Petit tour d’horizon de la technologie des aimants à haut champ
Les champs magnétiques affectent les propriétés électroniques et magnétiques de la matière. Initialement au niveau microscopique, ces changements donnent lieu à des effets de signature macroscopiques que les chercheurs étudient à l’aide de différentes méthodes expérimentales afin de comprendre le fonctionnement d’un matériau. Parmi les exemples, citons les modifications de la conductivité électrique en fonction du champ, le déplacement des bords ou des lignes d’absorption optique, les transitions de phase magnétiques et bien d’autres encore. En outre, les champs magnétiques sont utilisés pour manipuler des objets dans des applications telles que la lévitation magnétique, la séparation, la projection, le formage ou le soudage.
En règle générale, les champs plus élevés produisent des effets plus importants, mais sont également plus difficiles à générer et à utiliser. C’est en partie le résultat d’un compromis technique entre l’intensité d’un champ magnétique et sa durée.
Les aimants permanents n’ont besoin d’aucune source d’énergie externe, mais sont intrinsèquement limités à des champs inférieurs à 1 T. Les électro-aimants, quant à eux, ont besoin d’énergie électrique pour créer et maintenir un champ magnétique. Les aimants supraconducteurs, qui ne produisent pas de chaleur résiduelle, sont les plus pratiques à cet égard. Cependant, comme la supraconductivité finit par s’effondrer, les aimants résistifs et hybrides sont actuellement la seule option pratique pour générer des champs continus entre 24 et 45 T. Ces aimants nécessitent de grandes infrastructures techniques pour évacuer la chaleur résiduelle et compenser la perte d’énergie respective par des alimentations électriques de plusieurs dizaines de mégawatts.
Les champs entre 45 et 100 T ne sont plus continus. Ici, une batterie de condensateurs est déchargée dans un aimant résistif, ce qui donne lieu à une impulsion de champ de moins de 1 s. La bobine tamponne la chaleur produite au cours du processus et l’évacue ensuite au cours d’un temps de refroidissement beaucoup plus long. Des courants plus importants donnent lieu à des champs plus élevés, mais génèrent plus de chaleur et nécessitent donc des impulsions plus courtes, de l’ordre de quelques millisecondes.
Outre la dissipation et l’échauffement, les électro-aimants doivent également résister à leurs propres forces magnétiques. Les aimants non destructifs les plus puissants sont ainsi exposés à des pressions de l’ordre du gigapascal, un niveau que même les matériaux de renforcement les plus avancés parviennent à peine à contenir. Pour entrer dans le régime des mégagauss (1 MG = 100 T), on en revient donc à de simples aimants jetables qui génèrent un champ d’une durée encore plus courte pendant les phases initiales de leur inévitable destruction.
Au LNCMI, des systèmes magnétiques continus, pulsés, non destructifs et destructifs sont exploités et constamment améliorés afin de fournir les champs les plus élevés possibles pour la recherche scientifique. Dans ses installations de champs continus à Grenoble et de champs pulsés à Toulouse, le LNCMI développe en outre l’instrumentation appropriée pour réaliser des expériences dans les gammes de champs respectives.