Instrumentation et mesure

Les aimants super puissants sont un phénomène relativement récent. Avant le 19e siècle, les seuls aimants disponibles étaient des roches naturelles fabriquées à partir d’un minéral appelé magnétite. Cela a commencé à changer après 1819, lorsque le scientifique danois Hans Christian Ørsted a découvert que les courants électriques dans les fils métalliques créaient des champs magnétiques, mais le véritable bond en avant dans la puissance des aimants n’a eu lieu que près d’un siècle plus tard, avec la découverte de la supraconductivité. Les supraconducteurs conduisent l’électricité avec une efficacité parfaite, ce qui constitue un énorme avantage pour fabriquer des aimants puissants : les aimants supraconducteurs les plus puissants disponibles aujourd’hui dans le commerce peuvent produire un champ stable allant jusqu’à 23 T, soit plus de 2000 fois plus fort que l’aimant de votre réfrigérateur.

En décembre 2017, les améliorations apportées à la technologie des aimants supraconducteurs à basse température (LTS), ainsi que les progrès réalisés dans les matériaux supraconducteurs à haute température (HTS), ont produit un autre changement dans le développement des aimants. La démonstration réussie d’un aimant entièrement supraconducteur de 32 T par le National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) en Floride, aux États-Unis, a constitué une étape importante dans ce domaine. Le nouveau super-aimant devrait être mis à la disposition des utilisateurs en 2019, et son champ élevé et stable aidera les scientifiques à innover dans les études de la résonance magnétique nucléaire, de la résonance magnétique électronique, des solides moléculaires et des oscillations quantiques des métaux complexes, entre autres domaines. À plus long terme, la disponibilité plus large de champs magnétiques aussi puissants devrait également améliorer notre compréhension des supraconducteurs et des nanomatériaux, conduisant à de nouveaux nano-appareils et applications.

Il existe toutefois plusieurs défis associés à la conception et à la fabrication d’aimants capables de produire des champs de > 25 T. La quantité d’énergie stockée dans des systèmes de ce type est énorme, et la gestion des forces et des contraintes électromagnétiques associées à la fois à la mise sous tension de l’aimant, et au fait de lui permettre de se réchauffer et de se  » tremper  » (comme on appelle la transition du comportement supraconducteur au comportement résistif), n’est pas une tâche facile. Produire des fils et des rubans supraconducteurs et supraconducteurs de haute qualité et uniformes au mètre (et même au kilomètre) est également difficile. Le succès de la conception finale de 32 T ne s’est pas produit du jour au lendemain ; il est plutôt le fruit d’un développement intense de l’ingénierie et des matériaux pendant près d’une décennie.

Trouver le bon supraconducteur

Un aimant supraconducteur de ≥25 T comprend généralement un aimant extérieur (ou  » outsert « ) fabriqué à partir de matériaux LTS et un insert qui utilise des matériaux HTS. Dans l’aimant NHMFL de 32 T, la section outsert est constituée de trois bobines de niobium-étain (Nb3Sn) et de deux bobines de niobium-titane (NbTi), toutes fournies par Bruker-Oxford Superconducting Technology. Ensemble, ces bobines délivrent un champ de 15 T via un aimant de 250 mm de large. La section d’insertion fournit 17 T dans un alésage froid de 34 mm développé par le NHMFL en utilisant des rubans supraconducteurs HTS avancés fabriqués par Superpower Inc. Les deux sections ont été intégrées par une équipe de scientifiques du NHMFL, soutenue par une équipe de ma société, Oxford Instruments Nanoscience, qui a également développé l’insert de l’aimant et son système cryogénique.

La conception à deux composants des aimants à haut champ est nécessaire car les aimants LTS uniquement ne peuvent pas produire un champ bien supérieur à 21 T à 4,2 K (ou 23 T à 2,2 K) en raison des limites physiques des matériaux LTS. Par exemple, le NbTi a été mis au point dans les années 1970 et est depuis lors le  » cheval de bataille  » des aimants supraconducteurs. Cependant, le matériau NbTi ne peut fonctionner comme supraconducteur qu’à des champs allant jusqu’à 10 T à 4,2 K (et pas plus de 11,7 T à 2,2 K) pour les aimants dont l’alésage est étroit, inférieur à 60 mm. Pour les aimants à alésage plus large, le champ maximal est encore plus faible, ce qui limite l’utilité du matériau dans les aimants à champ élevé. Les bobines fabriquées à partir du matériau Nb3Sn peuvent rester supraconductrices jusqu’à 23 T à 2,2 K, ce qui est beaucoup plus élevé que ce qui est possible pour le NbTi, mais elles doivent également avoir une structure filamenteuse très fine pour éviter un phénomène connu sous le nom de saut de flux qui dissipe l’énergie dans le supraconducteur et peut entraîner une extinction prématurée de la bobine. Par conséquent, la fabrication du fil de Nb3Sn doit se faire avec des procédures de contrôle de qualité rigoureuses pour s’assurer qu’il fonctionnera de manière stable à des champs élevés.

