DSM/Irfu/SACM

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

2. 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.

3. 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)

4. 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

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

7. 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 ».

8. 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.

9. 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

10. 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.

11. 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)

12. Pénétration du flux dans un bon conducteur • Normal conductor • Eddy currents are induced • Decrease with time • Magnetic field penetrates

13. Pénétration du flux dans un conducteur idéal Ideal conductor (r = 0) Depends on the history, dB/dt=0

14. Field Expulsion in Superconductors Superconductor Perfect diamagnetism, B=0

15. Two types of superconductors : Type I, Type II Type I 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

16. Supraconducteurs de type I et de type II

17. 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.

18. 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”.

19. 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.

20. Début des premières (petites) réalisations • Le matériau Niobium était connu comme ayant le plus haut champ critique Hc1 • Les chercheurs du Bell TelephoneLaboratory 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)

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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.

25. 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. E = 1 GJ B = 2 T 1 Pourquoi doit-on protéger un aimant supraconducteur ? Aimant résistif en cuivre Aimant supraconducteur zone normale résistive 7 m 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

27. Schéma typique de protection Décharge sur une résistance extérieure

28. 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

29. 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. 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

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

32. Fabrication des supraconducteurs

33. Fabrication des supraconducteurs

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

35. Conducteur IRM - RMN

36. 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

37. 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

38. Refroidissement indirect LHE pipes Superconducting Coil CMS Solenoid

39. 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

40. 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)

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

42. Expérience BARREL TOROID ATLAS Système magnétique : Toroid Barrel, Toroid End Cap, Solenoid

43. Le toroïde : un circuit magnétique parfait

44. Une des huit bobines 5 m 25 m

45. Assemblage final

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

47. Système d ’aimants supraconducteurs d’ITER Aimant toroïdal Solénoïde Aimant poloidal

48. 4 Main Systems, all superconducting

49. 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

50. Conducteur ITER