placed at the heart of numerous projects for building a next generation of high field magnets. This work is conducted in the NOUGAT project, which intends to design and build a 10 T HTS insert working in a 20 T background field. Despite their outstanding properties, HTS conductors show strong inhomogeneities in their performance along their length. This added to their high heat capacity can be at the origin of local hot spots. The transition to a dissipative state on this local area is then difficult to detect; because of the low speed of its propagation. The transition signal is likely to be lost in the high noise level environment, which can lead the winding to severe or irreversible damages.One way of dealing with this problem is to create coils where the electric insulation is removed and replaced by a metallic layer, the so-called Metal-as-Insulation winding technique. In this configuration and in a case of an inhomogeneity, the current bypasses through the turn-to-turn contact resistance and prevents the winding from burning. However, in such kind of winding field stability and linearity can be an issue. The slower dynamics obtained with this method prevent its use in some applications.The main focus of this work is therefore insulated coils especially the study of the transition behaviour to explore the possibility of reliable protections. In the same extend, the present work also considers safe ways to evaluate the performance of a wound sample in order for it to work with appropriate margins when at nominal operating conditions. This would decrease the need of a strong detection/protection system: the high heat capacity of the conductor makes windings unlikely to be damaged by an outside event.For practical reasons, the NOUGAT project will be built using MI technique, and therefore some MI coils results are presented in this work for comparison purpose. In a first step, the general design constrains for the NOUGAT project insert are defined, especially tape requirements and performance calculations. This underlines the necessity of characterizing the HTS conductor under high field and at low temperature, under conditions similar to the expected operation of the final insert prototype.In a second step, this experimental short sample characterization is implemented in a model to simulate the behaviour of pancake coils designed to build magnet. The aim of the model is to investigate on the transition start and propagation inside the winding. One of the main specificities is the simulation of the whole winding taking as an input the continuous critical current density measurement given by the providers at 77 K, self-field.The last axis of this work is the study of several wound samples allowing comparison between both insulated and metallic insulated windings. Their electric, magnetic, mechanic and thermal behaviours are examined as well as the coupling issues while working inside an outer magnet. Experimental results are compared to preliminary calculations and modelling results. An experimental protocol to safely evaluate coil performance margins is also proposed and tested successfully.Conclusions are then drawn about the possibility to operate safely full scale HTS magnets with present day conductor performances.
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L'apparition ces dernières années de supraconducteurs réalisés industriellement utilisant des composés à haute température de transition offre la possibilité de nouveaux développements en magnétisme supraconducteur. En effet ils permettent d'augmenter le champ magnétique généré en conservant une cryogénie classique à 4,2K d'une part, et ils ouvrent la voie à des développements d'aimants supraconducteurs fonctionnant entre 10 et 30K d'autre part. Les matériaux supraconducteurs à haute température critique sont alors indispensables pour dépasser les inductions magnétiques de 16 T (cas de l'insert dipolaire HTc pour le Large Hadron Collider du CERN) ou augmenter la densité spécifique d'énergie stockée dans un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, cas du projet ANR SuperSMES).Les atouts incontestables (température critique, champ magnétique critique, résistance mécanique) apportés par l'utilisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l'YBaCuO dans les aimants supraconducteurs demandent de relever quelques défis. Leur comportement est encore mal compris, surtout lors des transitions résistives. Arriver à protéger ces conducteurs requiert une réflexion nouvelle sur les systèmes de protection destinés à éviter les dégradations thermiques et mécaniques. La réponse à la question « peut-on utiliser ces matériaux de manière pérenne dans les aimants supraconducteurs ? » est incontournable.Des éléments de réponse sont donnés ici. L'utilisation des conducteurs est abordée à travers différentes études expérimentales permettant de mieux connaître le conducteur (caractérisation électrique et modélisation de la surface critique) d'une part et de définir les étapes clés de la fabrication des aimants supraconducteurs à haute température de transition (étude des jonctions entre conducteurs ou entre galettes) d'autre part. Cette étude a abouti à la réalisation de deux prototypes d'aimants ayant permis d'identifier les difficultés liées à l'utilisation des rubans d'YBaCuO. Un modèle thermoélectrique des supraconducteurs à haute température de transition est développé et un code numérique basé sur le logiciel de calcul par Eléments Finis CASTEM permet d'étudier le phénomène de transition résistive, ou quench, dans un conducteur et dans un aimant. Le code a été validé sur des essais réalisés au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble. Les résultats obtenus ont permis la définition des conducteurs pour les deux projets liés à la thèse et la validation de la protection.
