Champs magnétiques pulsés non destructifs au LNCMI-Toulouse
Team : Jérôme Béard, Julien Billette, Tristan Moraine, Thierry Lemaire, Enora Noël
Au LNCMI, les champs magnétiques sont produits en faisant circuler un courant dans un électro-aimant, une bobine. Il s’agit d’un enroulement, généralement de symétrie cylindrique, autour d’un trou dans lequel l’intensité du champ sera maximale et où la mesure physique aura lieu. Jusqu’à présent, un champ magnétique dont la valeur dépasse 45 Tesla ne peut être atteint que par l’utilisation d’électro-aimants pulsés. Au-delà de cette valeur, il n’est plus possible d’extraire la chaleur produite par effet Joule, il est donc nécessaire de faire circuler le courant pendant une courte durée. Le LNCMI propose sur son site toulousain une variété de bobines pulsées adaptées à un grand nombre de techniques expérimentales jusqu’à 98,8 T. Pour information, le record mondial est de 100,75 T établi en 2012 par le National High Magnetic Field Laboratory de Los Alamos aux USA.
Les champs magnétiques pulsés non destructifs sont produits par la décharge d’une batterie de condensateurs dans un électro-aimant. Un courant de plusieurs dizaines de milliers d’ampères circule dans la bobine pendant un temps inférieur à une seconde. La circulation de ce fort courant permet la production d’un champ magnétique intense de plusieurs dizaines de Tesla au centre de la bobine. La combinaison de ces forts courants et champs magnétiques provoque des contraintes mécaniques de plusieurs gigapascals qui doivent être contenues par les matériaux constituant le bobinage. En raison de ces contraintes mécaniques extrêmes, la durée de vie des électro-aimants, avant leur défaillance, est limitée à quelques centaines d’impulsions.
Générateurs d'impulsions
Le LNCMI sur son site de Toulouse a conçu et utilise 5 générateurs pulsés constitués de batteries de condensateurs pouvant être chargés à des tensions allant jusqu’à 24 kV. Ils stockent une énergie électrique de 1 à 21 mégajoules et permettent tous de délivrer des courants de plusieurs dizaines de milliers d’ampères correspondant à une puissance électrique de l’ordre du gigawatt.
Vue CAO 3D de l’un des deux générateurs 3 MJ lors de sa conception…
… et sa construction. Chacune des trois sous-parties contient un élément du générateur (interrupteur, pied de biche, résistances de décharge).
Deuxième génération de la batterie de condensateurs de 14 MJ. Les parties développées pour les générateurs de 3 MJ ont été dupliquées afin de rationaliser la construction, la maintenance et l’automatisation. Dans la même pièce se trouve un générateur de 1 MJ basé sur les mêmes techniques.
Générateur transportable de 1 MJ (les trois cubes à gauche) ici en service à l’Institut Laue-Langevin de Grenoble. Ce générateur est également utilisé à l’European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble pour des expériences combinant rayons X et champ magnétique intense pulsé. Jusqu’en 2019, il était utilisé pour alimenter des aimants à plusieurs bobines.
Salle des interrupteurs. Des contacteurs haute tension/haute intensité distribuent trois générateurs dans les 7 sites de mesure du laboratoire.
Site de mesure. La bobine est refroidie à 77 K (-196 °C) dans un dewar d’azote liquide installé dans une fosse. La cellule est renforcée pour résister en cas de rupture violente de la bobine.
Aimants pulsés
Le LNCMI-Toulouse conçoit et produit tous les aimants pulsés non destructifs utilisés pour les expériences de champs magnétiques élevés.
Profils temporels des champs magnétiques pulsés générés au LNCMI-Toulouse. Les aimants A, B et C sont monolithiques, c’est-à-dire formés d’une seule bobine connectée à un seul générateur. Les aimants D, E et F sont composés de plusieurs bobines concentriques. D et F sont des bobines doubles et F, l’« aimant 100 T », est la première bobine triple au monde. Il a généré, en février 2017, 98,8 T et cette valeur est le record européen actuel.
