Réalisation de bobines pour champs magnétiques supérieurs à 300 kilogauss

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Submitted on 1 Jan 1964

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Réalisation de bobines pour champs magnétiques

supérieurs à 300 kilogauss

Nicole Perrin, Bernard Perrin

To cite this version:

168 A.

RÉALISATION

DE BOBINES

POUR CHAMPS

_MAGNÉTIQUES

SUPÉRIEURS

A 300 KILOGAUSS Par NICOLE PERRIN et BERNARD

_PERRIN,

Laboratoire de

_Physique

du _Solide, Faculté des Sciences de Caen.

Résumé. 2014 Nous cherchons à

produire des _{champs magnétiques}

_pulsés

intenses dans de grands

volumes _(la durée de

_{l’impulsion}

étant voisine de la

_{milliseconde),}

en _déchargeant une batterie de condensateurs dans une bobine frettée, refroidie à la _température de l’azote _liquide. Cette bobine est _{construite par enroulement de fil de cuivre. Nous} avons obtenu des _champs de 250 000 gauss dans un volume de 10 cm3 et de 350 000 _{gauss dans} un volume de 3 cm3. Nous observons, pour des

champs élevés, la non linéarité du _{champ magnétique} en fonction de la tension de _charge des

con-densateurs. Abstraet. 2014

High

pulsed

magnetic fields are _produced in _{large volumes,} with a time duration

of about one _millisecond,

_by

_discharging a _capacitor bank in a

_hooped

coil at _{liquid nitrogen}

temperature. This coil is _{wound with copper wire. Fields of} 250 000 _{gauss and} 350 000 _gauss can be obtained in volumes of 10 cm3 and 3 cm3

_{respectively.}

For _{high magnetic} fields the field varia-tion versus _{capacitor voltage} is no

_longer

linear.

. LE JOURNAL DE PHYSIQUE SUPPLÉMENT AU N° 1t.

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 25, NOVEMBRE _1964, PAGE

1. Introduction. - Le but recherché est

l’obten-tion de

_champs

_{magnétiques pulsés}

intenses dans des volumes

_{appréciables}

₍₃

à 10

_cm3)

_pendant

des durées de l’ordre de la miniseconde.

La méthode

_employée

est

_classique

_{[1] ;}

elle

utilise la

_décharge

d’une batterie de condensateurs

aselfiques

dans une bobine. _Dans cet

_article,

nous avons insisté sur la réalisation de ces

_{bobines ;}

en

effet,

des solénoïdes de ce _genre ont été

_largement

utilisés

_jusqu’à

100

_{kilogauss ;}

pour des

champs

de 500 kGs et

_plus,

on réalise des solénoïdes en

forme

_d’hélice,

taillés dans la masse d’un

_cylindre

[1],

ou encore

formés1’ d’un

empilement

de

_disques

métalliques

et isolants. Mais il ne semble _{pas que}

l’on ait réalisé de

_simples

solénoïdes bobinés _pour

atteindre des

_champs

de 300

_kilogauss.

-2 Théorie des

_champs

_{magnétiques pulsés.}

-Nous allons

_rappeler

brièvement cette théorie

_[2],

[3].

Les condensateurs sont

_déchargés

dans une

bobine de fil de cuivre dont les cotes sont données

( fig.

1).

Si toute

_l’énergie

_emmagasinée

dans les

condensateurs était utilisée pour obtenir un

_champ

uniforme

_Ho

dans tout le volume intérieur de la

bobine

_(pas

de

_pertes

_{par effet}

_Joule,

_champ

nul à

l’extérieur

de la

_bobine),

on aurait la relation

où

_{Ho s’exprime}

en

gauss, C

en

microfarads,

V en

volts,

al et 1 en cm. En

_réalité,

le

_champ

varie

suivant l’axe de la bobine et sa valeur au centre est donnée

_{[2], [3]}

par :

où S et J sont des constantes inférieures à l’unité : S est un facteur

_qui

tient

_compte

de la non

uniformité du

_{champ ;}

il

_dépend

des

_paramètres

géométriques

de la bobine et

_peut

être déterminé

graphiquement

[2], [3]

connaissant a =

a21al

et

3

=

l /a1

Fie. 1. - Cotes de la bobine.