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LA BUT DE CE TRAVAIL EST DE REALISER UNE INSTRUMENTATION POUR LA CARACTERISATION DES COUCHES MINCES SUPRACONDUCTRICES EN MICROONDES. LES PARAMETRES CARACTERISTIQUES SOUVENT CONSIDERES, POUR LA CONCEPTION DE CIRCUITS ELECTRONIQUES, SONT L'IMPEDANCE DE SURFACE ET LA PROFONDEUR DE PENETRATION. LA METHODE UTILISEE EST BASEE SUR UN RESONATEUR ANNULAIRE EN STRUCTURE INVERSEE POUR LAQUELLE ON MESURE LE COEFFICIENT DE QUALITE ET LA FREQUENCE DE RESONANCE. GRACE A LA PROCEDURE EXPERIMENTALE DIFFERENTS TYPES DE COUCHES (GRAVEES OU NON) PEUVENT ETRE ETUDIEES. NOUS AVONS MODELISE LA STRUCTURE AVEC LE RESONATEUR EN TENANT COMPTE DES PARAMETRES POUVANT INFLUER SUR LES MESURES, PUIS NOUS AVONS CONSTRUIT UN BANC DE MESURE CONTENANT UNE CELLULE, POUR RECEVOIR LA STRUCTURE ANNULAIRE, UN SYSTEME DE REGULATION DE TEMPERATURE ET ENFIN UNE METHODE DE CALIBRAGE DES MESURES EN BASSE TEMPERATURE. L'ENSEMBLE DES OPERATIONS DU BANC DE MESURE EST AUTOMATISE A L'AIDE DE PROGRAMMES INFORMATIQUES. DES MESURES EN FONCTION DE LA TEMPERATURE ET DU CHAMP MAGNETIQUE ONT ETE EFFECTUEES ET LES RESULTATS OBTENUS SUR L'IMPEDANCE DE SURFACE ET LA PROFONDEUR DE PENETRATION ONT PERMIS DE VALIDER L'ENSEMBLE DES OPERATIONS DECRITES PRECEDEMMENT ET AINSI DE REPONDRE AUX OBJECTIFS DE L'INSTRUMENTATION.
Author: Philippe Masson Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 167
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Lors d'un refroidissement sous champ magnétique extérieur nul, les supraconducteurs à haute température critique ont la capacité d'expulser les lignes de champ de leur volume. Nous proposons d'utiliser cette propriété pour réaliser un inducteur de machine électrique utilisant des écrans supraconducteurs pour concentrer l'induction magnétique. L'étude théorique du système nécessitant l'utilisation d'outils de calcul numérique, nous avons utilisé une modélisation coulombienne du système et nous avons développé un logiciel de calcul du champ magnétique en 3 D basé sur une méthode de Monte-Carlo à base de chaînes de Markov. Cette méthode probabiliste conduit à une erreur quantifiable de calcul que nous avons minimisé en appliquant une méthode de régularisation. Nous avons dimensionné et réalisé un inducteur modèle qui a ainsi permis de vérifier l'efficacité de la structure ainsi que les outils de calcul développés.
