3.2.1 G´en´eration des champs magn´etiques puls´es
Parmi les diff´erentes m´ethodes utilis´ees pour obtenir des champs magn´etiques delongue
dur´ee sup´erieurs `a 20 T (bobine bitter, bobine hybride), la technique du champ magn´etique puls´e se r´ev`ele ˆetre la moins coˆuteuse et la moins encombrante. Celle-ci a ´et´e invent´ee par Kapitza qui, en 1924, obtint 50 T dans une bobine de 1 mm de diam`etre, puis 35 T avec un pulse de 10 ms en 1927.
Le sch´ema de principe du g´en´erateur de champ magn´etique puls´e de Toulouse est repr´esent´e sur la figure 3.1(a). Le champ magn´etique est obtenu par la d´echarge d’un banc de condensateurs (10 cellules de 60 condensateurs) pr´ealablement charg´e sous une tension inf´erieure ou ´egale `a 24 kV. La d´ecroissance lente en fonction du temps est obtenue par la m´ethode crow-bar que nous rappelons ici sommairement.
A l’instant t=0, le banc de condensateurs charg´es sous une tension V est connect´e aux bornes de la bobine, d’inductance L et de r´esistance r, par une batterie de thyristors. Le courant croˆıt alors sinuso¨ıdalement dans le circuit jusqu’`a atteindre une valeurImaxau bout de T /4 o`u T = 2π√LC (o`u C est la capacit´e ´electrique des condensateurs) est la p´eriode propre du circuit (dans l’hypoth`ese o`u la r´esistance r de la bobine est n´egligeable). Lorsque
le courant atteint cette valeur maximum, la tension aux bornes des condensateurs s’inverse puisqu’elle est en quadrature de phase avec le courant. Les diodes de puissance, mont´ees en parall`ele avec la batterie de condensateurs, se mettent alors `a conduire et toute l’´energie magn´etique contenue dans la bobine est dissip´ee par effet Joule `a travers sa r´esistance. Le courant d´ecroˆıt alors exponentiellement avec une constante de temps τ = L/r. Le champ magn´etique est proportionnel au courant (mesur´e aux bornes de la r´esistance de quelques milliohms appel´ee shunt) et pr´esente l’allure de la figure 3.1(b). Mentionnons que le calcul est approximatif et qu’il n´eglige en particulier l’´echauffement de la bobine durant le tir. Tous les dispositifs sont doubl´es afin de permettre une utilisation dans les deux sens (champup
et champdown), la figure 3.1(a) ne repr´esentant que la moiti´e du dispositif.
La fermeture du circuit est r´ealis´ee par un ensemble de thyristors de puissance group´es en un montage s´erie parall`ele. Chaque thyristor est command´e par une impulsion de courant traversant sa gˆachette et obtenue par la d´echarge d’une petite capacit´e. Cette d´echarge est elle-mˆeme provoqu´ee par l’amor¸cage d’un petit thyristor d´eclench´e optiquement par un rayon lumineux transmis par fibre optique.
Les mesures effectu´ees au cours de cette th`ese ont ´et´e r´ealis´ees dans deux types de bobines diff´erents. Les mesures de transport ont ´et´e r´ealis´ees dans une bobine en fils de cuivre-inox (diam`etre utile `a 4.2 K : 8 mm, dur´ee du pulse : 0.15 s, ´energie : 1.2 MJ) de champ maximum utile 62 T et les mesures d’effet Nernst dans une bobine en fils de cuivre (diam`etre utile `a 4.2 K : 19 mm, dur´ee du pulse : 1.2 s, ´energie : 1.25 MJ) permettant d’atteindre 36 T. Des bobines ”nouvelle g´en´eration” Cuivre-Zylon `a densit´e de renforts optimis´es (diam`etre utile `a 4.2 K : 19 mm, dur´ee du pulse : 0.250 s, ´energie : 3.3 MJ) permettant d’atteindre commun´ement 55 T ont r´ecemment ´et´e d´evelopp´ees au laboratoire et sont par exemple utilis´ees avec un r´efrig´erateur `a dilution3He-4He.
Le laboratoire dispose de dix box de mesure avec chacun un pupitre de tir. Pendant le tir, les instruments de mesure sont aliment´es grˆace `a des g´en´erateurs autonomes (Uninterruptible Power Supply (UPS)). On contrˆole l’ordinateur d’acquisition situ´e `a l’int´erieur du box par des fibres optiques `a l’ext´erieur du box car tout lien galvanique entre ce dernier et la salle d’exp´erience est interdit.
Au cours d’un tir, la variation du champ magn´etique est mesur´ee par une bobine pickup, situ´ee `a proximit´e de l’´echantillon dont l’axe est parall`ele au champ. Une bobine pickup consiste en un enroulement de quelques spires de fils de cuivre. Le champ variant au cours du temps, une tension qui lui est proportionnelle (formule 3.1) est induite aux bornes de la bobine. Il suffit alors, connaissant le facteur g´eom´etrique S de la pickup, d’int´egrer la tension induite mesur´ee pour d´eterminer le champ (cf. formule 3.1).