J est un facteur correctif

qui

fait intervenir les

pertes

par effet

Joule ;

sa valeur est donnée par une table

_{[2], [3] en}

fonction

de RT’ /L où R

et L

sont

_{respectivement}

la résistance et l’inductance

de la

_bobine,

et T’ la

_{pseudo-période}

du circuit de

décharge.

L’inductance de la bobine

peut

se mettre sous

la forme :

où X est un

_paramètre

qui

est donné

graphiquement

en fonction de ex

_{et p}

et n est le nombre de

_spires

total de la bobine. Pour déterminer la résistance

R,

on

pourrait

se servir d’un

graphique

[2] ;

cependant

169 A

il faudrait faire intervenir un facteur de

remplis-sage mal connu. Nous avons

_préféré,

soit la calculer

directement à

_partir

de la

_longueur

du fil et de la

résistivité dans les conditions de

_{l’expérience,}

soit la mesurer directement.

3. Circuit de

_{décharge. -1.}

C O N D E N SAT E U RS. -Nous utilisons une batterie de 2 000

_UF

formée de

80 condensateurs

_{pratiquement aselfiques}

et

mon-tés

en

_parallèle

_{(l’inductance}

mesurée de

_chaque

condensateur est inférieure à 6 X 10"8

_H).

L’in-ductance des connexions est

_{négligeable.}

Cette batterie

_peut

être

_chargée

sous une tension variable

connue, entre 0 et 3 kV. Elle est reliée à la bobine

par l’intermédiaire d’un

ignitron

servant

d’inter-rupteur

(fig.

2).

Cet

_ignitron

est lui-même

dé-clenché par un

_générateur

d’impulsions

à

thyra-FiG. 2. - Circuit de

décharge.

tron. Ces

_impulsions

sont commandées _{soit par} un

générateur

T. B.

_F.,

soit « _{coup par coup »}

(bascule

de _Schmitt).

2. BOBINES. - Les bobines utilisées sont de

simples

solénoïdes de fil de cuivre. Le fil de cuivre

enrobé d’une couche de

_papier

et d’une couche de

coton

_[4]

est bobiné au tour sur un _noyau

cylin-drique

de bronze dont les dimensions

correspon-dent au volume intérieur désiré de la bobine

_(ce

noyau est l’axe d’un moule

cylindrique

de

bronze).

Au cours du

bobinage,

le fil

_gainé

est enduit

d’aral-dilte

_(araldite

E et son

_durcisseur)

_qui

_imprègne

le

coton., Puis le solénoïde est

_placé

dans

le moule et

comprimé longitudinalement.

Ce dernier

_(à

l’inté-rieur

_duquel

on

_pulvérise

une solution de

_téflon,

agent

de

_démoulage)

est ensuite

_rempli

d’araldite et

placé pendant

un

_temps

_plus

ou moins

_long

dans une étuve suivant la

_température

de

polyméri-sation choisie. Une

_{charge minérale,}

en l’occurence

du

_talc,

introduite dans

_{l’araldite, augmente}

çonsi-dérablement sa résistance

mécanique,

car elle

per-met une

_{polymérisation}

à

_température

élevée. De

plus,

la

_charge

en

_augmentant

la conductivité

ther-mique

réduit la sensibilité aux chocs

thermiques :

la bobine a moins tendance à casser

_quand

on la

plonge

dans l’azote

_liquide.

La bobine étant

pré-contrainte,

la

_compression

maintenue

_après

démou-lage

lui confère une meilleure résistance aux forces

magnétiques.

Les fils de sortie de la

_bobine,

et

tout

_{particulièrement}

l’endroit où ces fils

s’échap-pent

de l’araldite

_(points

faibles

_mécaniques

et

électriques)

sont renforcés

_{soigneusement.}

En

_{fonctionnement,}

la bobine est serrée dans un

collier en bronze

(fig. 3).

