Pour fabriquer un électroaimant, on commence par le bobinage des fils supraconducteurs. Le bobinage est une opération simple mais longue et demandant beaucoup d’attention. Nous allons présenter ici les différentes étapes de la fabrication d’une bobine développée au CEA pour le Jefferson Laboratory (Etats-Unis).
Le dispositif de bobinage autour du mandrin et après 30 couches de bobinages, soit 1531 tours !
Dans le cas de l’aimant ici, la forme du mandrin sur lequel est enroulé le câble, de niobium-titane, a été calculée pour produire une forme de champ magnétique très particulière. Les spires sont alignées pour former des couches régulières. Il est également nécessaire de vérifier, en permanence, l’isolation du conducteur pour éviter tout court-circuit.
Les électroaimants produisent des forces d’éclatement qui sont proportionnelles au champ magnétique. Du début des opérations de bobinage jusqu’à la fin, le câble est tendu par un frein qui assure une précontrainte telle que le câble ne se décollera pas du mandrin sous l’effet de ces forces magnétiques d’éclatement. Pour renforcer l’isolation électrique et pour fixer au mieux l’effet de cette tension du bobinage, chaque couche terminée est collée avec une résine qui assurera la cohésion de l’ensemble fini. Mais cette tension est telle qu’il sera nécessaire de brider le conducteur de la dernière couche et de solidariser le bobinage par une frette finale. Le bobinage de l’électroaimant principal, dans notre cas a demandé 5786 mètres de conducteur. Cela représente 3907 spires qui sont réparties sur 64 couches.
Ainsi simplement bobiné, un électroaimant produit des lignes champs magnétiques qui se referment à des distances suffisamment grandes pour que les effets du magnétisme soient présents bien au-delà de son volume. Un champ magnétique intense au centre du bobinage est ce que l’on recherche, mais le magnétisme à l’extérieur du bobinage est souvent indésirable car il engendre des forces d’attraction telles que les objets métalliques peuvent être attirés à plusieurs mètres de distance. Ainsi l’électroaimant que nous prenons en exemple a été calculé pour produire un champ de fuite élevé sur son axe central. Mais pour des raisons de sécurité il a été demandé que le champ magnétique à l’extérieur soit le plus faible possible. La solution que nous avons adoptée pour réduire le champ extérieur a été de placer une autre bobine supraconductrice de champ opposé autour de la première. Cette deuxième bobine, d’un diamètre supérieur, est calculée pour rabattre les lignes de champ externes au plus près de l’aimant principal sans trop réduire le champ au centre de l’aimant.
Cette deuxième bobine comprend 579 spires réparties sur 10 couches et a nécessité 1500 m de conducteur.
Bobinage du blindage actif et emboitement du bobinage actif sur la bobine principale
La difficulté pour utiliser ces électroaimants est que l’alliage de niobium-titane du bobinage n’est supraconducteur qu’en dessous d’une température qui est très basse. Dans le cas le plus courant, comme celui que nous présentons, la température de fonctionnement est de -269°C (4,2 degrés au-dessus du zéro absolu). Il est donc nécessaire de placer notre bobinage dans des conditions d’isolation thermique qui sont très élaborées et nous devons mettre un dispositif de refroidissement pour atteindre ces très basses températures.
Le moyen le plus simple pour refroidir l’aimant est d’utiliser de l’hélium liquide. Cela demande de clore le bobinage dans une enceinte étanche qui servira de réservoir d’hélium liquide.
Ecran refroidi à -220°C pour éviter les pertes thermiques par rayonnement, placé autour de la bobine. A droite, on recouvre la bobine d’un matériau super-isolant thermiquement.
Puis il faut isoler thermiquement l’ensemble de l’environnement ambiant car le rayonnement direct entre 20°C et -269°C est tel qu’il ne serait pas possible de le refroidir. Pour cela, tout autour de cette enceinte, on place un écran de rayonnement qui interceptera la chaleur venant de l’extérieur. Cet écran est refroidi par les vapeurs de gaz hélium qui sont collectées à la sortie de l’enceinte d’hélium liquide de l’électroaimant. Mais comme ce n’est encore pas suffisant pour isoler le bain d’hélium liquide, on ajoute une super-isolation qui est formée de très fines couches d’aluminium déposées sur des films de polyester. Ainsi isolé notre électroaimant ne recevra que 0,1 watt d’apport de chaleur par rayonnement contre 500 watts si nous n’avions pas pris toutes ces précautions. Les supports de l’aimant entre 20°C et -269°C font l’objet du même genre de précautions, pour les mêmes raisons. Mais comme l’ensemble des 2 bobinages, plus les parties mécaniques qui les maintiennent, pèsent un peu plus de 600 kg, ces supports apportent quand-même 0,9 watt par conduction.
Pour terminer l’isolation, il est nécessaire de placer le tout dans une enceinte qui sera pompé sous un vide suffisamment poussé pour qu’il n’y ait plus aucune possibilité de transmettre la chaleur par convection de l’air résiduel, comme dans une bouteille thermos. À ce propos, tous les constituants de l’air sont solides à la température de -269°C. Nous n’avons donc pas d’autre choix que le vide pour isoler les différents étages thermiques de notre ensemble qui n’est autre qu’un cryostat.
On place le tout dans une enceinte à vide
Techniquement, il nous reste à placer l’électroaimant à l’horizontale et à lui ajouter les parties fonctionnelles qui serviront à l’alimenter en courant et en hélium liquide et nous aurons un dispositif prêt à fonctionner. Pour des questions d’étanchéité soit à l’hélium liquide soit au vide, la majeure partie des diverses enceintes qui composent le cryostat de l’électroaimant est soudée.
On soude les différentes parties. L’aimant achevé est placé dans un dispositif de test
Après toutes les vérifications d’usage, l’enceinte à vide est pompée en vide secondaire, à une pression inférieure au millionième de millibar, puis l’électroaimant est lentement refroidi à l’hélium jusqu’à obtenir le niveau nominal d’hélium liquide dans son enceinte. Et pour terminer on monte le courant lentement jusqu’à atteindre la valeur nominal de 534 A qui donnera le champ magnétique désiré au centre de l’électroaimant, 4,6 teslas.
La bobine fonctionne : elle attire ici un anneau magnétique. La bobine fournit un champ de plus de 4 teslas, soit 100 000 fois le champ terrestre.
Cet aimant réalisé au CEA a été livré en 2005 et il est utilisé pour les expériences de physique au centre du toroïde CLAS au Jefferson Laboratory à Newport news en Virginie.
Caractéristiques de l'aimant ainsi conçu
Dimensions |
Rayon interne |
Rayon externe |
|---|---|---|
Bobine Principale |
170 mm |
288 mm |
Bobine de Blindage |
400 mm |
418 mm |
Cryostat |
115 mm |
456 mm |
