Champs statiques

L’une des principales caractéristiques de l’aimant hybride LNCMI-Grenoble (Fig. 2) est sa modularité en termes de champ magnétique et de flux, comme le résume le tableau 1. Il s’ouvre ainsi à une large communauté d’utilisateurs et permet de développer des thèmes scientifiques au LNCMI, tels que la recherche de matière noire axionique [7] ou la magnétohydrodynamique à haut champ.

L’aimant hybride vise à atteindre 43 T avec une puissance électrique de 24 MW dans un alésage de 34 mm de diamètre à température ambiante. Pour ce faire, il combine un insert polyhélix (25,5 T), deux bobines Bitter (9 T) et une bobine supraconductrice de 1100 mm de diamètre (8,5 T).

Ce dernier consiste en un câble Rutherford sur conduit (RCOCC) de 9 km en Nb-Ti/Cu (Fig. 1), mis au point pour contrôler les pertes de courant induites. Cette technologie, une alternative au câble sur conduit (CICC), a été produite en soudant un câble Rutherford sur un stabilisateur rectangulaire creux en Cu-Ag. En fonctionnement, il est refroidi à 1,8 K par un bain d’hélium superfluide pressurisé à 1200 hPa (technologie du Bain Claudet développée au CEA-Grenoble [2]). La bobine est constituée de 37 pankakes à double plaque empilés et connectés en série. Elle est logée dans une cuve d’hélium reliée par une ligne cryogénique à un satellite cryogénique externe.

Un écran à courant de Foucault de 35 K est inséré entre les bobines résistives et les bobines supraconductrices afin de réduire la variation du champ en fonction du temps observée par le RCOCC en cas de coupure d’alimentation des bobines internes résistives. Un système redondant de protection des bobines supraconductrices (MSS) a été mis au point pour la détection des décharges et l’extraction d’énergie (80 MJ), ainsi qu’un système de contrôle et d’acquisition dédié. L’aimant hybride nécessite des équipements supplémentaires (Fig. 2) tels qu’une unité de pompage de 5 000 m³/h, une unité de liquéfaction d’hélium dédiée de 150 l/h, des convertisseurs de puissance de 7 500 A/±15 V pour la bobine supraconductrice et des convertisseurs de puissance de 12 + 18 MW pour les bobines résistives,[3],[4],[5].

Contact : francois.debray [a] lncmi.cnrs.fr

Des champs magnétiques allant jusqu’à 38 T sur les aimants résistifs et 42 T sur le nouvel aimant hybride de Grenoble sont produits dans un alésage de 34 mm de diamètre à température ambiante. Dans les deux cas, les bobines résistives sont fabriquées à partir d’alliages de cuivre développés en interne.

Des redresseurs dédiés transforment le courant alternatif haute tension (AC) fourni au laboratoire en deux étapes (225 KV à 15 KV, puis 15 KV à 550 V) en un courant continu (DC) très stable qui alimente les aimants à haut champ. Comme l’a compris A.M. Ampère il y a deux siècles, le champ magnétique produit par une bobine est proportionnel au nombre de tours de la bobine et à l’intensité du courant électrique. L’intensité maximale disponible est de 2 fois 33 000 ampères. Le champ magnétique maximal peut être atteint en moins de deux minutes (sur des aimants résistifs). Il s’agit d’une caractéristique essentielle pour les chercheurs qui scrutent le champ magnétique afin de caractériser les propriétés d’un matériau donné dans toute la gamme des champs magnétiques disponibles.

Vue de dessus d’un insert à 14 hélices. Les hélices sont connectées électriquement en série et refroidies hydrauliquement en parallèle. Les anneaux font passer le courant électrique d’une hélice à l’autre.
Des fentes sont pratiquées dans les anneaux pour optimiser le débit entre les hélices.

Pour le refroidissement de l’aimant à haut champ, l’installation à haut champ est reliée à l’Isère par une station de pompage spécifique partagée avec l’installation de neutrons de l’ILL et l’installation de synchrotron de l’ESRF, toutes deux situées à proximité. Des plateaux de champ magnétique de plusieurs heures sont alors disponibles pour les recherches qui ont besoin d’accumuler des données expérimentales pour obtenir des résultats scientifiques de haute qualité.