Добірка наукової літератури з теми "Supraconducteurs massifs"

Ce travail a ete consacre a la texturation, par solidification sous champ magnetique et forgeage, de massifs supraconducteurs bi2212 avec ajout de mgo dans le but d'obtenir de fortes densites de courant critique jc. La texturation de massifs bi2212, obtenue par orientation preferentielle de l'axe c selon la direction du champ magnetique applique lors de la solidification, a tout d'abord ete demontree par des caracterisations microstructurales et supraconductrices. Ce procede a ete ameliore par ajout de poudre mgo a la poudre initiale : celui-ci apporte une tenue mecanique au materiau a haute temperature. Cet ajout augmente le degre de texturation induit par le champ magnetique, ameliore la connexion entre plaquettes, reduit le taux volumique des phases residuelles, et induit la presence d'inclusions submicroniques riches en mgo au sein de la matrice. Ces observations ont permis d'expliquer la nette amelioration des proprietes supraconductrices obtenues par ajout de mgo, en particulier : une meilleure tenue sous champ magnetique du jc, une augmentation d'un facteur 2. 5 du jc a 77 k, et un doublement des champs d'irreversibilite. Une etude par diffraction des neutrons a montre le fort degre de texture present dans tout le volume des echantillons. L'association du forgeage a la solidification sous champ magnetique des massifs bi2212/mgo ameliore cette texture. L'application d'une contrainte uniaxiale a chaud apres la solidification sous champ a permis d'augmenter le jc et les champs d'irreversibilite des massifs bi2212/mgo textures. Par une etude des recuits sous atmosphere controlee de ces massifs bi2212/mgo textures, un jc superieur a 1900 a/cm#2 a 77 k a ete atteint. L'ajout de mgo et la texturation par solidification sous champ magnetique suivie d'un forgeage ont permis d'obtenir des massifs bi2212 textures dont les jc a basses temperatures atteignent les valeurs observees dans les rubans et les multifilamentaires : 165 ka/cm#2 a 4 k.

L'oxyde supraconducteur à haute Tc (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi2223) a été synthétisé par voie sol-gel. Les conditions de calcination et de frittage ont été optimisées afin d'obtenir la phase Bi2223 avec une pureté voisine de 94%. Cette poudre a été mise sous forme de céramiques texturées par frittage-forgeage sous air. Le cycle de forgeage a été optimisé de manière à synthétiser des disques hautement texturés et d'une grande pureté. Des barreaux extraits de ces disques ont été caractérisés en transport. Les meilleures densités de courant critique (Jc) obtenues sont de l'ordre de 10000 A/cm2 (0 T, 77 K) et rejoignent les valeurs maximales présentes à ce jour dans la littérature. Une nouvelle voie de synthèse, consistant à texturer des pastilles composées de la phase Bi2212 et de phases secondaires, a été entreprise. Le contrôle de la taille de particules (⊕<63µm) et des paramètres de frittage-forgeage (845°C/100h) a permis d'atteindre des Jc de l'ordre de 12500 A/cm2. Le broyage planétaire de la poudre sol-gel brûlée s'est avéré précieux pour augmenter sa réactivité et dans le même temps le taux de phase Bi2223 à l'issue du frittage-forgeage. La grande quantité de phase liquide produite pendant la texturation a permis d'améliorer la qualité de la texture via un meilleur alignement des grains et ainsi d'accroître fortement les densités de courant critiques (20000 A/cm2). Par ailleurs, l'empilement de plusieurs disques est possible et rapide, et aboutit à une céramique massive avec des densités de courant critique quasiment identiques à celles obtenues sur un seul disque. L'analyse combinée texture/structure/microstructure traitée via le programme MAUD s'est révélée être d'une grande efficacité pour caractériser nos échantillons. Grâce à la diffraction neutronique, une relation directe entre le taux de phase Bi2223, les paramètres de maille, la taille des cristallites, la densité de distribution maximale et la densité de courant critique a été établie.

