Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Afin de développer les accélérateurs de particules du futur tels que le Future Circular Collider (FCC), des électro-aimants supraconducteurs à haut champ (supérieurs à 15 T) sont nécessaires. Le supraconducteur Nb3Sn est visé, toutefois il pose encore certains problèmes techniques non résolus lors de sa mise en œuvre. Le Nb3Sn est produit sous forme de câbles de type Rutherford. Ces câbles sont ensuite enroulés pour former les bobines de l’électro-aimant. Suite au bobinage, le conducteur requiert un traitement thermique à 650°C afin de former la phase supraconductrice Nb3Sn. Il est désormais établi que des changements de dimensions significatifs des brins ont lieu durant ce changement de phase se traduisant par des changements dimensionnels des câbles. Si les changements de dimensions ne sont pas autorisés par l’outillage, les contraintes mécaniques s’accumulent dans les bobines et les performances supraconductrices se dégradent. Actuellement ce problème est géré de manière empirique en autorisant des jeux dans les mandrins centraux, autour desquels sont enroulés les câbles supraconducteurs, et en ajustant les jeux de manière itérative. En revanche, le comportement thermomécanique des câbles Nb3Sn dans une bobine pendant le traitement thermique nécessite d’être quantifié. Le but de cette thèse est d’observer et comprendre les changements de dimensions de ce type de conducteur Nb3Sn afin d’aider au dimensionnement des outillages de fabrication de bobines pour les futurs aimants d’accélérateurs, et potentiellement améliorer leurs performances.

Depuis plusieurs années, le CEA développe des sources de faisceaux intenses d’ions légers à partir de plasmas générés par résonance cyclotronique électronique (ECR). Son expérience, mondialement reconnue, lui a permis de prendre en charge la fabrication des sources et injecteurs de protons ou de deutons pour des grands projets internationaux tels que IFMIF, FAIR et Spiral2.

Grâce à leurs performances, en particulier l’intensité du faisceau délivré et la fiabilité, ces sources sont recherchées pour les futures sources intenses de neutrons (pour les études de matériaux des réacteurs de fusion, les expériences utilisant la diffraction neutronique par exemple), les projets de réacteurs nucléaires pilotés par accélérateurs ou pour le traitement du cancer par capture de neutrons sur le bore.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse mèneront à une meilleure connaissance des phénomènes physiques mis en jeu comme l’interaction de l’onde radiofréquence avec le plasma et le confinement magnétique. L’amélioration des connaissances permettra d’optimiser la qualité des faisceaux issus des sources ECR (émittance, stabilité, reproductibilité et pureté ionique). Elle permettra également de porter l’intensité extraite au-delà des records actuels. Des sources plus compactes et un meilleur rendement sont également attendus.

Ce programme est très ambitieux et ne pourra être validé que par de nombreuses mesures expérimentales réalisées sur le site de Saclay soit sur le plasma lui-même, soit sur les faisceaux extraits avec des diagnostics dédiés.

La maitrise des hautes intensités est une des clés du futur dans le domaine des accélérateurs. C’est pourquoi ces sources d’ions innovantes contribueront donc à renforcer la position du CEA parmi les leaders mondiaux dans le domaine des sources d’ions légers et des accélérateurs de particules.

Depuis leurs découvertes au début du XXe siècle, les propriétés uniques de la supraconductivité ont été utilisées dans de multiples d'applications ; allant des électroaimants puissants utilisés dans les IRM et les réacteurs à fusion aux circuits électroniques rapides de dernière génération (Quantum-bits) et aux accélérateurs de particules.

Les limitations de performances des supraconducteurs proviennent de leurs interactions avec les champs électromagnétiques externes. Nous proposons une approche originale pour atténuer la dissipation supraconductrice: une nouvelle hétéro-structure supraconductrice nanométrique permettant d’écranter le champ électromagnétique externe et de limiter la pénétration de vortex. La synthèse de ces nano-multicouches par Atomic Layer Deposition sera optimisée et adaptée pour améliorer de manière significative les performances d'une application à base de supraconducteur: les résonateurs supraconducteurs radiofréquence (SRF).

Le doctorant sera un élément actif important de l’approche synergique entre la synthèse, la conception, la caractérisation et les tests de performance des hétéro-structures les plus efficaces basées sur les alliages de nitrure supraconducteurs NbN, NbTiN, MoN et les matériaux isolants AlN, MgO, SrTiO3 afin de fournir une percée technologique majeur vers des performances supraconductrices sans précédent pour ces résonateurs.

Ce programme de trois ans se concentrera sur trois axes de recherche ou lots de travaux:

1- Explorer des voies de synthèse pour déposer des hétéro-structures innovantes. Années 1-2.

2- Adapter les propriétés de l'hétéro-structure pour optimiser les performances du supraconducteur. Années 2-3

3- Tester l'hétéro-structure optimisée sur les résonateurs supraconducteurs en Niobium. Année 3.