Dispositif exp´erimental 0.00 0.05 0.10 0.15 0 10 20 30 40 50 60 70 B ( T ) temps (s) B max = 61.3T
Bobine
de
champ
Thyristors
de
puissance
Condensateurs
Diodes de puissance crowbar
(a)
(b)
Figure 3.1 – (a) Sch´ema de principe du g´en´erateur 14 MJ de champ magn´etique puls´e du LNCMP. (b) Profil du champ magn´etique puls´e en fonction du temps.
3.2.2 Cryog´enie
Afin d’obtenir un temps de d´ecroissance important, on augmente la constante de temps τ = L/r en plongeant la bobine dans l’azote liquide (la r´esistivit´e du cuivre constituant la bobine diminue d’un facteur 7 entre 300 K et 77 K). De plus, la limite ´elastique du cuivre augmente d’un facteur 2 `a la temp´erature de l’azote liquide, am´eliorant ainsi la tenue m´ecanique de la bobine. Le cryostat `a azote liquide est repr´esent´e sur la figure 3.2(b) dans lequel est immerg´e la bobine. Celui-ci est en inox non magn´etique, donc de bonne tenue m´ecanique. Il est ferm´e par une flasque en polycarbonate. Afin de minimiser les pertes en azote, un ´ecran thermique peut ˆetre plac´e sous le couvercle et des couches de super isolant sont plac´ees entre les deux parois en acier, entre lesquelles est maintenu un vide secondaire.
Les mesures `a basse temp´erature sont r´ealis´ees grˆace `a des cryostats `a h´elium liquide en acier inoxydable, comme illustr´e sur la figure 3.2(a). La canne de mesure prend place `a l’int´erieur de telle sorte que l’´echantillon, au bout de celle-ci, soit plac´e au centre du champ. La taille du cryostat utilis´e d´epend du type de la bobine (de son diam`etre). La queue de cryostat est constitu´ee de deux tubes tr`es fins (∼ 0.1 mm) entre lesquels est maintenu un vide secondaire.
Ces cryostats permettent de r´ealiser des mesures de la temp´erature ambiante `a∼1.5 K en pompant sur le bain d’4He. Le haut du cryostat consiste en deux r´eservoirs d’h´elium liquide, reli´es entre eux par un capillaire o`u le d´ebit de liquide peut ˆetre r´egl´e par une vanne pointeau. En ne remplissant que le r´eservoir du haut (pour assurer une puissance frigorifique) et en maintenant la vanne pointeau ferm´ee, il est possible de r´ealiser des r´egulations de temp´eratures entre l’h´elium liquide et l’azote liquide grˆace `a une r´esistance de chauffage. Celle-ci est plac´ee entre les deux parois de la queue du cryostat et consiste en un enroulement de fils de manganin, d’une r´esistance de quelques dizaines d’ohms.
réservoir du haut réservoir du bas capillaire queue de cryostat échantillon
canne de mesure cryostat 4He
cryostat azote bobine (a) (b) Paroi interne Paroi externe
Figure 3.2 – (a) Cryostat `a h´elium liquide et (b) cryostat `a azote liquide avec la bobine de champ et le cryostat `a h´elium liquide [167].
Mesures de transport sous champ magn´etique puls´e
La temp´erature est mesur´ee grˆace `a un thermom`etre (g´en´eralement du type Cernox) plac´e tr`es pr`es de l’´echantillon sur la canne de mesure. Celui-ci et la r´esistance de chauffage sont reli´es `a une r´egulation de temp´erature (Lakeshore ou N´eocera) permettant de maintenir une temp´erature constante au niveau de l’´echantillon, mais ´egalement d’effectuer des rampes en temp´eratures `a la vitesse souhait´ee.
3.2.3 Contraintes li´ees aux champs magn´etiques puls´es
Nous avons vu que les mesures sous champs puls´es permettent d’atteindre des champs magn´etiques ´elev´es mais cela entraˆıne plusieurs contraintes :
• D’apr`es laloi de Faraday, tout champ magn´etique variable cr´ee une tension induitee dans toute boucle ferm´ee perpendiculairement au champ :
e=−dφ dt =−S dB dt +B dS dt (3.1)
o`u S est l’aire de la boucle. Afin de diminuer cet effet, tous les fils de la canne de mesure sont torsad´es par paires et coll´es le long de la canne parall`element au champ.
• Les mesures thermiques doivent se faire sans porte ´echantillon m´etallique pour ne pas g´en´erer decourants de Foucault.
• L’une des contraintes majeures est que l’on ne peut pas effectuer de moyennage pour les mesures, le temps d’un pulse ´etant de quelques centaines de millisecondes. On doit avoir recours `a des filtrages analogiques et num´eriques.
• L’un des principaux probl`emes concerne les vibrations de la bobine pendant un tir. La solution consiste `a (d´e)coupler au mieux la bobine du cryostat4He.