L'oxyde supraconducteur à haute Tc (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi2223) a été synthétisé par voie sol-gel. Les conditions de calcination et de frittage ont été optimisées afin d'obtenir la phase Bi2223 avec une pureté voisine de 94%. Cette poudre a été mise sous forme de céramiques texturées par frittage-forgeage sous air. Le cycle de forgeage a été optimisé de manière à synthétiser des disques hautement texturés et d'une grande pureté. Des barreaux extraits de ces disques ont été caractérisés en transport. Les meilleures densités de courant critique (Jc) obtenues sont de l'ordre de 10000 A/cm2 (O T, 77 K) et rejoignent les valeurs maximales présentes à ce jour dans la littérature. Une nouvelle voie de synthèse, consistant à texturer des pastilles composées de la phase Bi2212 et de phases secondaires, a été entreprise. Le contrôle de la taille de particules ( <63æm) et des paramètres de frittage-forgeage (845ʿC/100h) a permis d'atteindre des Jc de l'ordre de 12500 A/cm2. Le broyage planétaire de la poudre sol-gel brûlée s'est avéré précieux pour augmenter sa réactivité et dans le même temps le taux de phase Bi2223 à l'issue du frittage-forgeage. La grande quantité de phase liquide produite pendant la texturation a permis d'améliorer la qualité de la texture via un meilleur alignement des grains et ainsi d'accroître fortement les densités de courant critiques (20000 A/cm2). Par ailleurs, l'empilement de plusieurs disques est possible et rapide, et aboutit à une céramique massive avec des densités de courant critique quasiment identiques à celles obtenues sur un seul disque. L'analyse combinée texture/structure/microstructure traitée via le programme MAUD s'est révélée être d'une grande efficacité pour caractériser nos échantillons. Grâce à la diffraction neutronique, une relation directe entre le taux de phase Bi2223, les paramètres de maille, la taille des cristallites, la densité de distribution maximale et la densité de courant critique a été établie.

Ce travail a été consacré à la réalisation et l'utilisation d'un dispositif d'imagerie Magnéto-Optique (MO) pour l'étude des matériaux supraconducteurs. La principale originalité de ce dispositif est de permettre des mesures sous courant de transport (30A), sous champ magnétique (jusqu'à 100mT), et/ou sous contrainte axiale (80kg maximum).
Les études MO ont notamment porté sur les matériaux supraconducteurs à haute température critique élaborés ou étudiés au CNRS-CRETA et laboratoire de Cristallographie. En particulier, un dispositif de texturation par défilement sous champ magnétique de rubans multifilamentaires de Bi2212 a été mis au point. Connaître précisément les conditions de texturation pour chaque échantillon permet en effet de mieux interpréter les données issues des caractérisations, et notamment les images MO. Nous avons pu mettre en évidence par des obervations MO que la texturation sous champ magnétique améliore le piégeage et la texture des filaments, notamment ceux situés au centre des rubans. Par ailleurs le courant critique mesuré à 4,2K est augmenté de 30 à 40\% grâce à la texturation sous champ magnétique.
Dans les massifs YBCO, nous avons mis en évidence grâce aux images MO que l'adaptation du taux d'oxygène dans l'atmosphère du four lors des phases de montée et descente en température est cruciale pour l'obtention d'un dopage homogène en oxygène. L'étude effectuée grâce à l'imagerie MO a par ailleurs révélé que le perçage d'un réseau de trous permet une amélioration significative de la qualité de la texture et de la densité locale de courant critique.
