oral-dael

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DSM/Irfu/SACM
Journées Accélérateurs de Roscoff
2 – 5 octobre 2011
Le Centenaire de la Supraconductivité
Antoine DAËL
Double Chooz
ALICE
DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL
Edelweiss
HESS
Journées Accélérateur de Roscoff
Herschel
CMS
Detecting radiations from the Universe.
Octobre 2011
1
Sommaire
1. La découverte du 8 avril 1911.
2. Un survol historique de la supraconductivité.
3. Des éléments conceptuels sur les aimants
supraconducteurs.
4. Exemples de grandes réalisations d’ aimants
supraconducteurs pour LHC.
5. Autres applications de la supraconductivité.
6. Perspectives.
DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
2
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)
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
3
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
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Octobre 2011
4
Résistance électriques aux très basses
températures
Avant 1911:
faute de résultats
expérimentaux, la
situation était loin d’être
claire.
1962
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
5
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Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
6
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 ».
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7
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.
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8
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
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9
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.
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10
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)
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Pénétration du flux dans un bon conducteur
• Normal conductor
• Eddy currents are induced
• Decrease with time
• Magnetic field penetrates
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12
Pénétration du flux dans un conducteur idéal
Ideal conductor (r = 0)
Depends on the history, dB/dt=0
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13
Field Expulsion in Superconductors
Superconductor
Perfect diamagnetism, B=0
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14
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 »
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Type II
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15
Les supraconducteurs de type II
Ils possèdent deux champs magnétiques
critiques, Hc1et Hc2
Les supraconducteurs de type I
Ils peuvent se trouver dans 3 états selon Tc et
Hc :
Ils ne possèdent qu’un seul champ magnétique  Etat normal
critique, Hc1

Etat supraconducteur « Meissner »

Etat mixte, avec des zones
Ils peuvent se trouver dans 2 états selon Tc et
supraconductrices, et des zones non
Hc :
supraconductrices (vortex)

Etat normal

Etat supraconducteur « Meissner
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
16
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.
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17
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”.
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18
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 eseuls). 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.
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Octobre 2011
19
Début des premières (petites) réalisations
1962 : Bobine de
10 teslas dans quelques
cm de diamètre (Nb3Sn)
9 juin 2011
•Le matériau Niobium était connu
comme ayant le plus haut champ
critique Hc1
•Les chercheurs du Bell Telephone
Laboratory 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.
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20
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
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21
Aimants supras de chambres à bulles
BIM (1967) Saclay
4 T dans Ø 1 m
9 juin 2011
BEBC (1972), CERN
3,5T dans 35 m3, 800 MJ
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Octobre 2011
22
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
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23
Notion de droite de charge
Ic
Ic(T0)
caractéristique critique du
conducteur
Ic(Tcs)
droite de charge
du bobinage B(I)
I0
point de
fonctionnement
B0
B
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.
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24
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.
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Octobre 2011
25
Pourquoi doit-on protéger un aimant
supraconducteur ?
Aimant résistif en cuivre
Aimant supraconducteur
zone normale résistive
7m
2,6
E = 1 GJ
1
1
B=2T
E = 1 GJ
B=2T
jbob = jCu x 10  épaisseur/10  Vtot = 1,9 m3
jCu = 2 A/mm2
E = 1 GJ = 109 J
Vtot =  (1,32 – 0,52)7 = 32 m3
Dissipation : E/V = 32
106

J/m3
Conversion de l’énergie électromagnétique en
chaleur dans la zone résistive
Vrés = Vtot /10  E/Vrés = 5 109 J/m3
T = 65 K