Ce collier est

_coupé

élec-FIG. 3. - Collier de

frettage de la bobine.

1 : Collier en bronze.

2 : Bobine.

3 : Rondelles isolantes en bakélite.

4 : Rondelles _{métalliques.}

5 : _Tiges filetées en bronze au Be.

6 : Écrous de fixation.

triquement

pour

qu’il

ne constitue pas une

_spire

en court-circuit autour de la bobine. Le

_champ

magnétique

est mesuré avec une

_petite

_bobine,

introduite au centre du

_solénoïde,

suivie d’un cir-cuit

_{intégrateur.}

Si la constante de

_temps

du circuit

est

_grande

devant la durée de

_{l’impulsion,}

le

_champ

magnétique

H est donné _par

H en _{gauss ;} V tension

_recueillie,

en

_{volts ;}

RC :

constante de

_temps

du circuit

_{intégrateur,}

en

secondes ; A

surface d’une

_spire,

en centimètres

carrés ;

n nombre de

spires.

On

_peut

ainsi mesurer le

_champ

avec une

préci-sion meilleure _{que 5}

_%..

Résultats. - Nous _avons

opéré

quelquefois

à la

température ambiante,

mais la

_plupart

du

_temps,

nous avons fait nos mesures dans l’azote

_liquide.

Des bobines de dimensions différentes ont été

essayées

ainsi _{que différents} diamètres de fil de

cuivre

_{(10/10, 15/10, 20/10}

de

_mm).

Nous nous sommes attardés sur deux

_types

de bobines : l’une

de volume intérieur de 10 cm3

_{(no 1)}

nous a

_permis

d’obtenir 250 _{000 gauss}

_(durée

de

_{l’impulsion}

1,4

ms) ;

avec l’autre

_(no

_2),

de volume intérieur

170 A

pour la

bobine,

350 000 gauss

(durée

de

l’impul-sion

_0,8

_ms).

Quelques caractéristiques

de ces bobines sont

données dans le tableau A :

TABLEAU A

(PENTE H’Y DONNÉE POUR T = _{78 °K)}

La loi linéaire de .H en fonction de V

_{(formule 1)}

est bien vérifiée pour des

champs

pas

trop

élevés,

mais elle ne l’est

plus

_{pour les}

champs

élevés. Dans

le cas de la bobine n° _{1 par}

_exemple,

le

_champ,

à

_partir

_{de 160 000 gauss, croît moins}

_rapidement

avec la tension

_{(fig. 4).}

Cette diminution de la

pente

H/ V

est due à la

_{magnétorésistance.}

FIG. 4. - Variation du

champ

magnétique

H

en fonction de la tension de _charge V des condensateurs.

L’exploration

du

_champ

à l’intérieur de la bobine

nous a

_permis

de constater _{que le}

_champ

H était

pratiquement

uniforme dans le

_quart

du volume intérieur de la bobine et _que

_{H /HM}

était

_supérieur

à 90

_%

dans les trois

_quarts

du volume intérieur

(fin.

5),

Hm étant la valeur du

_champ

au centre.

FIG. 5. - Variation du

champ sur l’axe de la bobine

en fonction de la distance au centre d.

Nous tenons’à remercier ici MM. les Professeurs J. Bok et W. Mercouroff _pour l’aide

_qu’ils

nous

ont

_apportée

au cours de ce travail.

Manuscrit reçu le 13 mars 1964.

BIBLIOGRAPHIE

[1] FONER

_(S.)

et KOHN _(H.), Rev. Sc. Instrum., 1957, 28,

799.

[2]

CHAMPION _{(K. S.),} Proc. _Phys. Soc., 1950, B _{63, 795,} 806.

[3] STRAKHOVSKII _{(G. M.)} et KRASTSOV _{(N. V.),} Sov. _Phys.

Uspekhi,

1960, n° 2.

[4] GASKELL

(G. S.),

« Generation and use of

_pulsed