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Ce travail est une contribution à l'étude des propriétés de transport des supraconducteurs à haute température critique. En l'absence de champ magnétique appliqué, l'effet de la granularité sur les propriétés électriques, en corrélation avec la dimensionnalité du réseau de grains du matériau (3D ou 2D) a été mis en évidence. Dans le cas d'une céramique (réseau 3D de grains), les effets linéaires et non lineaires s'expliquent dans le cadre d'une transition de phase du second ordre. Dans le cas d'une couche mince granulaire (réseau 2D de grains), les résultats obtenus s'interprètent dans le cadre d'une transition de type topologique: transition Berezinskii, Kosterlitz et Thouless. L’étude de l'état mixte de deux familles de cuprates (Bi-2212 et Tl-2212) a mis en valeur le caractère très anisotrope et lamellaire de ces matériaux. Les résultats obtenus sur le compose Bi-2212 s'interprètent dans le cadre du modèle de reptation du flux. Dans le cas du compose Tl-2212, les caractéristiques v-i s'expliquent en terme de transition de phase solide désordonne-liquide affectant le réseau de lignes de vortex. L’étude du diagramme de phase (h, t) de ce compose montre l'existence d'un changement de comportement entre deux régimes dominés par des fluctuations thermiques de nature tridimensionnelles ou bidimensionnelles
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Ce travail de thèse est basé sur des mesures d'oscillations quantiques de l'aimantation dans les supraconducteurs à haute température critique. Ces matériaux ont été découvert en 986 par Bednorz et Müller. Ils sont caractérisés par la présence de plans CuO2 dont on peut faire varier la concentration électronique. A faible dopage, ces systèmes se comportent comme un isolant, les électrons étant localisés par une forte répulsion coulombienne. A très fort dopage, ces systèmes retrouvent un comportement de type liquide de Fermi. Entre ces deux extrêmes, un dôme supraconducteur, dont la température critique maximum correspond au dopage dit optimum, apparaît. Différentes sondes expérimentales ont révélé, du côté sous-dopé, la présence d'une phase dite \emph{pseudogap}. La physique de ces systèmes soulève plusieurs questions fondamentales: quelle est la nature de cette phase \emph{pseudogap}, quel est le mécanisme d'appariement à l'origine de la supraconductivité. Au cours de cette thèse, nous avons développé un système de mesure de l'aimantation par cantilever piezorésistif sous champ magnétique intense à très basse température. Nos mesures ont révélé la présence d'oscillations quantiques de l'aimantation des deux cotés du diagramme de phase et ce pour la première fois. Ces oscillations prouvent l'existence d'une surface de Fermi fermée et cohérente qui évolue d'une large orbite de trou du côté sur-dopé à une surface de Fermi contenant une ou plusieurs petites poches du côté sous-dopé. De plus, la présence d'un battement de ces oscillations suggère la restauration de la cohérence selon l'axe c à très basse température du côté sous-dopé du diagramme de phase. Ces différents faits expérimentaux vont dans le sens d'un état fondamental de type liquide de Fermi. Le \emph{pseudogap} marquerait alors l'apparition d'une phase ordonnée en compétition avec la supraconductivité.
Author: Ahmed Mehdaoui Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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Le travail présenté dans cette thèse a pour but de préciser le rôle des processus de fabrication, des traitements thermiques, de la morphologie et de la composition dans l'aspect final d'une transition supraconductrice telle qu'elle apparaît dans une mesure de susceptibilité. Les résultats obtenus, tant pour la partie réelle c que pour la partie imaginaire c de la susceptibilité initiale c=c’+ic’’, complétés par des données bibliographiques, ont permis de proposer un modèle phénoménologique qui autorise une comparaison de la qualité (en termes d'homogénéité) par la détermination du champ critique dynamique hc*. Le champ critique dynamique hc* permet une classification très générale, applicable non seulement aux différentes