T = 1 400 K
21/04/2017
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26
Schéma typique de protection
Décharge sur une résistance extérieure
+
Re
I
L
cryostat
B
A
21/04/2017
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Contraintes mécaniques
 ~ JBR
• 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
21/04/2017
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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
21/04/2017
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29
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
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30
Marché de la supraconductivité
http://www.conectus.org/
Electrotechnique
Instruments
de physique
Electronique
IRM + RMN
Total : 4300 MEuros (2009)
9 juin 2011
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31
31
Fabrication des
supraconducteurs
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32
Fabrication des
supraconducteurs
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33
The LHC superconductor 7000 km of Cu/Nb-Ti cable
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34
Conducteur IRM - RMN
21/04/2017
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35
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
9 juin 2011
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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
21/04/2017
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37
Refroidissement indirect
LHE pipes
Superconducting
Coil
CMS Solenoid
21/04/2017
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38
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
21/04/2017
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39
Le conducteur CMS
Soudure par Faisceau
d’électron
Stabilisant thermique:
Aluminium très haute
pureté: 99.998%
21/04/2017
Cable
Supraconducteur
(32 brins)
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Renfort mécanique:
Alliage d’aluminium
6082 T5
Octobre 2011
40
Août 2005 : insertion de la bobine dans
l’enceinte à vide
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
41
Expérience BARREL TOROID ATLAS
Système magnétique : Toroid Barrel, Toroid End Cap, Solenoid
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
42
Le toroïde : un circuit magnétique parfait
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
43
Une des huit bobines
25 m
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
5m
Octobre 2011
44
Assemblage final
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
45
La supraconductivité est nécessaire pour
l’énergie de fusion
Tore Supra
(partiellement SC)
Vplasma
25 m3
Pfusion
~0
tplasma ~ 400 s
Iplasma 1.5 MA
BToroïdal 4.2 T
Q
0
9 juin 2011
Q = Pfus/Pinj ~ ni Ti E
JET (conv.)
Vplasma
80 m3
Pfusion ~ 16 MW
tplasma ~ 30 s
Iplasma 5 MA
BToroïdal 3,5 T
Q
0.002
Journées Accélérateur de Roscoff
ITER (SC)
Vplasma
837 m3
Pfusion ~ 500 MW
tplasma ~ 400 – 1000 s
Iplasma 15 MA
BToroïdal 5.3 T
Q
10
Octobre 2011
46
Système d ’aimants supraconducteurs d’ITER
Aimant toroïdal
Solénoïde
21/04/2017
Aimant poloidal
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
47
4 Main Systems, all superconducting
System
Energy
(GJ)
Peak
Field (T)
Total
MAT
Toroidal Field
TF
41
11.8
164
82.2
Nb3 Sn
6540
(396)
Central
Solenoid
6.4
13.0
147
35.6
Nb3 Sn
974
(118)
Poloidal Field
PF
4
6.0
58.2
61.4
NbTi
2163
(224)
Correction
Coils CC
-
4.2
3.6
8.2
NbTi
85
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Cond length
Total
(km)
weight (t)
(strand)
Octobre 2011
48
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
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
49
Conducteur ITER
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
50
Les cavité accélératrices supraconductrices
• Pour obtenir des champs accélérateurs de l’ordre de 45 MV/m (presque
100 MV/m près de la surface) il faut injecter une onde radiofréquence
dans la cavité. Des courants de l’ordre de 1010 à 1012 A/m2 circulent sur la
surface interne la cavité et provoquent un échauffement des parois. On ne
pourrait pas obtenir de champs aussi élevés en continu avec un
conducteur normal.
• En radiofréquence, la résistance d’un supraconducteur n’est pas
rigoureusement nulle, mais elle reste environ 100 000 fois plus faible que
celle du cuivre.
• Le niobium est actuellement le seul matériau supraconducteur utilisé
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
51
Premier projet : CEBAF en Virginie et MACSE
Maquette d’Accélérateur à Cavités Supraconductrices pour Electrons
(Saclay, 1986-1992)
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
52
L’IRM, le plus grand marché de la
supraconductivité
26 000 imageurs dans le
monde en 2009
2500 nouveaux appareils
par an
Marché complètement