Les Coated Conductors fournis par Theva$^{\copyright}$ ont également fait l'objet d'études MO. Des défauts spécifiques, en forme d'étoiles et dus à la délamination de la couche tampon de MgO ont pu être observés. Les observations MO sous contrainte axiale in situ ont révélé que le courant critique était limité par l'apparition de bandes de contraction (Lüders Bands) dans le substrat, induisant des fissures dans les couches tampon et supraconductrice. Ces fissures ont été observées pour la première fois en MO au cours de cette thèse. L'imagerie MO a également permis de mettre en évidence la présence de fissures horizontales dues à la compression latérale de la couche MgO.
Enfin des mesures en courant de transport de films minces ont été effectuées en parallèle avec des observations MO. Il apparaît que les défauts créés artificiellement par lithographie n'entraînent pas une différence mesurable sur la densité de courant critique (bien que la densité de courant locale dépasse le Jc), mais plutôt une augmentation de la résistivité de flux flow ou de flux creep. Ce travail a été consacré à la réalisation et l'utilisation d'un dispositif d'imagerie Magnéto-Optique (MO) pour l'étude des matériaux supraconducteurs. La principale originalité de ce dispositif est de permettre des mesures sous courant de transport (30A), sous champ magnétique (jusqu'à 100mT), et/ou sous contrainte axiale (80kg maximum).
Les études MO ont notamment porté sur les matériaux supraconducteurs à haute température critique élaborés ou étudiés au CNRS-CRETA et laboratoire de Cristallographie. En particulier, un dispositif de texturation par défilement sous champ magnétique de rubans multifilamentaires de Bi2212 a été mis au point. Connaître précisément les conditions de texturation pour chaque échantillon permet en effet de mieux interpréter les données issues des caractérisations, et notamment les images MO. Nous avons pu mettre en évidence par des obervations MO que la texturation sous champ magnétique améliore le piégeage et la texture des filaments, notamment ceux situés au centre des rubans. Par ailleurs le courant critique mesuré à 4,2K est augmenté de 30 à 40\% grâce à la texturation sous champ magnétique.
Dans les massifs YBCO, nous avons mis en évidence grâce aux images MO que l'adaptation du taux d'oxygène dans l'atmosphère du four lors des phases de montée et descente en température est cruciale pour l'obtention d'un dopage homogène en oxygène. L'étude effectuée grâce à l'imagerie MO a par ailleurs révélé que le perçage d'un réseau de trous permet une amélioration significative de la qualité de la texture et de la densité locale de courant critique.
Les Coated Conductors fournis par Theva$^{\copyright}$ ont également fait l'objet d'études MO. Des défauts spécifiques, en forme d'étoiles et dus à la délamination de la couche tampon de MgO ont pu être observés. Les observations MO sous contrainte axiale in situ ont révélé que le courant critique était limité par l'apparition de bandes de contraction (Lüders Bands) dans le substrat, induisant des fissures dans les couches tampon et supraconductrice. Ces fissures ont été observées pour la première fois en MO au cours de cette thèse. L'imagerie MO a également permis de mettre en évidence la présence de fissures horizontales dues à la compression latérale de la couche MgO.
Enfin des mesures en courant de transport de films minces ont été effectuées en parallèle avec des observations MO. Il apparaît que les défauts créés artificiellement par lithographie n'entraînent pas une différence mesurable sur la densité de courant critique (bien que la densité de courant locale dépasse le Jc), mais plutôt une augmentation de la résistivité de flux flow ou de flux creep.