classes de supraconducteurs haute température (YBaCuO, LaBaCuO, Bi(Pb)SrCaCuO, T*, etc...), mais également aux supraconducteurs classiques basse température tels que les phases de Chevrel. Cette étude met également en évidence les contributions intragranulaires et intergranulaires dans les échantillons polycristallins, et montre une similitude de qualité entre le matériau intragrain et un monocristal : tous deux présentent les champs critiques dynamiques hc* les plus élevés. Par ailleurs, la grande dispersion de qualité des échantillons polycristallins, observée au sein même d'un type donné de composés, reflète l'influence et l'importance du processus de fabrication et du traitement thermique. En particulier, les champs critiques dynamiques les plus faibles et donc les plus grandes inhomogénéités sont toujours le fait d'échantillons obtenus par une technique de frittage. Enfin, l'étude des composés à base de bismuth confirme le comportement très particulier de ce type de céramiques supraconductrices qui présentent un ancrage des vortex (flux-pinning) extrêmement faible, voire inexistant
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L'objectif de ce travail de thèse est d'optimiser le processus d'aimantation des pastilles supraconductrices à haute température critique (SHTC) par un champ magnétique impulsionnel ou PFM (Pulsed Field Magnetization) afin de les mettre en œuvre dans des applications dans le domaine de l'électrotechnique. Dans l'étape de conception de l'inducteur nécessaire pour magnétiser ces pastilles SHTC, la modélisation et la simulation sont fortement recommandées pour effectuer les calculs nécessaires des différentes caractéristiques électriques du système d'aimantation. De ce fait, nous avons développé un modèle analytique pour étudier l'influence de la présence d'une pastille supraconductrice dans un circuit ferromagnétique sur la valeur de l'inductance d'une bobine inductrice. Il s'agit de résoudre les équations de Laplace et de Poisson dans différentes régions d'intérêt à travers le potentiel vecteur magnétique. La résolution analytique a été effectuée à l'aide d'un code de calcul développé sous MATLAB où les résultats obtenus ont été en bonne concordances avec ceux obtenus par simulation numérique sous COMSOL. L'inhomogénéité des pastilles SHTC de type YBaCuO en termes de la densité de courant critique Jc a été également étudiée. Pour cela, nous avons réalisé des expériences de l'aimantation des ces pastilles par la méthode PFM. Nous avons montré que la surface plane contenant le germe de cristallisation (seed) de ces pastilles est caractérisée par une Jc plus élevée que l'autre surface. Ainsi, nous avons étudié l'influence de la position du germe de cristallisation dans la méthode de caractérisation à deux pastilles.
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NOUS PRESENTONS DANS CETTE THESE DES ETUDES EXPERIMENTALES DU PARAMETRE D'ORDRE DU COMPOSE SUPRACONDUCTEUR A HAUTE TEMPERATURE CRITIQUE YBA 2CU 3O 7 . POUR CELA, NOUS REALISONS, PAR CO-EVAPORATION REACTIVE, LA CROISSANCE DE FILMS MINCES ORIENTES DE YBA 2CU 3O 7 , SUR LESQUELS NOUS DEFINISSONS IN-SITU DES JONCTIONS TUNNEL JOSEPHSON DE TRES BONNE QUALITE. NOUS POUVONS AINSI MESURER A LA FOIS LES CARACTERISTIQUES JOSEPHSON ET LA SPECTROSCOPIE TUNNEL SUR UNE MEME JONCTION. LES RESULTATS SELON LA DIRECTION 0,0,1 CONFIRMENT LA PRESENCE D'UN PARAMETRE D'ORDRE MAJORITAIREMENT DE SYMETRIE D X 2 Y 2, AVEC UNE PETITE COMPOSANTE S DUE A L'ORTHORHOMBICITE DU MATERIAU. LES RESULTATS SELON LES DIRECTIONS 1,0,0, ET SURTOUT 1,1,0, MONTRENT QU'IL APPARAIT, AU VOISINAGE DES SURFACES DE TYPE 1,1,0, UNE SECONDE COMPOSANTE DU PARAMETRE D'ORDRE, DEPHASEE DE /2. LE PARAMETRE D'ORDRE EST ALORS DE LA FORME D X 2 Y 2+IS OU, PLUS PROBABLEMENT, D X 2 Y 2+ID X Y. IL EXISTE DONC PRES DE CES SURFACES, UN ETAT QUI BRISE LA SYMETRIE PAR RENVERSEMENT DU TEMPS. CET ETAT, COMBINE AVEC LA PRESENCE DE VORTEX, PERMET DE RENDRE COMPTE QUANTITATIVEMENT DU COMPORTEMENT EN CHAMP MAGNETIQUE DU PIC A TENSION NULLE OBSERVE PAR SPECTROSCOPIE TUNNEL. NOUS PRESENTONS EGALEMENT UNE NOUVELLE METHODE D'ELABORATION DE JONCTIONS JOSEPHSON, PAR IRRADIATION IONIQUE.