Les matériaux HTS, en revanche, peuvent transporter un courant important à 4,2 K, et ils restent supraconducteurs bien au-delà des limites de champ magnétique inhérentes aux fils à base de niobium, ayant montré de bonnes performances dans des champs allant jusqu’à 45 T (qui peuvent être générés par des aimants qui incorporent des bobines résistives aussi bien que supraconductrices). Cependant, ces matériaux présentent des difficultés supplémentaires en termes de coût, de fiabilité et d’acceptation par la communauté des utilisateurs. La première génération de fils HTS était fabriquée à partir d’un supraconducteur à base de cuprate, l’oxyde de cuivre calcium strontium bismuth (Bi-2212). Ce matériau présente des performances constantes quelle que soit l’orientation du champ magnétique, mais sa fabrication exige que le matériau subisse un traitement thermique très précis dans l’oxygène, après quoi il devient extrêmement fragile et donc très sensible aux contraintes. L’aimant de 32 T du NHMFL utilise un fil HTS de deuxième génération en YBCO, une céramique supraconductrice composée d’yttrium, de baryum, de cuivre et d’oxygène. La production de fils et de bandes d’YBCO a augmenté au cours des dernières années et leurs propriétés mécaniques sont meilleures que celles du Bi-2212, mais ils présentent des effets anisotropes par rapport à l’orientation du champ qui doivent être pris en compte dans la conception de l’aimant. Ils nécessitent également des systèmes de gestion de la trempe plus sophistiqués. En bref, les deux matériaux ont leurs défis, mais aussi certains avantages, et sont de solides candidats pour les aimants à haut champ.

Gestion de l’énergie stockée et des contraintes

Pour que les supraconducteurs de l’insert et de l’outsert de l’aimant fonctionnent, les deux composants doivent être maintenus totalement immergés dans un bain d’hélium liquide à 4.2 K. Quelques μJ d’énergie supplémentaire – l’équivalent de l’énergie potentielle d’une épingle lâchée d’une hauteur de quelques centimètres seulement – suffiraient à élever la température au-dessus du point où les bobines deviennent résistives et où l’aimant subit un quench. Dans ce cas, l’hélium bout et toute l’énergie stockée dans l’aimant est libérée très rapidement, ce qui risque d’endommager sa structure si le processus de trempe n’est pas correctement géré. Le potentiel de dommages est également important : au champ maximal de 32 T, l’énergie stockée dans l’aimant NHMFL est de plus de 8,3 MJ, soit à peu près l’énergie contenue dans 2 kg de TNT.

Les aimants à haut champ jouent déjà un rôle important pour permettre la recherche et le développement scientifiques

Comment gérer la dissipation de 8,3 MJ d’énergie de manière à ne pas causer de dommages terminaux, ni à l’aimant ni aux objets qui l’entourent ? La solution est un système de gestion de la trempe qui libère l’énergie très rapidement, mais d’une manière qui évite d’endommager l’aimant par des gradients thermiques ou des tensions excessives dans la bobine. Ce système (une solution dédiée et brevetée développée par Oxford Instruments) garantit que, pendant le mode de défaillance, toutes les contraintes exercées sur les bobines et leurs tensions sont maintenues dans les limites de la conception afin d’éviter toute remise en cause excessive des performances du matériau. Par exemple, des réchauffeurs de bobines spécialement conçus sont utilisés pour rendre les bobines d’aimant résistives, ce qui disperse l’énergie de la trempe de manière uniforme et sûre, et empêche les sections de la bobine d’être endommagées par des tensions excessives localisées. En outre, la sécurité du système magnétique intégré est assurée par des capteurs qui surveillent les petites variations de température, de tension, de courant ou la position physique des fils et des bandes. Certaines de ces informations sont ensuite transmises à un processeur central, qui détermine si un événement de trempe « réel » se produit et, si nécessaire, décharge l’énergie stockée en temps opportun et en toute sécurité.

En plus de stocker de grandes quantités d’énergie, les aimants à haut champ subissent également d’énormes degrés de stress électromagnétique. Pour un aimant donné, la quantité de contraintes mécaniques augmente quadratiquement avec l’intensité du champ, et à 32 T, ces contraintes s’additionnent pour atteindre plus de 300 tonnes, avec une pression magnétique de plus de 250 MPa. Les méthodes traditionnelles de renforcement des bobines magnétiques consistent à les imprégner de cire pour créer une structure autoportante qui empêche la force de Lorentz sur la bobine de les endommager pendant le fonctionnement, ou les mouvements mécaniques entraînant une trempe répétée de la bobine. Cependant, à des champs très élevés, cela ne suffit pas. Au lieu de cela, les bobines de l’insert LTS ont été mises sous vide dans une chambre à vide spéciale, puis la chambre a été ramenée à la pression atmosphérique après l’introduction de résine époxy pour remplacer les vides d’air dans les bobines. Ce processus permet aux bobines de résister à des forces dépassant 300 tonnes.

Perspectives de découvertes

Les aimants à haut champ jouent déjà un rôle important en permettant la recherche et le développement scientifiques. De nombreuses découvertes importantes, dont plusieurs ont ensuite été honorées par des prix Nobel de physique, de chimie ou de médecine, ont été réalisées à l’aide de champs magnétiques puissants. Les aimants supraconducteurs à haut champ sont également une technologie essentielle pour les accélérateurs de particules et les collisionneurs, et ils jouent un rôle crucial dans les dispositifs de fusion tels que le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER).

À mon avis, cependant, certaines des applications futures les plus passionnantes pour des dispositifs tels que l’aimant NHMFL de 32 T peuvent être trouvées dans le domaine des nanotechnologies. Les aimants à haut champ permettront d’étudier et de manipuler les atomes et les structures moléculaires de l’ordre de 1 à 100 nm, ce qui nous aidera à comprendre comment les propriétés des matériaux à cette échelle peuvent être améliorées pour obtenir une plus grande résistance, une réactivité accrue, une meilleure fonction catalytique et une conductivité plus élevée. Associés aux basses températures, les champs élevés sont également une aide cruciale pour étudier, modifier et contrôler les nouveaux états de la matière. Les aimants supraconducteurs fournissent ces champs magnétiques élevés sans l’énorme consommation d’énergie et les grandes infrastructures requises par les aimants résistifs. Le nouvel aimant de 32 T, encore plus compact, réduira encore davantage les coûts de fonctionnement associés, rendant la recherche à haut champ magnétique accessible à un plus grand nombre de scientifiques et d’institutions.

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