Homogénéité et déformation d*aimant supraconducteur - CEA-Irfu
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DÉFORMATION MÉCANIQUE ET HOMOGÉNÉITÉ DE CHAMP MAGNÉTIQUE D’UN AIMANT SUPRACONDUCTEUR Projet Industriel de Fin d’Etude Février-Juin 2010 INTRODUCTION Imagerie par résonance magnétique (IRM) Neurospin accueillera en 2012 un imageur par résonance magnétique IRM de 11,75 teslas avec une ouverture de 90 cm de diamètre permettant le passage du corps entier d’un patient. L’aimant Iseult Déformations Les déformations lors de l’utilisation ont de nombreux impacts sur la perte d’homogénéité du champ en particulier la perte de symétrie. 2 SOMMAIRE Le CEA L’aimant ISEULT Mécanique Magnétique Résultats Géométrie Chargements Méthode de Calculs Présentation du CEA Le Projet Iseult Problématique Mécanique Magnétique Conclusion 3 LE C.E.A Plusieurs Centre en France Saclay :5000 chercheurs, plus important des centres CEA. Domaines de recherche très variés Division en plusieurs départements Direction des sciences et de la matière ( DSM) Service IRFU. CEA Saclay La recherche appliquée au nucléaire La recherche technologique La recherche fondamentale 4 PROJET ISEULT: PRÉSENTATION Projet franco-allemand. aucun industriel capable de réaliser seul cet aimant collaboration avec des industriels majeurs du secteur: Saut Guerbet, Siemens Medical Solutions et Alstom MSA. technologique pour l’imagerie moléculaire: permettront de progresser dans la connaissance du cerveau améliorant la résolution des images d’un facteur 1000. 5 PROJET ISEULT: LES DÉFIS Grande intensité de champ (intensité de 11,75 T, soit plus de 200 000 fois le champ magnétique terrestre) Grand volume utile. Stabilité temporelle: Homogénéité du champ de 0.05 ppm par heure. Confinement du champ magnétique dans la salle d’expérience (blindage actif par un second bobinage). 6 PROBLÉMATIQUE Etudier l’impact des différentes caractéristiques mécaniques des matériaux de l’aimant sur l’homogénéité du champ magnétique d’Iseult. 7 AIMANT ISEULT: GÉOMÉTRIE 8 Copyright F.Nunio AIMANT ISEULT: GÉOMÉTRIE une double galette est constituée par: le supraconducteur l’âme du conducteur l’isolant inter-tour (bleu) l’isolant inter- double galettes (vert) de canaux d’hélium (noir) Longueur de bobinage Rayon intérieur Rayon extérieur Nombres de doubles galettes Nombres de tour par galette : Copyright F.Nunio et Technical design report 3.852 m 0.5 m 0.949 170 88 9 AIMANT ISEULT: DOUBLE GALETTE 10 Copyright F.Nunio AIMANT ISEULT : CHARGEMENT Préchargement • MCW : poids de la bobine principale • CEFP : coefficient de frottement Epoxy-verre Condition thermique: α coefficient de dilatation thermique du matériau E : module de Young du matériau différence de température Chargement magnétique: Force de Lorentz Où B est le champ magnétique et j le courant de surface. 11 MÉTHODE DE CALCUL MÉCANIQUE Homogénéisation des caractéristiques mécaniques d’un élément primaire d’une double galette. Création de la géométrie de l’aimant Iseult Calculs de la déformé : Type A Ame du conducteur Brin supra Isolant inter- G11- CR tour Isolant inter G11- CR Galette Copyright F.Nunio Type B Type C1 Type C2 Type C3 Cuivre Niobium Titane (NbTi) G11-CR-ITER G11CR-ITER G11CR-ITER G11CR-ITER G11-CR G10-57% Durostone S2 Torlon 5030 - 12 MÉTHODE DE CALCUL MAGNÉTIQUE Projection en harmoniques sphériques Calculs des coefficients Zn Programme Excel Shimming: Order (Zn, Xnm,Ynm) Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 X/Y11 X/Y21 X/Y22 X/Y31 X/Y32 X/Y33 X/Y41 X/Y42 X/Y51 Expected value [ppm] +/-300 +/-70 +/-10 +/-2 +/-0.5 +/-0.1 +/-32 +/-14 +/-10 +/-4 +/-1 +/-1 +/-1 +/-0.5 +/-0.1 13 RÉSULTATS: MÉCANIQUES Facteurs ayant peu d’impacts sur les déformations de l’aimant. Le choix de la géométrie de modélisation: Sélection des caractéristiques mécaniques en fonctions de la température 4°K et 300°K. Pré-chargements 14 Copyright F.Nunio LES DIFFÉRENTES DÉFORMATIONS 5.010E-01 5.005E-01 Deformé sur Ur 5.000E-01 Préchargement 4.995E-01 FMX CHDT 4.990E-01 Réelle 4.985E-01 Chargement Situation Conditions Pré-chargement enThermique service magnétique 4.980E-01 -10 40 90 140 190 Galette 240 290 340 15 RÉSULTATS: MÉCANIQUES Ax CA Facteurs importants concernant les déformations: 4.995E-01 Distance à l'axe centrale en m Ax SC 4.996E-01 Ay CA Ay SC Az CA Contraintes les plus importantes: Az SC 4.994E-01 Contraintes thermique Forces de Lorentz 4.993E-01 Ex CA Ex SC Ey CA Ey SC 4.992E-01 Impacts des différentes caractéristiques mécaniques: Modules de Young Coefficient de dilatation thermique linéaire 4.990E-01 4.991E-01 Ez CA Ez SC Nuxy CA Nuxy SC Nuxz CA Nuxz SC 4.989E-01 Nuyz CA Nuyz SC 4.988E-01 0 50 100 150 200 Numéro de la galette 250 300 Réel 16 RÉSULTATS MAGNÉTIQUES Cas symétrique: Variations de chaque caractéristique mécanique de 15% Très peu de variations sur les Zn Ez CA 1.6 1.4 1.2 1 Z1 0.8 Disque épais 0.6 Effet Belleville 0.4 0.2 0 17 Différentes CaM RÉSULTATS MAGNÉTIQUES Cas asymétrique: 200 4.99100E-01 Pire des cas: 150 de chaque paramétres seulement sur une moitié Variation 4.99000E-01 d’aimant de – 15% Z1 Disque Epais Effet Belleville 100 Rayon intérieur 250 4.99200E-01 4.98900E-01 50 Réelle 3.3% 4.98800E-01 0 6.6% 9.9% 4.98700E-01 CaM 13.2% 16.5% Résultats: 4.98600E-01 Coefficient de dilatation thermique linéaire de SC Partie 2: 4.98500E-01Partie 1: Ex CA Caractéristique Caractéristiques nominales Nuxz CA 4.98400E-01s nominales Sauf une qui varie de -15% 0 50 100 150 200 250 Numéro de la galette 300 350 400 18 CONCLUSION Peu d’impacts sur les déformations mécaniques : De l’ordre de 3% de variation Aimant très homogène même dans le pire des cas asymétrique Défauts tous corrigeables grâce au « shimming » Choix des matériaux: attention au Module de Young normal de l’isolant Coefficient de Poisson XZ de l’isolant Coefficients de dilatation thermique linéaire 19 QUESTIONS En vous remerciant de votre attention