dans les mains des
industriels
Imageur SIEMENS 3 T
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
53
L’IRM demain: vers les Très Hauts Champs
• Repousser les limites physiques: résolution spatiale, temporelle,
spectrale
• Scanners IRM médicaux: 0,1-1,5 tesla
• Scanners « recherche »: 3 – 5 tesla
• Scanners « très haut champ » : 7 tesla et plus
Aimant 3.0T (Bruker) du SHFJ
ISEULT B0
11.7 T
développé à
Saclay pour
Aimant 9.4 T GE 600 mm (USA) Neurospin
Aimant 1.5T (GE) du SHF/CEA
1 tesla = 10 000 gauss – Champ magnétique terrestre à Paris = 0,5 gauss …
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
54
La découverte des HTS
Johannes Bednorz
(1950)
Karl Alexander Müller
(1927- )
A real breakthrough occurred on January 27, 1986, when Johannes
Bednorz and Karl Alexander Müller, two researchers at the IBM Research
laboratory, in Zurich, Switzerland, observed a sharp drop in the
resistance of a sample of Ba-La-Cu-O compound, below a temperature of
about 30 K, that was reminiscent of the normal-to-superconducting
transition.
DSM/IRFU - SACM
55 : Antoine DAËL
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
55
Cables d’énergie
• Congestion des réseaux urbains
• Passage en réseaux continus longue
distance (HVDC)
• Interconnections de réseaux régionaux
Tres
Amigas :
12 kA DC *
200 kV,
triangle de
9.6 km
LIPA 1: 600 m (2008)
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
56
RMN 1000 MHz (23,5 T)
Record du monde
(Bruker, 2010)
TGIR RMN Très Hauts
Champs de Villeurbanne
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
57
57
Exemple de développement : Programme HFM
Magnetic cross section
156 turns (per pole)
36 + 36 + 42 + 42
Bcenter = 13.0 T
I13 T = 10.5 kA
Bpeak = 13.2 T
82.7 % load line @ 4.2 K
76.3 % load line @ 1.9 K
[ 15.7 T s. s. 4.2 K
17.0 T s. s. 1.9 K ]
DBy/Bcenter < 0.2 %
(2/3 bore, Bcenter > 10 T)
E = 3.58 MJ/m
L = 46.8 mH/m
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
58
Exemple de développement :Programme HFM
Structure partially
prestressed at warm.
potted coil
Ti alloy
iron
Al bronze
steel
G10
Al alloy
bladders
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
59
Exemple de développement :HFM First
bending tests
Close‐up on the hard‐way bend zone after several turns
Bending test tooling (final configuration)
A tension of 30 daN has been considered as the best compromise in terms of
cable behavior.
The circular end (which shows simplest geometry and saves conductor in
comparison with ellipse and superellipse end options) is retained.
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
60
La route a été longue, et l’est encore!
2019
2011
1962
HE-LHC
20 teslas ?
1911
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
61
Conclusion
• La supraconductivité basse température découverte en 1911 est
parfaitement comprise par la théorie.
• De prodigieux développements techniques ont permis de
réaliser des projets scientifiques majeurs depuis cinquante ans.
• Les aimants d’imagerie médicale sont la retombée sociétale la
plus importante de cette technologie
• La supraconductivité haute température a été découverte en
1986 mais ses applications pratiques sont limitées par le prix
élevé du conducteur.
• Les développements actuels pour la fusion , pour l’obtention de
champs magnétiques très élevés et pour les cavités
accélératrices font de la Supraconductivité un domaine de
recherche exaltant et accueillant pour les jeunes générations.
21/04/2017
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
62
Pour en savoir plus sur la découverte…
• Site Web Supra 2011 national créé par le Professeur
Julien Bobroff du CNRS avec beaucoup d’animations
et un film grand public.
• Site Web CEA/SACM qui rassemble des documents
et….
• Vidéo de la reconstitution historique de la découverte
qui a été présentée au SACM à Saclay le 8 avril
2011
• Tous mes remerciements à, F. Kircher , P. Fazilleau,
P. Védrine et J.Plouin pour les transparents
• Merci pour votre attention
DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
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Hélium superfluide
Diagramme des
phases de l’hélium
Découvert par P. Kapitsa en
1937
En dessous de Tλ, l’hélium SF
présente une très faible
viscosité, ce qui permet une
très bonne conduction de la
chaleur
9 juin 2011
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
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Evolution historique des aimants dipôlaires
L. Rossi
Journées Accélérateur de Roscoff
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Caractéristique de courant critique NbTi &
Nb3Sn
DSM/IRFU - SACM : Antoine DAËL
Journées Accélérateur de Roscoff
Octobre 2011
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