Aujourd’hui, les supraconducteurs trouvent de nombreuses applications, par exemple dans les câbles, les moteurs, les alternateurs ou la génération de champ magnétiques intenses. Les supraconducteurs sont disponibles sous forme de rubans, de fils ou de matériaux massifs. Le processus d'aimantation des supraconducteurs permet d'obtenir des supraconducteurs massifs avec un champ magnétique piégé de bien plus grande valeur que les aimants classiques à base de fer. Une aimantation correcte est la clé d'un champ magnétique piège très fort. Les travaux développés dans cette thèse concernent la modélisation en 2D et 3D, la conception et la réalisation d’un inducteur pour aimanter un ensemble de pastilles supraconductrices. D'une manière générale, il existe trois techniques d'aimantation des supraconducteurs : Zero Field Cooling (ZFC), Field Cooling (FC) et Pulsed Field Magnetization (PFM). Nous nous concentrons sur la PFM car c’est une solution plus compacte et moins onéreuse comparée aux autres techniques. Le procédé d’aimantation évoqué et tous les phénomènes qui en découlent ont été résolus en se basant sur la méthode des éléments finis (MEF) et à l’aide de différentes formulations. Dans ce travail, nous avons étudié et comparé en 2D et 3D la formulation en A, la formulation en H ainsi qu’une une formulation A – H en couplant les différentes variables sur les frontières des matériaux. La comparaison effectuée a montré les avantages de la formulation A – H dans la modélisation des problèmes liés aux supraconducteurs. En effet, dans certains cas, nous avons montré que l'utilisation de la formulation A – H permet de réduire le temps de simulation. Le modèle développé à partir de cette formulation constitue donc un outil intéressant pour de futurs travaux de dimensionnement et le développement d’applications des supraconducteurs au GREEN. Nous avons également dimensionné et étudié numériquement un modèle complet d’inducteur permettant d’aimanter un ou plusieurs supraconducteurs simultanément. Nous étudions deux configurations : le prototype I pour aimanter un seul supraconducteur (problème 2D) et le prototype II pour aimanter trois supraconducteurs (problème 3D). Ces deux configurations sont résolues en considérant les phénomènes électromagnétiques et thermiques ainsi que le couplage avec les équations du circuit alimentant l’inducteur. Les simulations ont montré que l’élévation de température dans le supraconducteur d’une dizaine de Kelvin générée lors de l’aimantation par PFM affectait le champ magnétique piégé. Il a été observé que la présence d’une ou plusieurs pastilles supraconductrices n’influençait pas l'impulsion de courant dans l’inducteur. Le champ piégé maximal obtenu numériquement pour le prototype I était de 706 mT et de 736 mT pour le prototype II. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux résultats de la simulation. Cependant, certains supraconducteurs présentaient une forte inhomogénéité de leurs propriétés ce qui a eu pour conséquence de réduire le champ magnétique piégé observé expérimentalement. Des hypothèses ont été faites pour tenter de reproduire numériquement ces inhomogénéités et leurs effets. Néanmoins, ce calcul numérique ne peut se faire que par une modélisation 3D sans utilisation possible de symétries, et conduit à un de temps de calcul pouvant aller jusqu’à plusieurs jours. L'expérimentation avec des prototypes a permis d'obtenir un champ magnétique piégé maximal de 686 mT lors de l’aimantation d’une pastille, tandis qu’il était de 606 mT lorsque plusieurs pastilles ont été aimantées simultanément. Un abaissement de la température par l’utilisation d’un autre fluide cryogénique comme l’hydrogène liquide ou d’un autre système de refroidissement permettrait d’augmenter cette valeur de champ magnétique piégé à des valeurs beaucoup plus intéressantes pour les applications visées en génie électrique
Today, superconductors are used in many applications, for example in cables, motors, alternators or for the generation of strong magnetic fields. Superconductors are available as tapes, wires or bulk materials. The process of magnetising superconductors results in bulk superconductors with a much higher trapped magnetic field than conventional permanent magnets. Proper magnetisation is the key to a very strong trapped magnetic field. The work developed in this thesis concerns the 2D and 3D modelling, design and realisation of an inductor to magnetise a set of superconducting pellets. Generally speaking, there are three techniques for magnetising superconductors: Zero Field Cooling (ZFC), Field Cooling (FC) and Pulsed Field Magnetization (PFM). We focus on PFM because it is a more compact and less expensive solution compared to the other techniques. The mentioned magnetisation process and all the phenomena involved have been solved based on the Finite Element Method (FEM) and using different formulations. In this work, we studied and compared in 2D and 3D the A-formulation, the H-formulation and an A-H formulation by coupling the different variables on the material boundaries. The comparison showed the advantages of the A-H formulation in modelling superconducting problems. Indeed, in some cases, we have shown that the use of the A-H formulation allows to reduce the simulation time. The model developed from this formulation is therefore an interesting tool for future dimensioning work and the development of superconductor applications at GREEN laboratory. We have also dimensioned and numerically studied a complete inductor model allowing one or more superconductors to be magnetised simultaneously. We study two configurations: prototype I for magnetising a single superconductor (2D problem) and prototype II for magnetising three superconductors (3D problem). Both configurations are solved by considering the electromagnetic and thermal phenomena as well as the coupling with the circuit equations feeding the inductor. The simulations showed that the temperature rise in the superconductor of about 10 Kelvin generated during the PFM magnetisation affected the trapped magnetic field. It was observed that the presence of one or more superconducting bulks did not affect the current pulse in the inductor. The maximum trapped field obtained numerically for prototype I was 706 mT and 736 mT for prototype II. The results obtained were then compared with the simulation results. However, some of the superconductors exhibited strong inhomogeneity in their properties, which resulted in a reduction in the experimentally observed trapped magnetic field. Hypotheses were made to try to reproduce numerically these inhomogeneities and their effects. However, this numerical calculation can only be done by 3D modelling without the possibility of using symmetries, and leads to a calculation time of up to several days. Experimentation with prototypes resulted in a maximum trapped magnetic field of 686 mT when one pellet was magnetised, while it was 606 mT when several pellets were magnetised simultaneously. Lowering the temperature by using another cryogenic fluid such as liquid hydrogen or another cooling system would increase this trapped magnetic field value to much higher values for the targeted electrical engineering applications

Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Metz : 2009. Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Northeastern University : 2009.
Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliographiques. Index.

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 3D 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.

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
After a zero magnetic field cooling, high temperature superconductors are able to expel the flux lines out of their volume. We propose to use this property to make an inductor for electrical motors using superconducting shields to concentrate the flux density. As the theoretical study of this system requires the use of numerical calculation, we have developed a 3D magnetic field calculation tool based on a Markov chain Monte-Carlo method. This probabilistic method leads to a quantifiable error of calculation that we have minimized by using a signal regularization method. We have made the design of an inductor and have realized it. Thus, we have verified the efficiency of the structure and the efficiency of the calculation tools developed

Des matériaux supraconducteurs sont d'ores et déjà utilisés pour diverses applications technologiques comme les IRM, les accélérateurs de particules, les TOKAMAKs ou les câbles supraconducteurs. Avec ceci, de nouveaux projets sont en cours de développement comme des moteurs électriques supraconducteurs ou des écrans magnétiques ce qui peut nécessiter l'utilisation de massifs supraconducteurs comme aimant permanent ou écran magnétique. Dans cette optique, cette thèse est centrée sur la synthèse, la caractérisation et la comparaison de différents supraconducteurs massifs tels que les supraconducteurs à base de Fer ou d'oxydes de cuivre. Les synthèses par four ou par frittage flash ont été utilisés pour synthétiser des supraconducteurs en Fer-Sélénium pour optimiser leurs propriétés et la pureté de la phase supraconductrice. La caractérisation des propriétés supraconductrices et cristallographiques a été réalisés sur les matériaux synthétisés mais également sur d'autres matériaux comme les supraconducteurs REBaCuO (Terra rare, Baryum et oxyde de Cuivre). Différentes méthodes de caractérisation sont présentées dans ce manuscrit comme la magnétométrie à l'aide d'un MPMS-SQUID (Magnetic Property Measurement System, Superconducting Quantum Interference Device), de la cartographie de champs piégés, de la diffraction de rayon X ou bien de la microscopie optique ou à balayage électronique. J'ai également eu l'occasion de faire de la magnétométrie par cantilever sous de fort champs magnétiques allant jusqu'à 33 T sur des supraconducteurs YBaCuO fabriqué par infiltration. Une comparaison des propriétés mesurées avec d'autres matériaux supraconducteurs plus développés a été fait pour déterminer la maturité de cette technologie et sa compétitivité sur les applications potentielles en génie électrique
Superconducting materials have already been used in my applications such as MRI, particle accelerators TOKAMAKS or superconducting cables. With this, new projects are under development, such as superconducting electrical motors or magnetic shielding which could involve superconducting bulks as permanent magnets or magnetic shields. In this way, this Ph.D. is focused on the synthesis, characterization and comparison of the different superconducting bulks such as Iron-based or cuprates. Classic furnace sintering and Spark Plasma Sintering processes have been used on Iron-Selenide superconductors to optimize their superconducting properties and phase purity. Characterizations of the superconducting and material properties of the synthesized superconductors have been carried out as well as on other materials like REBaCuO (Rare Earth, Barium, Copper oxide) superconductors. Different characterization techniques are presented like magnetometry with a MPMS-SQUID (Magnetic Property Measurement System, Superconducting Quantum Interference Device), trapped field cartography, X-ray diffraction and Scanning electron or optical microscopy. I also had the occasion to characterize the superconducting properties of Infiltration Growth YBaCuO bulks using cantilever magnetometry with magnetic fields up to 33 T. With this, a comparison of the measured properties with other superconducting materials is done to determine the readiness of those materials concerning electrical engineering and their competitiveness compared to other well-developed materials such as Melt Growth YBaCUO bulks

Nous decrivons la conception d'une enceinte a vide, dotee de plusieurs equipements originaux, pour le depot in situ de couches minces d'oxydes supraconducteurs par ablation laser. Nous apportons une reponse a de nombreux problemes technologiques, comme ceux lies au recuit sous haute temperature en atmosphere fortement oxydante (plasma micro-onde multipolaire). L'emploi de 2 lasers, yag (3 frequences) et excimere, pour la pulverisation de cibles de y#1ba#2cu#3o#6#+#x, met en evidence l'influence de la longueur d'onde sur la presence de gouttelettes liquides dans le panache d'ablation, et le caractere nefaste de l'infrarouge. Une spectroscopie de leur vitesse montre la possibilite de les eliminer definitivement, via un filtre mecanique. Par la realisation d'une etude systematique, nous evoluons progressivement de la realisation ex situ d'echantillons, textures monophases et polycristallins, au depot in situ de couches, sur substrats srtio#3 et mgo. Sans artifices, nous obtenons a 248 nm (krf*) des films libres a 99. 5% de leur surface de tout nodule. Finalement, nous parvenons a un protocole d'elaboration d'echantillons, dont les qualites structurales et supraconductrices ouvrent la porte a la croissance future de multicouches. Le deuxieme volet de ce travail porte sur la comparaison du comportement de ceramiques massives supraconductrices parentes, la#2cuo#4#+#y et la#2cu(o-f)#4#+#y. La premiere presente en sus un ordre magnetique en dessous de t#n=250 k, provenant vraisemblablement d'une coexistence de deux phases dans le meme echantillon. Nous decrivons le comportement de sa temperature supraconductrice sous pression, qui presente un maximum vers 40 kbar, selon le modele de cyrot. Celui-ci invoque l'augmentation de trous dans le systeme. Cependant, la disparition correlee de l'antiferromagnetisme ouvre l'alternative a une simple influence de t#n sur la supraconductivite