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LA STRUCTURE LAMELLAIRE DES SUPRACONDUCTEURS A HAUTE TEMPERATURE CRITIQUE INFLUENCE LEUR REPONSE EN CHAMP MAGNETIQUE. DES MODELES THEORIQUES, TENANT COMPTE DE LA LOCALISATION DE LA SUPRACONDUCTIVITE DANS LES COUCHES ATOMIQUES CU-O#2, PREVOIENT DE NOUVEAUX PHENOMENES, COMME LE VERROUILLAGE DES LIGNES DE FLUX PARALLELEMENT AUX PLANS EN CHAMP FAIBLEMENT INCLINE, OU L'INFLUENCE DES EFFETS DE PROXIMITE SUR LE COUPLAGE DES PLANS. CETTE THESE PRESENTE UNE APPROCHE EXPERIMENTALE DE CES PHENOMENES A TRAVERS DES MESURES D'AIMANTATION LONGITUDINALE ET DE COUPLE MAGNETIQUE. UNE METHODE ORIGINALE DE MESURE DE COUPLE NOUS A PERMIS L'EXPLORATION DETAILLE DU PLAN H-T EN CHAMP FAIBLEMENT INCLINE POUR UN MONOCRISTAL LA#1#.#8#5SR#0#.#1#5CUO#4 A FAIBLE FACTEUR DEMAGNETISANT. NOS MESURES ONT MIS EN EVIDENCE L'EXISTENCE D'UN ETAT MIXTE VERRROUILLE ENTRE 19K ET 26K, INCOMPATIBLE AVEC UNE DESCRIPTION ANISOTROPE. LA DISPARITION DE CE PHENOMENE DE VERROUILLAGE (LOCK-IN) AU DESSUS DE 26K QUI CORRESPOND POUR CE COMPOSE, A LA TEMPERATURE T*, TEL QUE LA LONGUEUR DE COHERENCE PERPENDICULAIRE #C(T*) EST DE L'ORDRE DE D, LA DISTANCE ENTRE LES PLANS, NOUS FAIT SUPPOSER QU'UN CROSS-OVER DIMENSIONNEL POURRAIT EN ETRE L'ORIGINE. IL NOUS A PARU ALORS INTERESSANT D'ETUDIER LA RELATION QUI EXISTE ENTRE UN TEL CHANGEMENT DIMENSIONNEL ET DES EVENTUELLES VARIATION DE COUPLAGE VIA L'ANISOTROPIE. LES EXPERIENCES FAITES DANS UNE LARGE GAMME DE COUPLAGE (DE YBCO AVEC = 7 A HG1223 AVEC = 52) NOUS PERMETTENT DE MONTRER QUE: ? DANS AUCUN DES CAS, MEME A L'APPROCHE DE LA TRANSITION, LE ROLE DE L'EFFET DE PROXIMITE NE NOUS A PAS PARU ESSENTIEL (LE CHAMP MAGNETIQUE NE SEMBLE PAS DECOUPLER LES PLANS SUPRACONDUCTEURS COMME PREDIT PAR LES MODELES S/W/S) ? UN COMPOSE FAIBLEMENT ANISOTROPE COMME YBCO, RESTE DANS LE DOMAINE DE VALIDITE DU MODELE ANISOTROPE MEME DANS LE REGIME FLUCTUATIF ET GARDE UNE ANISOTROPIE CONSTANTE MEME AU-DELA DE LA LIGNE H#C#2(T) CHAMP MOYEN ? LES COMPOSES PLUS ANISOTROPES COMME LE HG1201 ET HG1223 SEMBLENT ETRE MIEUX DECRITS PAR DES MODELES DE PLANS COUPLES COMME CELUI DE SCHNEIDER ET QUI PREVOIENT UNE DIMINUTION DE L'ANISOTROPIE AVEC L'AUGMENTATION DE LA TEMPERATURE AU-DELA DE T*
Author: Tara Benkel
Author: Tara Benkel
Author: Thibault Lecrevisse
Author: OMAR.. BELKACEMI
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