Réalisation, caractérisation et modelisation de structures supraconductrices a haute temperature critique commandees en champ magnetique PDF Download

Author: Stéphane Flament (professeur en électronique)
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Author: Mohamed Elbaa
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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.

Author: OMAR.. BELKACEMI
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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: Ahmed Mehdaoui
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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

Author: Thibault Lecrevisse
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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.

Author: Laurent-Patrick Lévy
Publisher: InterEditions
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Category : Magnetism
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Pages : 484

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Author: Patricia de Rango
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Pages : 168

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POUR OBTENIR DES DENSITES DE COURANT CRITIQUE DE TRANSPORT ELEVEES DANS LES MATERIAUX SUPRACONDUCTEURS A HAUTE T#C, IL EST NECESSAIRE D'INDUIRE UNE ORIENTATION CRISTALLOGRAPHIQUE PREFERENTIELLE. LES PRINCIPAUX PROCEDES PROPOSES A TRAVERS LA LITTERATURE REPOSENT SUR UNE CROISSANCE EN PHASE LIQUIDE, CONTROLEE PAR LES GRADIENTS THERMIQUES. NOUS AVONS DEVELOPPE UNE NOUVELLE METHODE DE TEXTURATION DE CES MATERIAUX, PAR LE CHAMP MAGNETIQUE. UN DISPOSITIF PERMETTANT D'ATTEINDRE 1200C SOUS UN CHAMP MAGNETIQUE DE 8 T A ETE REALISE. LES CRISTALLITES D'YBA#2CU#3O#7 ET D'RBA#2CU#3O#7 (R=TERRE RARE) S'ORIENTENT DANS L'ARGENT LIQUIDE A 1020C. CECI CONFIRME QUE L'ANISOTROPIE DE SUSCEPTIBILITE DANS L'ETAT PARAMAGNETIQUE EST TOUJOURS PRESENTE AU VOISINAGE DE LA TEMPERATURE DE DECOMPOSITION PERITECTIQUE. NOUS AVONS ENSUITE MONTRE QU'IL ETAIT POSSIBLE DE TEXTURER LE COMPOSE YBA#2CU#3O#7 PAR SOLIDIFICATION SOUS CHAMP MAGNETIQUE. LES FIGURES DE POLE OBTENUES PAR DIFFRACTION DE RAYONS X ET LES MESURES D'AIMANTATION CONFIRMENT L'ALIGNEMENT DE L'AXE C PARALLELEMENT AU CHAMP MAGNETIQUE. CE PROCEDE A DEJA PERMIS D'OBTENIR DES J#C ELEVEES EN FORT CHAMP MAGNETIQUE A 77 K. NOUS DECRIVONS AUSSI UNE METHODE DE TEXTURATION D'YBA#2CU#3O#7 PAR LA VOIE DES GRADIENTS THERMIQUES HORS DU CHAMP MAGNETIQUE. NOUS PRESENTONS EGALEMENT UNE METHODE DE PREPARATION DU COMPOSE BI#2SR#2CA#2CU#3O#1#0, (TC=110 K). L'ETUDE DES PROPRIETES MAGNETIQUES A PERMIS DE DETERMINER UNE LIGNE D'IRREVERSIBILITE H*(T), SEPARANT LA ZONE BAS CHAMP, BASSE TEMPERATURE, OU L'AIMANTATION EST IRREVERSIBLE, DE LA ZONE HAUT CHAMP, HAUTE TEMPERATURE, OU L'AIMANTATION EST REVERSIBLE. UN MODELE DE SUPER RESEAU CONSTITUE DE FEUILLETS ALTERNATIVEMENT SUPRACONDUCTEURS ET NORMAUX OU LA SUPRACONDUCTIVITE EST INDUITE PAR EFFET DE PROXIMITE A ETE DEVELOPPE

Author: Tara Benkel
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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.

Author: Philippe Masson
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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.

Author: Dominique Berling
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Les travaux qui font l'objet de cette thèse concernent la fabrication et la caractérisation de supraconducteurs haute température (SHTc) tant à l'état massif que sous forme de couches minces et visent à l'amélioration des courants critiques par l'optimisation de quelques paramètres de fabrication. Dans ce but l'étude a porté sur quatre systèmes, à savoir (Tr)Ba2Cu3O7-delta (Tr=Y, Er), Bi2Sr2CaCu2O8+delta, Bi2Sr2Ca2Cu3O10+delta, et Hg1Ba2Ca2Cu2O8+delta, ainsi que sur plusieurs techniques de fabrication d'échantillons massifs (frittage, fusion par zone et texturation sous champ magnétique avec contrainte uniaxiale) et de couches minces (évaporation séquentielle et ablation laser). Les caractérisations structurelles des échantillons font intervenir diverses techniques d'analyse aux rayons X(thêta-2thêta, phi scan, lambda omega , cartographie dans l'espace réciproque, fluorescence X) et microscopie à balayage. L'optimisation des paramètres de dépôts en ablation laser et un contrôle rigoureux de la température de surface du substrat permet d'obtenir des couches présentant de très bonnes épitaxies (même pour des épaisseurs importantes (750 nm)) ainsi que de très bons états de surface. Les propriétés supraconductrices ont été étudiés par susceptibilité complexe dans une gamme étendue de champs magnétiques alternatifs (hac≤32 kA m-1). Ceci a permis une détermination précise de la ligne d'irréversibilité, des énergies d'activation et l'estimation des courants critiques dans un modèle de Bean. Dans les échantillons massifs élaborés par texturation sous champ magnétique on observe de courants critiques Jc (77K) supérieurs à 104 A/cm2 et dans les couches minces Jc (77K) supérieurs à 5x107 A/cm2. L'ensemble des résultats obtenus par susceptibilité magnétique montre que le modèle de l'état critique de Müller dans la limite des champs faibles est applicable dans un domaine plus étendu dans le cas des composés de type 3D. Par contre des écarts au modèle sont observés pour les composés de la famille Bi, écarts mis en relation avec le caractère quasi 2D de ces composés