Particle Physics Division

Résumé en français :

La raréfaction de l'hélium utilisé pour le refroidissement des aimants supraconducteurs pousse les fabricants d'aimants supraconducteurs à se tourner vers d'autres types de supraconducteurs performants pouvant être refroidis par conduction solide; c'est le cas du MgB₂. Découvert en 2001, sa température critique (39 K), sa production en série sous différents formes (rubans, câbles, films etc…) sur de grandes longueurs permettent d'envisager une utilisation à un prix compétitif dans les aimants en remplacement des supraconducteurs basses températures historiques que sont le NbTi et le Nb₃Sn. Cependant, les conducteurs en MgB₂ doivent encore être améliorés notamment leurs tenues mécaniques par rapport aux conducteurs en NbTi et leurs performances réelles à hauts champs doivent encore être démontrées dans les applications concrètes.

Cette thèse a pour but le dimensionnement et la fabrication d'un prototype d'aimant MgB₂ refroidi par conduction générant un champ de 2T dans un champ de fond de 3T. Plusieurs longueurs de conducteur ont dû être soudées par deux jonctions résistives au centre du bobinage complexifiant la fabrication du prototype. La thèse s'articule autour de trois axes structurant. Tout d'abord, une analyse des performances supraconductrices et mécaniques de différents conducteurs MgB₂ permettra la sélection du conducteur pour le bobinage du prototype. Les différentes phases du dimensionnement du prototype seront présentées : calculs mécaniques, thermiques, magnétiques et thermalisation de l'aimant et protection sans oublier les étapes nécessaires à sa fabrication (bobinage et imprégnation). Validant les étapes précédentes et les performances du prototype, les résultats des tests effectués sur le prototype seront présentés.

Résumé en anglais :

Helium shortage is an issue for superconducting magnets and drives superconducting magnet designer to find other types of effective superconductors that could be used in conduction-cooled magnets. MgB₂ is a promising superconducting material and could fill the demand. MgB₂ was discovered in 2001, its critical temperature (39 K) as well as its mass production of a variety of shapes (ribbons, films, cables, wires…) over long length makes MgB₂ a competitive substitute to historical low temperature superconductors such as NbTi and Nb₃Sn in magnets. Although promising, MgB₂ conductors still need mechanical improvement compared to NbTi's and their performance in practical applications has yet to be demonstrated especially for low bending radius magnets.

This thesis aims to design and build a MgB₂ conduction-cooled prototype generating a 2T on its own in a 3T background field. Several length of conductors were fused by two resistive junctions at the very heart of the winding challenging the design and the fabrication because of the thermalization issues. The thesis focuses on three main topics. First, superconducting and mechanical performances of several MgB₂ conductors candidates for the prototype are analyzed and discussed. The design calculation (magnetic, mechanical, thermalization of the prototype and protection) and all the fabrication process (winding and impregnation) are presented. In order to validate the previous steps and the performances of the prototype, the prototype is tested and the results detailed.